淺議微電網(wǎng)的電壓變化

呂彥召，王 佳，常文煥，馬莉娜

(1.國家電網(wǎng)許繼集團(tuán)，河南許昌461000;2.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450011)

0 引言

微電網(wǎng)正進(jìn)入快速發(fā)展和商業(yè)化階段。通常，配電網(wǎng)是無源網(wǎng)絡(luò)。其中有功功率和無功功率始終是從高電壓流向低電壓。但隨著DER 的深入應(yīng)用，潮流就可能反轉(zhuǎn)過來，因?yàn)榕潆娋W(wǎng)不再是向負(fù)荷供電的無源電路，而是有潮流的有源系統(tǒng)，而電壓是由發(fā)電和負(fù)荷兩者共同決定。因此，具有DER 的配電網(wǎng)絡(luò)(即微電網(wǎng))的性質(zhì)發(fā)生了巨大的變化。

1 常規(guī)配電網(wǎng)的電壓變化

大多數(shù)的配電網(wǎng)是用輻射型無源網(wǎng)絡(luò)作為模型的，有功功率P 和無功功率Q 的潮流始終是從高電壓流向低電壓。由于輸電網(wǎng)的抗阻比X/R≥10，而配電網(wǎng)絡(luò)的抗阻比X/R≥0.5，因此配電網(wǎng)的電阻值很大。配電網(wǎng)的大電阻造成了從變電站到用戶連接點(diǎn)的沿線壓降。壓降的值可以根據(jù)雙母線配電系統(tǒng)圖1 算出。

圖1 常規(guī)的雙母線配電系統(tǒng)

圖1 中，DS 的配電系統(tǒng)，OLTC 是有載分接開關(guān)(On-Load Tap-Changer)，US是發(fā)送端的電壓，UR是接收端的電壓;P 和Q分別是從配電網(wǎng)流向用戶的有功功率和無功功率，即由配電系統(tǒng)供應(yīng)的有功功率和無功功率，而PL和QL是負(fù)荷的有功功率和無功功率。發(fā)送端的電壓可以寫成:US=UR+Ι(R+jX)。

式中:I 是流過輸電線路的電流向量。

由于在配電供應(yīng)的功率可以寫成:P+jQ=USΙ*

因此發(fā)送端的電壓可以表示成:

由于發(fā)送端的電壓與接收端電壓之間的相位差很小，因此電壓降近似地等于電壓降的實(shí)數(shù)部分。如果認(rèn)為發(fā)送端的總線是基準(zhǔn)總線，則電壓的相位為零，因此，上式可以近似為:

把圖(1)所示系統(tǒng)的電壓看成是基準(zhǔn)電壓，則US可以假設(shè)為1，則(1)可以寫成如下

在BIM的應(yīng)用過程中有一個(gè)很重要的問題——I（Information）到底向哪里輸入，如何使用？B（Building）建筑的概念太大，向建筑輸入信息，無法確定具體往哪里輸入。因此，信息還要向更為微觀的下一個(gè)層級滲透。實(shí)際上建筑并不是一個(gè)不可分割的整體，而是有微觀部分組成的，而且微觀部分之間還具有層級包含關(guān)系。建筑是無法由材料直接構(gòu)成的，材料必須形成某種可以成型的物品后才能夠變成組成建筑的一部分，因此“建筑”與“材料”二者之間還應(yīng)該具有一個(gè)中間媒介——構(gòu)件，后者成為組成建筑的基本單位。

在常規(guī)雙母線的基礎(chǔ)上繪制出常規(guī)的N 條母線的配電系統(tǒng)圖2 所示。

圖2 常規(guī)的n 母線配電系統(tǒng)

在圖2 所示的大型配電網(wǎng)中電壓的變化量可以與(1)所示的同樣公式來確定。在圖2 中，考慮了n 條母線的系統(tǒng)，在第i根和第j 根母線之間的電壓降ΔUij可如下表示:

式中 Rij是第i 根和第j 根母線之間的電阻;Ui是第i 根母線上的電壓;Pij是第i 根母線到第j 根母線的有功功率;Qij是第i 根母線到第j 根母線的無功功率。

對于供電質(zhì)量來說，在負(fù)荷的每一連接點(diǎn)上的電壓的大小都是很重要的，考慮電壓降是研究電能質(zhì)量不可或缺的一個(gè)重要因素。

2 微電網(wǎng)上電壓的變化

當(dāng)DER 接到配電系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)潮流和電壓波形就會受到影響，不再是無源的，而是有源的。為了輸出功率，一臺發(fā)電機(jī)要在較高的電壓下工作，比供應(yīng)功率的其他節(jié)點(diǎn)的電壓稍，接收端的電壓UR將為:

因?yàn)槌绷鞯姆较蚴窍喾吹模谑前l(fā)電機(jī)連接點(diǎn)的電壓將上升到高于發(fā)送端的電壓。如圖3 所示。

在圖 3 中，DER 接在電壓 UGEN處，假定是 11 kV 處;PG和QG分別是DER 所產(chǎn)生的有功功率和無功功率;PL和QL分別是負(fù)荷所產(chǎn)生的有功功率和無功功率;QC是并聯(lián)補(bǔ)償器的無功功率。

圖3 簡單微電網(wǎng)

接有負(fù)荷和補(bǔ)償器的DER 通過阻抗為R +jX 的架空配電線以及通過OLTC 接到配電系統(tǒng)。電壓沿配電網(wǎng)的上升如圖3可以寫成如下:

式中 P=PG-PL;Q= ±QC-QL±QG

如果UGEN=1，則(2 -5)可以簡化成:

DER 始終輸出有功功率(PG)，但也可以輸出或輸入無功功率(±QG)，而負(fù)荷則消耗有功功率(-PL)和無功功率(-QL);補(bǔ)償器可以只輸出或吸收無功功率(±QC)。最近，在熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)發(fā)電規(guī)劃，小型風(fēng)力渦輪機(jī)和光伏電池中，小型同步電機(jī)廣泛地用作DG。在CHP 發(fā)電規(guī)劃中，同步發(fā)電機(jī)即使當(dāng)系統(tǒng)的電負(fù)荷下降低于發(fā)電機(jī)的輸出時(shí)也輸出有功功率，但它可以吸收或輸出無功功率。這取決于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的配置。風(fēng)力渦輪機(jī)也輸出有功功率，但是它吸收無功功率，以為它的感應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要無功功率才能工作。光伏電池系統(tǒng)在設(shè)定的功率因數(shù)下輸出無功功率，但是可能引入諧頻電流。因此，在電網(wǎng)中的潮流可以朝任一方向流動(dòng)，這取決于電網(wǎng)的有功和無功負(fù)荷與發(fā)電機(jī)輸出和電網(wǎng)損耗相比的相對大小。

圖4 n 母線大型微電網(wǎng)

大型微電網(wǎng)的電壓的變化量可以用(4)所示的同樣公式來確定。把DER 與常規(guī)配電網(wǎng)的第j 根母線綜合在一起，則系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換成如圖4 所示。

在DER 連接點(diǎn)上的電壓變化ΔUij，考慮了n 條母線的系統(tǒng)，在第i 根和第j 根母線之間的電壓降可如下表示:

式中;PGj是由DER 供應(yīng)的有功功率;QGj是由DER 供應(yīng)或吸收的無功功率，取決于DER 的性能;PLj是接到配電系統(tǒng)第j總線的負(fù)荷的有功功率;QLj是接到配電系統(tǒng)第j 總線的負(fù)荷的無功功率。

如果在DER 的連接點(diǎn)接上一個(gè)無功功率QGj的并聯(lián)補(bǔ)償器。則式(7)可以寫成:

3 結(jié)語

在上述常規(guī)和微電網(wǎng)的小型和大型配電系統(tǒng)圖的基礎(chǔ)上簡要分析了各自的電壓變化情況和能量的流動(dòng)情況，得出簡化的電壓變化推導(dǎo)公式，為以后我們遇到實(shí)際微網(wǎng)情況提供一個(gè)理論分析的依據(jù)。電力系統(tǒng)變化多樣，應(yīng)用時(shí)根據(jù)實(shí)際情況作出相應(yīng)的推導(dǎo)和調(diào)整。

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