能量采集網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳輸系統(tǒng)電壓性能的影響研究

鄭 真，程浩忠，張　逸，繆源誠(chéng)，MASOUD Bazargan(.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海00090；.上海交通大學(xué)電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海000；.福建省電力公司，福建福州5000；.阿爾斯通電網(wǎng)集團(tuán)研究與技術(shù)中心，斯塔福德ST7 LX，英國(guó))

能量采集網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳輸系統(tǒng)電壓性能的影響研究

鄭 真1，程浩忠2，張逸3，繆源誠(chéng)2，MASOUD Bazargan4
(1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海200090；2.上海交通大學(xué)電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；3.福建省電力公司，福建福州350003；4.阿爾斯通電網(wǎng)集團(tuán)研究與技術(shù)中心，斯塔福德ST17 4LX，英國(guó))

讓分布式發(fā)電機(jī)(DGs)運(yùn)行在固定的感性功率因數(shù)以克服配電網(wǎng)電壓上升的限制，這樣的做法很普遍。但這種方法增加了配電網(wǎng)無功需求，可能導(dǎo)致傳輸系統(tǒng)在全網(wǎng)DG高輸出時(shí)無功功率提供有限(特別是當(dāng)這種輸出取代同步發(fā)電機(jī)時(shí))。如果相鄰的DGs能以集群的方式經(jīng)過專用能源采集網(wǎng)絡(luò)(EHN)連接到傳輸節(jié)點(diǎn)上，就可以像虛擬電廠一樣描述其總無功容量能力。提供了這樣一種描述，這種集群容量可以很容易地在傳輸系統(tǒng)模型中被體現(xiàn)出來，而且會(huì)明確地比較EHN無功容量和傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)電廠對(duì)傳輸系統(tǒng)電壓控制性能的影響。

分布式發(fā)電；能源采集網(wǎng)絡(luò)；無功

要想提高可再生能源的滲透率，有必要考慮將可再生能源發(fā)電當(dāng)作重要的參與者為更寬闊的電力系統(tǒng)提供配套服務(wù)。雙饋感應(yīng)電機(jī)(DFIGs)的電力電子設(shè)備允許控制獨(dú)立于有功輸出的無功輸出，因而特別適合參與電力系統(tǒng)電壓支撐。本文參考了多種有功控制策略，以最好地利用遍布整個(gè)配電網(wǎng)的無功電源[1-3]。也有一種針對(duì)相鄰集群的發(fā)電機(jī)的獨(dú)特控制方法被采用：以成組的形式連接到一個(gè)專用的傳輸節(jié)點(diǎn)上(可能因?yàn)榻?jīng)濟(jì)原因)。

文獻(xiàn) [4]建立了由風(fēng)電廠DFIG組成的能源采集網(wǎng)絡(luò)(EHN)的無功容量通過數(shù)字和統(tǒng)計(jì)的方法刻畫出來，在傳輸節(jié)點(diǎn)給出一個(gè)總共的無功容量。這種方法是關(guān)于建立特定網(wǎng)絡(luò)

1 方法

在得到一組比較結(jié)果之前，要按以下步驟進(jìn)行：

(1)將EHN無功特性等效為測(cè)試系統(tǒng)中的每一臺(tái)發(fā)電機(jī)；

(2)采用測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)的無功作時(shí)間系列潮流分析；

(3)采用等效EHN容量對(duì)同步發(fā)電機(jī)容量圖進(jìn)行增量替代，并且記錄由此對(duì)傳輸系統(tǒng)電壓產(chǎn)生的效果。

1.1測(cè)試系統(tǒng)選擇

選擇IEEE30節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)工作，是因?yàn)樗诤芏嘞嗤难芯恐械玫搅瞬捎肹5]。電網(wǎng)由8條132 kV的傳輸線組成，同時(shí)采用33 kV的配電系統(tǒng)連接負(fù)荷。系統(tǒng)特性在文獻(xiàn)[6]中給出，同時(shí)還提供了作為這項(xiàng)研究基礎(chǔ)的發(fā)電機(jī)參數(shù)。表1顯示了發(fā)電機(jī)運(yùn)行限制，以及作者設(shè)定的在負(fù)荷變化時(shí)產(chǎn)生的基本系統(tǒng)調(diào)度的優(yōu)勢(shì)等級(jí)。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? P P ? ? ? 1 　0 　2 0 0 　2 0 0 . 0 　6 ? ? ? 2 　2 0 　8 0 　7 5 . 5 　1???5 　15 　50 　47.5 　2???8 　10 　35 　33.5 　4 ? ? ? 1 3 　1 2 　4 0 　3 8 . 5 　3 ? ? ? 1 1 　1 0 　3 0 　2 8 . 5 　5

表1中Pmax_new列顯示了強(qiáng)加給這項(xiàng)研究的發(fā)電機(jī)最大輸出限制稍微減少了一些。這是用來產(chǎn)生EHN能力特性的方法。模擬匹配Gen2的EHN由總共最大出口容量為80 MW的風(fēng)場(chǎng)組成；這個(gè)參數(shù)的逐漸降低，反應(yīng)了EHN里的有功損耗。

6個(gè)發(fā)電機(jī)供應(yīng)系統(tǒng)283.4 MW和126.2 MVar的高峰負(fù)荷。系統(tǒng)中的有功和無功負(fù)荷將從愛爾蘭系統(tǒng)里的負(fù)荷曲線歸一化。時(shí)間系列的負(fù)荷數(shù)據(jù)從2009年的數(shù)據(jù)中提取，15 min取一次。

由于發(fā)電機(jī)提供的無功水平是工作中將要得到的比較的關(guān)鍵，在IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中提供一個(gè)可行的無功容量是非常重要的。因而對(duì)同步發(fā)電機(jī)采用了發(fā)電機(jī)升壓變壓器進(jìn)行模型擴(kuò)充。這些MVA級(jí)別的采用0.85功率因數(shù)運(yùn)行在額定有功下，建立的電壓從11～132 kV，阻抗比為10.08％，X/R為26。發(fā)電機(jī)11和13通過原有系統(tǒng)中給定的三繞組變壓器等效阻抗相連[6]，它們分別調(diào)整傳輸母線6和4上的電壓。所有發(fā)電機(jī)將傳輸系統(tǒng)連接母線電壓設(shè)定為1 pu。

1.2發(fā)電機(jī)無功容量特性

每一個(gè)發(fā)電機(jī)要么模擬典型同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行圖，要么模擬EHN模型的代表性容量。

同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行圖是基于同步阻抗Xd=Xq=1.75 pu[7]。發(fā)電機(jī)功率因數(shù)固定在0.85。單元變壓器的存在能夠解釋在傳輸層獲得的無功容量的減少。

為了獲得EHN無功容量特性，采用了文獻(xiàn)[4]中給出的模型，因而為包含EHN的風(fēng)電廠提供的根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得的時(shí)間系列功率輸出數(shù)據(jù)被用來生成一系列實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行點(diǎn)。

圖1中顯示的四個(gè)DGs是對(duì)愛爾蘭共和國(guó)四個(gè)現(xiàn)存的相鄰風(fēng)場(chǎng)每隔15 min采集的輸出數(shù)據(jù)的模擬。本研究中采用的EHN模型如圖2所示。EHN里連接它們的線路阻抗與它們的實(shí)際地理位置是一致的。每個(gè)風(fēng)場(chǎng)模擬為DFIG發(fā)電機(jī)，后面為一個(gè)合適大小的連接電網(wǎng)的變壓器。

對(duì)每隔15 min的快速仿真，記錄了圖1中傳輸節(jié)點(diǎn)上有功和無功潮流(P，Q)。這些記錄組成了統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)。在圖3中，一群這樣的運(yùn)行點(diǎn)繪制成黑色。對(duì)圖1中顯示的四個(gè)DGs研究的描述采用了30 000個(gè)歷史有功輸出數(shù)據(jù)。

給定總有功P輸出時(shí)，無功輸出或輸入的限制取決于如下因素：每個(gè)組成的發(fā)電機(jī)的無功容量，每個(gè)采集網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的阻抗，有功注入的主要位置和EHN的電壓曲線。有功注入曲線的變化影響電網(wǎng)內(nèi)無功損耗和當(dāng)前電壓曲線，意味著無功容量限制并不總是和總有功緊密相關(guān)。為了找到無功支持最大的運(yùn)行點(diǎn)，在每一個(gè)潮流采樣點(diǎn)上，每一個(gè)DG輸出它的最大無功，除非受過電壓條件的限制。采用逆過程找到無功吸收點(diǎn)。

圖1　EHN里DFIG DG的理論無功容量

圖2　本研究中采用的EHN模型

在30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，為了給每個(gè)發(fā)電機(jī)找到等量的EHN，EHN模型中每個(gè)DG的容量按比例縮小，所以它們的總和等于發(fā)電機(jī)規(guī)定的原有的Pmax。EHN中的變壓器也適當(dāng)?shù)缺壤s放，以適合新的總?cè)萘?。由此產(chǎn)生的EHN模型用來做前述的時(shí)間系列仿真。

黑線劃定的區(qū)域僅僅在運(yùn)行點(diǎn)1％以內(nèi)伸展。選擇這個(gè)任意值使得大量運(yùn)行點(diǎn)減少到一個(gè)更可靠的特性。未來的工作應(yīng)該是建立一個(gè)更加可靠的范圍在圖中進(jìn)行選擇。這些黑線描述的性能99％的時(shí)間可以得到。這些描述EHN的線路作為PV發(fā)電機(jī)來建模。由于I2X損耗和電壓限制，在高有功輸出下所得到的無功儲(chǔ)備的衰減是EHN的典型特征。

將圖3中的性能圖和圖3比較。同步電廠比本文中EHN模型有更大的無功容量。EHN的無功容量取決于電網(wǎng)范圍，發(fā)電機(jī)和環(huán)境變量；本文中考慮的樣本僅僅是例子但是有說服力。

1.3測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行情況

選擇近一個(gè)月的兩個(gè)階段；一個(gè)冬季階段包括最大系統(tǒng)需求283.4 MW，和一個(gè)夏天階段包含最小系統(tǒng)需求96.4 MW。時(shí)間序列負(fù)荷潮流分析大約15 min執(zhí)行一次。發(fā)電機(jī)調(diào)度對(duì)每個(gè)15 min負(fù)荷狀況下更新一次，根據(jù)表1中給出的優(yōu)勢(shì)等級(jí)，發(fā)電機(jī)永遠(yuǎn)不會(huì)切除，但是會(huì)減少到它們的最小負(fù)荷水平。

對(duì)每一個(gè)時(shí)間階段，6個(gè)獨(dú)立的時(shí)間序列負(fù)荷都進(jìn)行了潮流分析：

(1)初始時(shí)間系列仿真將所有發(fā)電機(jī)模擬為同步電廠；

(2)下一步分析中，最高優(yōu)勢(shì)等級(jí)的發(fā)電機(jī)采用匹配的EHN代替同步容量圖；

(3)時(shí)間序列分析在相同的調(diào)度和負(fù)載制度下重復(fù)執(zhí)行；

(4)通過第6個(gè)時(shí)間系列分析，除了用來功率平衡的Gen1，所有的發(fā)電機(jī)都要作為EHNs運(yùn)行。

2 結(jié)果

2.1冬季階段

在EHN滲透越來越高的情況下，對(duì)傳輸系統(tǒng)電壓性能粗略評(píng)估，首先檢查一下全球傳輸系統(tǒng)健康的寬泛指標(biāo)。

圖4描繪了傳輸系統(tǒng)的3個(gè)相同的指標(biāo)。在時(shí)間系列分析中，它給出了任意傳輸母線任意點(diǎn)上的絕對(duì)最大和最小電壓記錄。同時(shí)也給出了時(shí)間系列中所有傳輸母線電壓的平均值(平衡節(jié)點(diǎn)1的電壓不在本分析范圍內(nèi))。X軸是每個(gè)案例中EHN發(fā)電機(jī)當(dāng)前能量注入，同時(shí)對(duì)增加的發(fā)電機(jī)命名以接受EHN特性。

圖4　當(dāng)EHN滲透增加時(shí)平均和最小傳輸系統(tǒng)電壓下降

圖4中顯示的普遍下降的傳輸電壓是同步能力更換引起的傳輸系統(tǒng)無功儲(chǔ)備逐漸降低的預(yù)期效果。在不斷增加的EHN滲透下，為了分析單個(gè)發(fā)電機(jī)對(duì)無功的貢獻(xiàn)，考慮圖5中隨時(shí)間變化發(fā)出的無功：當(dāng)每個(gè)發(fā)電機(jī)被匹配的EHN代替，很明顯就可以看到它給傳輸線提供的無功減少到大約峰值的1/5。這意味著，一旦發(fā)電機(jī)給定一個(gè)EHN能力，它就在會(huì)在較低處平衡。

圖5　　在每個(gè)仿真案例中單一發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功量

在最后的仿真案例中，發(fā)現(xiàn)承擔(dān)基本負(fù)荷的Gen2在作為EHN運(yùn)行時(shí)實(shí)際上需要無功注入。這是為了當(dāng)輸出最大有功時(shí)克服內(nèi)部電壓限制。

因?yàn)橄到y(tǒng)在冬季負(fù)荷很重，發(fā)電機(jī)通常運(yùn)行在高有功輸出的水平上，EHN損耗和電壓限制嚴(yán)重制約可得到的無功水平 (如圖3所示)。EHN滲透不斷增加引起的無功短缺通過Gen2和Gen1處的平衡節(jié)點(diǎn)平衡得很好。這使傳輸?shù)侥妇€上的無功在電氣上遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)，對(duì)電壓水平有害，如圖5所示。實(shí)際上，過分依賴Gen1的無功支持將引起對(duì)高EHNs滲透水平(可能大于21.8％)下電壓安全的高度重視。

2.2夏季階段

夏季階段的有功制度有更多的發(fā)電機(jī)運(yùn)行在更大的功率輸出范圍。這使來自EHN發(fā)電機(jī)的無功支持更方便，在高有功輸出時(shí)這些發(fā)電機(jī)的無功能力大幅削減。圖6為EHN滲透不斷增加情況下的傳輸電壓標(biāo)準(zhǔn)。

圖6　EHN滲透不斷增加情況下的傳輸電壓標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于較輕負(fù)載的夏季時(shí)期，傳輸系統(tǒng)電壓水平相對(duì)于冬季大為改善，即使在EHNs滲透率較高的情況下。

在本案例中對(duì)Gen1的依賴減少了，正如提供的GV ArH并沒有隨著EHN滲透的增加提高得如此厲害。值得注意的是，作為EHNs運(yùn)行時(shí)的發(fā)電機(jī)無功支持在高峰期同步性能上顯著減少。即使圖7中給出較好的調(diào)度計(jì)劃，從EHNs得到的無功支持和從同步電廠獲得的相比仍然相形見絀。在性能上的大量差異的直接后果，來源于圖2中給出的基本的DG容量。

圖7　6個(gè)滲透水平下每個(gè)發(fā)電機(jī)的總無功貢獻(xiàn)

3 結(jié)論

本文通過一種簡(jiǎn)化的方法來模擬傳輸系統(tǒng)的建模，對(duì)采用封裝無功容量的分布式電源進(jìn)行研究。傳輸系統(tǒng)結(jié)果顯示，在EHN滲透較明顯時(shí)電壓性能顯著降低。盡管本文中EHNs電壓支撐的貢獻(xiàn)適度，但主要還是針對(duì)具有有功和無功損耗的固有感性分布式能源，對(duì)傳輸系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性能產(chǎn)生了一定的影響。

[1]謝睿,王少榮.基于多智能體與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的合同能源管理決策支持系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,12:69-74.

[2]KEANE A,OCHOA L F,VITTAL E,et al.Enhanced utilization of voltage control resources with distributed generation[J].IEEE Transactions on Power Systems,2010(1):99.

[3]肖靜.基于DIgSILENT的逆變型分布式電源建模及其對(duì)配電網(wǎng)的影響研究[D].北京：北京交通大學(xué),2013.

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Voltage performance of transmission network system based on effect of EHN's reactive support

ZHENG Zhen1,CHENG Hao-zhong2,ZHANG Yi3,MIAO Yuan-cheng2,MASOUD Bazargan4
(1.School of Electrical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China;2.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Transformation,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;3.Fujian Municipal Electric Power Company, Fuzhou Fujian 350003,China;4.ALSTOM Grid Research＆amp;Technology Centre,Stafford ST17 4LX,UK)

It could be common to operate DGs at fixed inductive power factors so that we could overcome voltage constraints on distribution networks.Distribution system which reactive power's demand was increased particularly if such output displaces synchronous generators,it may strain the transmission system reactive power resources at times of system-wide high DG output.If via a dedicated energy harvesting network(EHN)some adjacent DGs were connected to a transmission node in a clustered fashion,also as a form of virtual power plant,it was possible to characterise their aggregated reactive power capability.Such a characterisation could be provided.The aggregated capability would readily be included in transmission system models.This work would explicitly compare the transmission system voltaget-control performance of EHN reactive capability with that of traditional synchronous plant.

distributed generation；energy harvesting network；reactive power

TM 31

A

1002-087 X(2016)01-0203-04

2015-06-05

“863”計(jì)劃(2014AA051901)；國(guó)家電網(wǎng)公司大電網(wǎng)重大專項(xiàng)資助(SGCC-MPLG018-2012)

鄭真(1990—)，男，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全與穩(wěn)定。提供的無功運(yùn)行限制，沒有考慮采用一個(gè)合適的控制計(jì)劃來實(shí)現(xiàn)它。這種EHN總?cè)萘渴菍?duì)過去常用來描述同步電廠的容量圖的一種模擬。本文將證明這種容量采集是怎樣應(yīng)用在傳輸系統(tǒng)研究中的，并提供一些最初的結(jié)果來直接比較EHN和傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)電廠對(duì)傳輸系統(tǒng)電壓性能的影響，考慮兩種不同類型的發(fā)電機(jī)在相同的有功調(diào)度制度下的情況。當(dāng)然，如果考慮到風(fēng)能發(fā)電的隨機(jī)性，這就是一個(gè)完全不現(xiàn)實(shí)的假設(shè)。然而，通過固定這些因素，在其他條件不變的情況下進(jìn)行比較，可以將改變有功運(yùn)行對(duì)傳輸系統(tǒng)電壓性能的影響隔離掉。