分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響

張 師，李衛(wèi)國(guó)，田 蕾，趙天曉

(1. 東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012； 2. 國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090; 3. 國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司遼源供電公司，吉林 遼源 136200)

分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響

張 師1，李衛(wèi)國(guó)1，田 蕾2，趙天曉3

(1. 東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012； 2. 國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090; 3. 國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司遼源供電公司，吉林 遼源 136200)

分布式電源 (distributed generation，DG) 接入配電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有較大影響，其影響機(jī)制值得深入研究。推導(dǎo)電壓穩(wěn)定H指標(biāo)，并結(jié)合L指標(biāo)深入分析DG接入對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響機(jī)制，并給出提高電壓穩(wěn)定性的措施。由分析可知：線路流過(guò)的功率、電壓降落縱分量均與電壓穩(wěn)定性呈正相關(guān)，合理調(diào)節(jié)DG功率因數(shù)可有效提高配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)算例驗(yàn)證了所得結(jié)論的有效性。

分布式電源 (DG)；配電網(wǎng)；電壓穩(wěn)定指標(biāo)；電壓降落；功率因數(shù)

0 引言

隨著配電網(wǎng)用電需求的增加與分布式電源(distributed generation，DG)技術(shù)的日趨成熟，越來(lái)越多的DG接入配電網(wǎng)。隨著DG并網(wǎng)容量的增加及配電網(wǎng)電壓失穩(wěn)事故的頻頻發(fā)生，DG接入對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1-6]。

目前關(guān)于DG接入配電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定研究已經(jīng)取得了一些成果。文獻(xiàn)[7]基于潮流可解性和負(fù)荷電壓特性建立了電壓穩(wěn)定指標(biāo)，并給出配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的判據(jù)。文獻(xiàn)[8]建立了含小型光伏發(fā)電的配電網(wǎng)模型，并研究了不同天氣類型下配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[9]采用改進(jìn)遺傳算法以電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)發(fā)電機(jī)電壓、變壓器變比及無(wú)功補(bǔ)償容量進(jìn)行優(yōu)化，可以提高電壓穩(wěn)定性并降低網(wǎng)損。文獻(xiàn)[10]簡(jiǎn)化了L指標(biāo)，并結(jié)合L-Q靈敏度，提出了電壓穩(wěn)定L指標(biāo)的在線監(jiān)控方法。在現(xiàn)有的研究成果中，大部分都是基于仿真分析來(lái)提高含DG的配網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，或采用智能算法優(yōu)化配網(wǎng)電壓穩(wěn)定指標(biāo)，未見(jiàn)關(guān)于DG并網(wǎng)對(duì)配網(wǎng)電壓影響機(jī)制的深入分析[11-13]。

基于此，本文首先推導(dǎo)電壓穩(wěn)定L指標(biāo)及判據(jù)，并提出新的電壓穩(wěn)定H指標(biāo)及判據(jù)；基于電壓穩(wěn)定指標(biāo)分析DG接入對(duì)電壓穩(wěn)定的影響機(jī)制；最后，通過(guò)IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)加以驗(yàn)證。

1 配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定指標(biāo)

1.1基于潮流可解的電壓穩(wěn)定L指標(biāo)

系統(tǒng)中任意兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)i和j，假設(shè)功率從i節(jié)點(diǎn)流向j節(jié)點(diǎn)，則i節(jié)點(diǎn)和j節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系可表示為

(1)

(2)

式中：Ui為i節(jié)點(diǎn)電壓幅值；Uj為j節(jié)點(diǎn)電壓幅值。

式(2)可化簡(jiǎn)為

(3)

若Uj有解，則根據(jù)一元二次方程根判別式可知

(4)

將式(4)化簡(jiǎn)可得

(5)

因此可得出電壓穩(wěn)定L指標(biāo)：

(6)

如果L≤1，則Uj有解，電壓穩(wěn)定；如果L>1，則Uj無(wú)解，電壓不穩(wěn)定。

1.2基于伏安特性的電壓穩(wěn)定H指標(biāo)

動(dòng)態(tài)過(guò)程中，當(dāng)潮流可解時(shí)，系統(tǒng)也可能電壓失穩(wěn)，因此，需要基于伏安特性研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的電壓穩(wěn)定性。

圖1為i、j節(jié)點(diǎn)電壓向量圖。根據(jù)圖1可得知從i節(jié)點(diǎn)流向j節(jié)點(diǎn)的電流Iij與受端電壓Uj的關(guān)系：

(7)

圖1 節(jié)點(diǎn)i、j的電壓向量圖Fig.1 Voltage vector diagram of node i and node j

式中：Zij為i、j節(jié)點(diǎn)間阻抗；δ為i、j節(jié)點(diǎn)電壓相角差。

另外，Iij與受端電壓Uj的關(guān)系還滿足

(8)

式中Sj為ij支路末端的視在功率。

從圖2所示伏安特性曲線可看出，A和B分別為穩(wěn)定平衡點(diǎn)和不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。設(shè)兩條曲線的斜率分別為k1和k2，在穩(wěn)定平衡點(diǎn)A，兩條曲線的斜率滿足

(9)

圖2 伏安特性曲線Fig.2 Volt ampere characteristic curve

在不穩(wěn)定平衡點(diǎn)B，兩條曲線的斜率滿足

(10)

根據(jù)式(8)，對(duì)Uj求導(dǎo)，可得|k1|：

(11)

根據(jù)式(7)，對(duì)Uj求導(dǎo)，可得|k2|：

(12)

根據(jù)以上分析可以得出電壓穩(wěn)定H指標(biāo)：

(13)

若H<1，電壓穩(wěn)定；若H>1，電壓不穩(wěn)定。

2 DG對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響

由式(6)可看出，節(jié)點(diǎn)注入的有功功率和無(wú)功功率發(fā)生變化會(huì)影響電壓穩(wěn)定L指標(biāo)，當(dāng)PjXij=QjRij時(shí)，L可簡(jiǎn)化為

(14)

可看出，線路電壓降落縱分量與L呈正相關(guān)：線路流過(guò)的功率小，L越小。

電壓穩(wěn)定H指標(biāo)如式(13)所示，可看出：支路流過(guò)的功率、支路阻抗均與H呈正相關(guān)。線路流過(guò)功率增加和支路阻抗增加均會(huì)降低電壓穩(wěn)定性。式(13)還可表示為

(15)

式中：ΔU為ij支路電壓降落縱分量；δU為ij支路電壓降落橫分量。

δU越大，H越大，δU可表示為

(16)

當(dāng)Sj一定，δU為0時(shí)，H指標(biāo)最小，此時(shí)有PjXij=QjRij。

根據(jù)以上分析可知，降低線路流過(guò)的功率或減小線路阻抗均有利于提高電壓穩(wěn)定。當(dāng)線路流過(guò)的Sj為定值，若PjXij=QjRij，電壓穩(wěn)定H指標(biāo)最小。

3 算例分析

以IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)為例，分析分布式電源對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響，原始系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定L指標(biāo)和H指標(biāo)如圖4所示。

圖3 IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)Fig.3 IEEE 33 node distribution network

圖4 IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定指標(biāo)Fig.4 IEEE 33 node system voltage stability index

圖5 不同DG功率因數(shù)下各節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定H指標(biāo)Fig.5 Voltage stability H index of each node under different DG power factors

設(shè)在33節(jié)點(diǎn)接入1 MV·A的DG，計(jì)算不同DG功率因數(shù)下系統(tǒng)各支路電壓穩(wěn)定H指標(biāo)，如圖5所示。

33節(jié)點(diǎn)接入了0.6+j0.4 MV·A的負(fù)荷，隨著DG功率因數(shù)的升高，32支路(32-33線路)流過(guò)的功率逐漸減小，H逐漸減小，當(dāng)32支路流過(guò)功率與電壓降落橫分量均較小時(shí)，32支路的H出現(xiàn)最低點(diǎn)。此外，其他支路的H與線路流過(guò)功率和電壓降落呈正相關(guān)。

系統(tǒng)各支路電壓穩(wěn)定L指標(biāo)如圖6所示。從圖6也可看出，32支路的L值也隨著DG功率因數(shù)升高，先降低后升高。33節(jié)點(diǎn)處DG功率因數(shù)變化，改變了其他支路流過(guò)的功率和電壓降落橫分量。

基于以上分析可知，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定與各支路流過(guò)的功率、電壓降落橫分量均有較大關(guān)系：線路流過(guò)的功率越小，電壓穩(wěn)定性越好。當(dāng)線路流過(guò)功率受限時(shí)，通過(guò)合理調(diào)節(jié)DG功率因數(shù)可有效改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

圖6 不同DG功率因數(shù)下各節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定L指標(biāo)Fig.6 Voltage stability L index of each node under different DG power factors

4 結(jié)論

本文基于伏安特性推導(dǎo)了電壓穩(wěn)定H指標(biāo)，并結(jié)合電壓穩(wěn)定L指標(biāo)深入分析DG接入對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響機(jī)制。通過(guò)本文的分析可知，減小支路功率有利于提高該支路的電壓穩(wěn)定性；合理調(diào)節(jié)DG功率因數(shù)，從而減小電壓降落橫分量，可有效改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。通過(guò)IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)算例驗(yàn)證了本文結(jié)論的有效性。

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張 師

(編輯 谷子)

EffectofDistributedGenerationonVoltageStabilityofDistributionNetwork

ZHANG Shi1, LI Weiguo1, TIAN Lei2, ZHAO Tianxiao3

(1. School of Electric Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150090, Heilongjiang Province, China; 3. Liaoyuan Power Supply Company of State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Liaoyuan 136200, Jilin Province, China)

The distributed generation (DG) access in distribution network has a great influence on the voltage stability of the distribution system, whose influence mechanism is worth further studying. This paper derives the voltage stability H index, and analyzes the influence mechanism of DG on the system voltage stability with the L index, and presents the measures to improve the voltage stability. The analysis results show that: the power and voltage drop across the lines are positively correlated with the voltage stability, and the reasonable adjustment of the DG power factor can effectively improve the voltage stability of distribution network. The validity of the conclusion is verified by the example of IEEE 33 node distribution network system.

distributed generation (DG); distribution network; voltage stability index; voltage drop; power factor

TK 01;TM 71

： A

： 2096-2185(2017)04-0036-04

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.04.006

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(GDKJQQ20152044)

2017-04-25

張 師(1989—)，男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制，zs472254835@126.com；

李衛(wèi)國(guó)(1970—)，男，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃，1677493048@qq.com;

田 蕾(1982—)，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)規(guī)劃，tianleiguojiadw@163.com；

趙天曉(1989—)，男，學(xué)士，助理工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制，292511009@qq.com。