考慮分布式發(fā)電的配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性判據(jù)

伍榮江　夏宇濤　張秋實(shí)　李恩文

【摘 要】考慮分布式發(fā)電接入，提出了一種改進(jìn)的基于潮流解存在性的配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定判據(jù)。結(jié)合現(xiàn)有的電壓穩(wěn)定性指標(biāo)和分布式發(fā)電的特點(diǎn)，在分布式發(fā)電的接入點(diǎn)及其上游節(jié)點(diǎn)處采集電壓、電流、功率等信息，根據(jù)改進(jìn)的電壓穩(wěn)定性判據(jù)實(shí)時監(jiān)測配網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，并建立相應(yīng)的仿真模型對該判據(jù)有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，理論分析和模擬仿真都驗(yàn)證了該改進(jìn)判據(jù)的有效性。

【關(guān)鍵詞】分布式發(fā)電；配電網(wǎng)；電壓穩(wěn)定性

中圖分類號： TM611 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）17-0035-003

Voltage Stability Criteria for Distribution Network Considering Distributed Generation

WU Rong-jiang1 XIA Yu-tao2 ZHANG Qiu-shi3 LI En-wen3

（1.Guizhou Power Grid Co.，Ltd.Guiyang Power Supply Bureau，Guiyang Guizhou 550001，China；

2. Technical Training Center of State Grid Hubei Electric Power Company，Wuhan Hubei 430072，China；

3.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan Hubei 430072，China）

【Abstract】Considering the distributed power generation，an improved voltage stability criterion for distribution network based on the solutions existence of power flow is proposed.The collection of voltage，current，power and other information are carried out in the distributed power generation access point and its upstream node.According to the improved voltage stability criterion，the voltage stability of the distribution network is monitored in real time，and the corresponding simulation model is established to verify the validity of the criterion.The theoretical and simulation tests verify the effectiveness of the improved criterion.

【Key words】Distributed power generation；Distribution network；Voltage stability

0 引言

伴隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，傳統(tǒng)能源的利用中暴露出的能源枯竭和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，可再生能源獲得越來越多的關(guān)注。目前，可再生能源在實(shí)際應(yīng)用中多以分布式發(fā)電或者微網(wǎng)的形式接入配電網(wǎng)運(yùn)行[1]。因其具有低能耗、污染少、供電靈活性和可靠性的優(yōu)勢，可以彌補(bǔ)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的不足，改善電網(wǎng)的調(diào)峰性能，同時由于分布式發(fā)電靠近用戶，輸配電損耗低，并網(wǎng)后可以降低輸配電成本。在帶來良好效益的同時，也在各方面影響著傳統(tǒng)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。我國的中低壓配電網(wǎng)主要是中性點(diǎn)不接地（或經(jīng)消弧線圈接地）、單側(cè)電源、輻射型供電網(wǎng)絡(luò)。大量分布式發(fā)電接入會改變系統(tǒng)潮流，造成系統(tǒng)擾動下功角失穩(wěn)，電壓崩潰等問題[2]。因此，在分布式發(fā)電快速發(fā)展和大量接入電力系統(tǒng)的背景下，考慮其接入配網(wǎng)給電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行帶來的不確定性影響，研究分布式發(fā)電接入下電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題是十分必要的[3]。

雖然近年來，各國對電壓穩(wěn)定性問題展開研究并取得了大量研究成果[4]，但是電壓穩(wěn)定性研究多以輸電網(wǎng)為研究對象，較少涉及到配網(wǎng)。分布式發(fā)電或微網(wǎng)的接入改變了配電系統(tǒng)原有的輻射結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的潮流、電壓也隨之發(fā)生變化，國內(nèi)外出現(xiàn)過多起因大容量風(fēng)電注入導(dǎo)致系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的事故[5]。因此，需要針對分布式發(fā)電及微網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，采用合理電壓穩(wěn)定指標(biāo)對含微網(wǎng)的配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定盡心深入系統(tǒng)的研究。本文針對當(dāng)前越來越多微網(wǎng)接入配電網(wǎng)帶來的電壓穩(wěn)定性問題進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證，為今后的分布式發(fā)電并網(wǎng)的研究與發(fā)展提供了全新的思路。

1 基于潮流解存在性的配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定判據(jù)

目前，配電網(wǎng)已經(jīng)具有了較為成熟的電壓穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)。較為成熟的方法是基于潮流的靜態(tài)分析法?；诔绷鹘獯嬖谛缘碾妷悍€(wěn)定判據(jù)就是用代數(shù)方程代替系統(tǒng)的線性化微分方程，負(fù)荷用靜態(tài)模型代替。在最初的配電網(wǎng)支路電壓穩(wěn)定性研究中，電壓穩(wěn)定指標(biāo)Lij是通過兩節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)推導(dǎo)出的，之后采用等效阻抗的方法，使該方法推廣到多節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)。

圖1 配電網(wǎng)支路等效電路圖

如圖1所示，配電網(wǎng)中含有N個節(jié)點(diǎn)，設(shè)任一條支路為bij，其中i和j分別為該支路的兩個節(jié)點(diǎn)，潮流從節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j，流過節(jié)點(diǎn)i和j的負(fù)荷分別為Si=Pi+jQi，Sj=Pj+jQj，支路bij等效阻抗Zij=Rij+jXij，節(jié)點(diǎn)i和j的電壓分別為Ui和Uj，則

■■=■■-（R■+jX■）（P■-jQ■）/■■■＼*MERGEFORMAT（1）endprint

式中，■■、■■分別為節(jié)點(diǎn)i和j的電壓在直角坐標(biāo)形式下的向量。將其虛部和實(shí)部分解開，列寫方程后，根據(jù)一元二次方程的實(shí)數(shù)解存在性判據(jù)可以得出：

4[（PjXij-QjRij）2+（PjRij+QjXij）U■■]≤U■■（2）

式（2）即為第一類配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定條件。定義支路bij的第一類電壓穩(wěn)定指標(biāo)為

Lij=4[（PjXij-QjRij）2+（PjRij+QjXij）U■■]/U■■（3）

則式（2）可以表述為Lij≤1。Lij越小，該節(jié)點(diǎn)處的電壓也就越穩(wěn)定，因此對于整個電網(wǎng)，其第一類電壓指標(biāo)有各支路中Lij的最大值確定，即L=max{Lij}。

以上便是經(jīng)過改進(jìn)的基于潮流解存在性的判據(jù)。L反映整個配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定情況，L值越小，配電網(wǎng)電壓越穩(wěn)定。L值綜合考慮了系統(tǒng)負(fù)荷分布和節(jié)點(diǎn)電壓對電壓穩(wěn)定性的影響，具有計(jì)算方便，便于監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。

2 含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)在線電壓穩(wěn)定指標(biāo)

分布式發(fā)電接入配網(wǎng)后，其向配電網(wǎng)輸出的功率通常是變化的。例如，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出隨風(fēng)力條件的變化而變化，太陽能光伏發(fā)電也隨光照條件的變化而變化。這類分布式發(fā)電接入配網(wǎng)后，使得接入分布式發(fā)電的節(jié)點(diǎn)功率變化，嚴(yán)重的會引起電壓失穩(wěn)。在這種情況下，要求能夠在線準(zhǔn)確地獲取分布式發(fā)電接入下的配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。

如圖2所示，在支路bij中，分布式發(fā)電DG接入到節(jié)點(diǎn)j，此時該節(jié)點(diǎn)的功率S'j=P'j+jQ'j是處于不斷變化之中。根據(jù)圖中電路，有

Ui=Uj+■（R+jX）=U■+■（R+jX）（4）

圖2 帶DG的配電網(wǎng)支路等效電路圖

變形得到：

|Uj|4+[2（P'jR+Q'jX）-|Ui|2]|Uj|2+（P'jR+Q'jX）2+（P'jX-Q'jR）2=0（5）

根據(jù)方程解存在性得到判據(jù)：

|Ui|4-4[|Ui|2（P'jR+Q'jX）+（P'jX-Q'jR）2]≥0（6）

根據(jù)2.1的分析，定義參數(shù)Lij，使得

Lij=■（7）

由之前的分析可知，若Lij≤1，則節(jié)點(diǎn)j的電壓穩(wěn)定，且Lij的值越小，節(jié)點(diǎn)j的電壓穩(wěn)定性則越高。由于接入了分布式發(fā)電，式（7）中的參數(shù)P■■和Q■■的值會不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致Lij的值也在實(shí)時變化，即節(jié)點(diǎn)j處的電壓穩(wěn)定性發(fā)生變化。因此，通過實(shí)時監(jiān)測式（7）中的各項(xiàng)參數(shù)就可以監(jiān)測各點(diǎn)的電壓穩(wěn)定性。

同樣，為了表示整個電網(wǎng)在接入分布式發(fā)電后的電壓穩(wěn)定性，定義L=max{Lij}。其中，{Lij}代表整個電網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)經(jīng)式（7）計(jì)算的結(jié)果，L取其中的最大值，即以電壓穩(wěn)定性最低的點(diǎn)代表整個電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。

定義bij支路的穩(wěn)定裕度為Bij=1-Lij。顯然，Bij越大，該支路的電壓越穩(wěn)定，準(zhǔn)許接入的分布式發(fā)電容量越大。同樣，對于整個電網(wǎng)，其穩(wěn)定裕度定義為：B=1-L。

上述方法中的電壓穩(wěn)定性指標(biāo)清晰地反映了負(fù)荷分布與電壓穩(wěn)定性的關(guān)系，而且可以利用線路實(shí)時數(shù)據(jù)獲取，能夠準(zhǔn)確衡量分布式發(fā)電接入下配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定性。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證上述判據(jù)的實(shí)用性與準(zhǔn)確性，搭建如圖3所示的仿真電路。其中，分布式發(fā)電DG1和DG2經(jīng)過各自的變壓器T1和T2并聯(lián)在一起，各變壓器出口母線側(cè)配備STATCOM作為無功補(bǔ)償裝置。分布式發(fā)電經(jīng)公共耦合點(diǎn)PCC接入10kV配電網(wǎng)。在仿真中，先投入圖3中的容量較小的DG1，一段時間后投入容量較大的DG2。在總線1和總線2處裝設(shè)測量裝置，能夠?qū)崟r獲取該條饋線潮流數(shù)據(jù)，用于計(jì)算前述分析中的電壓穩(wěn)定指標(biāo)。

圖3 仿真電路

圖4 功率變化

仿真總時長設(shè)計(jì)為1s，在0.3s時投入分布式發(fā)電DG1，在0.6s時投入另一分布式發(fā)電DG2。其中DG1為3MVA，DG2為30MVA。分布式發(fā)電投入后，總線3處功率變化如圖4所示。從圖中可以看出，在DG1投入后總線3處功率上升，而DG2投入后母線3處的功率卻急劇下降到0。

總線3處電壓的變化如圖5所示，在DG1投入時，電壓略微上升之后恢復(fù)到額定值，說明DG1的投入依舊能保證節(jié)點(diǎn)電壓保持穩(wěn)定，而DG2投入后，電壓迅速下降到約0.3pu，與額定值差距較大，此時電壓已經(jīng)失去穩(wěn)定。

根據(jù)式（15）計(jì)算出的電壓穩(wěn)定性指標(biāo)L的變化如圖6所示，電壓在0.6s時失去穩(wěn)定，而L也在0.6s處突變到大于1，這與前面的理論分析一致。對應(yīng)的穩(wěn)定裕度如圖7所示，當(dāng)穩(wěn)定裕度為正時，說明電壓穩(wěn)定，穩(wěn)定裕度為負(fù)時，電壓已經(jīng)失去穩(wěn)定。

4 總結(jié)

本文針對分布式發(fā)電大量接入配電網(wǎng)，對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性帶來的問題，提出了一種改進(jìn)的基于潮流解存在性的電壓穩(wěn)定性判據(jù)，該判據(jù)充分考慮了分布式發(fā)電容量變化對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響，通過測量分布式發(fā)電接入點(diǎn)及其上游節(jié)點(diǎn)的功率和電壓，實(shí)時監(jiān)測接入點(diǎn)電壓的穩(wěn)定性。理論計(jì)算和仿真分析都驗(yàn)證了該判據(jù)的有效性，為今后的分布式發(fā)電并網(wǎng)的研究與發(fā)展提供了全新的思路。

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