高滲透率下微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的作用機(jī)理研究

李明穎

摘要：經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，人們對(duì)電能的需求也逐漸增加。作為集中式發(fā)電的補(bǔ)充，分布式發(fā)電技術(shù)正變得越來越成熟。隨著電能生產(chǎn)價(jià)格的不斷下降和政府的扶持，當(dāng)今社會(huì)分布式發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，分布式電源逐漸增多，從而使電力系統(tǒng)的運(yùn)行面臨更高的挑戰(zhàn)。一些分散的小容量分布式電源對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行人員是“不可控”和“不易控”的。所以，微電網(wǎng)的出現(xiàn)是大勢(shì)所趨。一方面，作為一種小型的電力系統(tǒng)，微電網(wǎng)具有良好的能量管理功能，從而保證了微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;另一方面，微電網(wǎng)可被視為配電網(wǎng)中的一個(gè)“虛擬”電源或負(fù)荷。通過協(xié)調(diào)控制網(wǎng)內(nèi)分布式電源的輸出功率，負(fù)荷可以被轉(zhuǎn)移到峰值并填充低谷，從而控制微電網(wǎng)與外部配電網(wǎng)絡(luò)之間的電力交換。降低了可再生能源發(fā)電功率波動(dòng)對(duì)周邊用戶和外部配電網(wǎng)絡(luò)的影響，也有效降低了運(yùn)營和規(guī)劃系統(tǒng)的復(fù)雜性。本文就高滲透率下微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的作用機(jī)理展開探討。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng);動(dòng)態(tài)等值模型;動(dòng)態(tài)響應(yīng);分層控制策略

引言

微電網(wǎng)容量的快速增長以及分布式微源所占比重的不斷提高，對(duì)大電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生一定影響。因此，針對(duì)高滲透率下分布式發(fā)電接入大電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的暫穩(wěn)態(tài)影響進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究，將具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1微電源與大電網(wǎng)互聯(lián)簡述

目前，雖然分布式發(fā)電得到了大力的推廣，但是在實(shí)際的電力并網(wǎng)過程中存在著很大的問題。分布式電力系統(tǒng)由于發(fā)電量的不穩(wěn)性，其功率的變化會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性造成波動(dòng)，特別是越來越多的孤島運(yùn)行微電源接入電網(wǎng)后，對(duì)大電網(wǎng)引起的波動(dòng)更大。由于我國分布式微源的起步相對(duì)較晚，對(duì)分布式微源接入電網(wǎng)后穩(wěn)定運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)不足，所以，我國對(duì)于不同滲透率下的微源入網(wǎng)仍處于研究探索階段。

2大電網(wǎng)與微網(wǎng)相互作用的機(jī)理

在微網(wǎng)和大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行中，微網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)所表現(xiàn)的電氣特性較復(fù)雜。研究微網(wǎng)與大電網(wǎng)相互作用的機(jī)理首先應(yīng)考慮建立含有微網(wǎng)的大電網(wǎng)仿真平臺(tái)，而其中最主要的任務(wù)是對(duì)微網(wǎng)的建模。其仿真平臺(tái)的準(zhǔn)確性、仿真速度和規(guī)模將決定以后能夠開展研究課題的內(nèi)容和正確性，具有重要的意義。另外，微網(wǎng)接入后，大電網(wǎng)首先要研究的就是自身的穩(wěn)定安全問題。當(dāng)微網(wǎng)的滲透率能夠影響到大電網(wǎng)的電壓頻率和功角穩(wěn)定性時(shí)，微網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響形勢(shì)、內(nèi)在機(jī)理及大電網(wǎng)提高穩(wěn)定性的策略等問題就需要盡快開展研究。其中，微網(wǎng)中的DG在擾動(dòng)下的運(yùn)行特性不同，這導(dǎo)致了當(dāng)含有大規(guī)模微網(wǎng)接入的大電網(wǎng)在大、小不同的擾動(dòng)下，與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)在進(jìn)行穩(wěn)定理論分析、提高穩(wěn)定性手段等問題上存在很大的不同。并且，微網(wǎng)的接入改變了大電網(wǎng)的電壓水平和潮流分布，給原有的大電網(wǎng)調(diào)壓調(diào)頻手段帶來很大影響。在含有微網(wǎng)的大電網(wǎng)電能質(zhì)量方面，針對(duì)DG輸入能量不恒定、隨機(jī)變化、含有大功率電力電子變換裝置等特點(diǎn)，探討以下2類作用機(jī)理：一是探討微型電網(wǎng)在獨(dú)立或并網(wǎng)2種穩(wěn)態(tài)下，微型電網(wǎng)與外網(wǎng)配電網(wǎng)及其公共連接點(diǎn)處以波形畸變和隨機(jī)波動(dòng)為特征的穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理和分布規(guī)律;二是探討在微網(wǎng)并網(wǎng)與解網(wǎng)、微電源投退與切換、負(fù)荷沖擊、故障等暫態(tài)過程中，電壓或電流短時(shí)嚴(yán)重偏離其額定值或理想波形的暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性。目前中國在這二者作用機(jī)理方面的研究基本處于起步階段，擬研究的主要課題包括：微網(wǎng)穩(wěn)、暫態(tài)運(yùn)行特性的理論分析及建模方法的研究;微網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)的電壓、功角和頻率穩(wěn)定運(yùn)行的作用機(jī)理和對(duì)應(yīng)措施的研究;微網(wǎng)與大電網(wǎng)控制系統(tǒng)及故障過程相互作用機(jī)理的研究和微網(wǎng)所引起的大電網(wǎng)電能質(zhì)量的研究。高滲透率下微網(wǎng)與大電網(wǎng)相互作用機(jī)理研究的目的就是要揭示出二者相互作用的本質(zhì)，發(fā)展相關(guān)的理論和方法，為含微網(wǎng)大電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與控制奠定理論基礎(chǔ)。

3微電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)等值模型

（1）微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)等值的定義.圖1展示了一個(gè)通過公共連接點(diǎn)（PCC）連接于中壓電網(wǎng)的微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中虛線框內(nèi)的微電網(wǎng)是需要被等值模型代替的部分，稱為外部區(qū)域或待辨識(shí)系統(tǒng);其余部分稱為內(nèi)部區(qū)域或保留系統(tǒng)。（2）基于黑盒模型的動(dòng)態(tài)等值方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）一直是最流行的系統(tǒng)辨識(shí)方法，因?yàn)锳NN在非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模中有很大的先天優(yōu)勢(shì)，即僅僅由測(cè)量數(shù)據(jù)便可以得到動(dòng)態(tài)特性，因此一直是系統(tǒng)辨識(shí)研究的核心。（3）基于物理模型的動(dòng)態(tài)等值.黑盒模型完全是數(shù)學(xué)上的等效方法，而關(guān)于物理模型的動(dòng)態(tài)等值是選擇一個(gè)和待辨識(shí)系統(tǒng)具有類似動(dòng)態(tài)特性的物理模型來替代待辨識(shí)系統(tǒng)，該物理模型通常是已知的。（4）兩種等值方法的比較。兩種等值模型中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有較高的擬合精度，但基于物理模型等值的方法可以使得等值模型中的參數(shù)具有一定的物理意義，相對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而言在線修改相對(duì)方便一些，因此從便于在線修改的角度而言，采用基于物理模型等值的方法更佳。但問題是微電網(wǎng)中的微源類型多樣，控制策略各異，因此如何選擇一個(gè)合適的物理模型對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)等值是需要進(jìn)一步研究的問題。

圖1微電網(wǎng)和大電網(wǎng)連接示意圖

4高滲透下分布式發(fā)電對(duì)大電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

（1）動(dòng)態(tài)特性分析。通過微電網(wǎng)集合的分布式電站的電能接入大電網(wǎng)后，勢(shì)必會(huì)不同程度的對(duì)大電網(wǎng)的運(yùn)行造成一定的影響，因此，可以通過電能接入前通過設(shè)置變壓器進(jìn)行變壓處理的方法來減少對(duì)大電網(wǎng)的影響。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究時(shí)應(yīng)首先設(shè)定電力輸電線路三相短路，在發(fā)生故障的過程中來通過逆變器與電網(wǎng)進(jìn)行連接。電能通過逆變器接入大電網(wǎng)后產(chǎn)生的功率特性曲線是不斷變動(dòng)的，應(yīng)將滲透率盡量保持在變化的峰值范圍內(nèi)，使接入電能的電壓對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電壓起到一定的支撐作用，否則，可能會(huì)引起輸電系統(tǒng)的整體震蕩。對(duì)微電網(wǎng)的接入策略根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行一定的調(diào)整，使接入電能可以在電壓和頻率上盡量與大電網(wǎng)中的輸送電能盡量保持一致，這樣才能使大電網(wǎng)保持相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行。（2）靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。對(duì)于分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的研究應(yīng)通過對(duì)微源入網(wǎng)的建模開始著手，根據(jù)理論上的不斷進(jìn)步來促進(jìn)實(shí)踐中的成功。隨著我國對(duì)清潔能源開發(fā)力度的加大，越來越多的分布式發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，大量的分布式電力系統(tǒng)可以產(chǎn)生大量的電力能源，分布式發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于多余的電能必須進(jìn)行接入電網(wǎng)處理，由于分布式電源的不穩(wěn)定因素，所以給整個(gè)電力系統(tǒng)造成了很大的壓力。微電網(wǎng)可以對(duì)區(qū)域內(nèi)的分布式發(fā)電量進(jìn)行集合，然后輸送到大電網(wǎng)中，導(dǎo)致電網(wǎng)中產(chǎn)生了高電抗的情況，影響輸電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。通過對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的研究可以更好的了解電能接入電網(wǎng)后的運(yùn)行情況，在不同的滲透率下電網(wǎng)運(yùn)行過程中的波動(dòng)明顯不同，接入電網(wǎng)滲透率不斷加大的過程可以使微電網(wǎng)對(duì)整個(gè)大電網(wǎng)的電壓起到一定的支撐作用。但是在隨著滲透率的不斷加大，會(huì)使電網(wǎng)中的原本穩(wěn)態(tài)受到破壞，其中包括運(yùn)行電壓的不穩(wěn)定性和輸送功率的不穩(wěn)性，因此，在微電網(wǎng)接入大電網(wǎng)是應(yīng)對(duì)微電網(wǎng)的滲透率進(jìn)行一定的控制，找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)，盡量減少對(duì)大電網(wǎng)運(yùn)行的影響。

結(jié)語

微網(wǎng)的大規(guī)模接入必將對(duì)大電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)潮流分布、暫態(tài)故障特性產(chǎn)生重大影響，給大電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行和保護(hù)控制及緊急控制方案等方面帶來新的問題，有必要開展大電網(wǎng)應(yīng)對(duì)微網(wǎng)的策略體系研究。

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