分布式風(fēng)電對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響

禹華軍，　牟金善，　潘三博

(1. 上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司, 上海 200241; 2. 上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院, 上海 201306)

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分布式風(fēng)電對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響

禹華軍1，牟金善1，潘三博2

(1. 上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司, 上海 200241; 2. 上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院, 上海 201306)

摘要介紹了分布式發(fā)電和雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的相關(guān)概念，運(yùn)用Digsilent Powerfactory軟件搭建以單臺(tái)2MW風(fēng)電機(jī)組為分布式電源、結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)并入的35kV配電網(wǎng)模型。針對(duì)不同儲(chǔ)能系統(tǒng)投、切情況和風(fēng)電滲透率，研究風(fēng)電機(jī)組脫、并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)影響，并進(jìn)行了仿真結(jié)果驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞分布式風(fēng)電; 雙饋風(fēng)電機(jī)組; 配電網(wǎng)

近幾年，隨著我國(guó)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的大力支持，風(fēng)電作為一種重要的可再生能源得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，我國(guó)陸上風(fēng)資源豐富的區(qū)域已經(jīng)以大風(fēng)場(chǎng)建設(shè)的形式得到了極大開(kāi)發(fā)。大風(fēng)場(chǎng)開(kāi)發(fā)往往采用傳統(tǒng)的集中式發(fā)電形式，即通過(guò)升壓站，并入大電網(wǎng)，經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸后為負(fù)荷供電。這種方式造成線路損耗較大，大電網(wǎng)建設(shè)成本較高，同時(shí)由于這些地區(qū)往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，本地消納不足，導(dǎo)致出現(xiàn)了不同程度的限電。相比之下，一些不適宜大規(guī)模開(kāi)發(fā)風(fēng)電的區(qū)域，同樣擁有較好的風(fēng)資源，且該類(lèi)區(qū)域靠近負(fù)荷，不存在消納問(wèn)題，故具有一定的發(fā)展小容量風(fēng)電的先天優(yōu)勢(shì)，從而引起越來(lái)越多風(fēng)電投資者的興趣。這類(lèi)風(fēng)電一般以容量較小的分布式電源形式接入當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)，避免了大規(guī)模建設(shè)輸電線路的成本，同時(shí)提高了供電的可靠性，因而具有較為廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)前，很多風(fēng)電廠家已開(kāi)始微電網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用。因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分布式接入電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文簡(jiǎn)單介紹了分布式發(fā)電和雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及相關(guān)概念，以兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，作為分布式電源接入35kV配電網(wǎng)，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫、并網(wǎng)時(shí)，在不同情況下對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響；運(yùn)用Powerfactory電網(wǎng)仿真軟件搭建模型，對(duì)風(fēng)電接入配電網(wǎng)的電網(wǎng)電壓影響做了仿真分析。

1分布式發(fā)電

分布式發(fā)電(Distributed Generation, DG)是指功率在幾十kW到幾十MW范圍內(nèi)、模塊式的、分布在負(fù)荷附近的清潔、環(huán)保的發(fā)電設(shè)施，能夠經(jīng)濟(jì)、高效、可靠地發(fā)電[1]。20世紀(jì)80年代末，美國(guó)、歐洲等國(guó)紛紛開(kāi)始采用DG，全球電力工業(yè)出現(xiàn)由傳統(tǒng)的集中供電模式向集中和分散相結(jié)合的供電模式過(guò)渡的趨勢(shì)[2]。當(dāng)前，主要的分布式電源包括風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、燃料電池等。相較于傳統(tǒng)的大電網(wǎng)集中式發(fā)電，分布式電源一般布置在負(fù)荷附近，不需要經(jīng)過(guò)高壓電網(wǎng)遠(yuǎn)距離傳輸，因而降低了線路建設(shè)的成本。然而，DG由于直接接入配電網(wǎng)，使得電網(wǎng)的單向潮流模式發(fā)生了改變，故對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)產(chǎn)生了較大的影響?，F(xiàn)有研究表明[2]，DG的接入對(duì)配電網(wǎng)供電的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)點(diǎn)電壓、潮流、短路電流、網(wǎng)絡(luò)供電的可靠性等都會(huì)帶來(lái)影響。因此，有必要對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究，以更好地發(fā)揮DG的優(yōu)勢(shì)，提高供電網(wǎng)絡(luò)的可靠性和控制水平。

2雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

作為一種重要的可再生能源，近年來(lái)風(fēng)電得到了極大發(fā)展。目前，我國(guó)的風(fēng)電開(kāi)發(fā)主要采用兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，建設(shè)大規(guī)模風(fēng)場(chǎng)，集中開(kāi)發(fā)的方式，本質(zhì)上仍為集中式發(fā)電。真正作為DG的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般以幾kW到幾十kW的小功率機(jī)組為主，其對(duì)電網(wǎng)的影響很小。對(duì)于大功率機(jī)組，隨著風(fēng)電滲透率的不斷提高，不同工作狀態(tài)下對(duì)電網(wǎng)的影響也越來(lái)越顯著，尤其在小容量的配電網(wǎng)中，其影響更是不容忽視。

目前的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要分為直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和雙饋型感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組兩種類(lèi)型。由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行，故可提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，降低由風(fēng)施加到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的機(jī)械應(yīng)力；通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁電流的幅值、頻率和相位的控制，實(shí)現(xiàn)了變速下的恒頻運(yùn)行；通過(guò)矢量變換控制還能實(shí)現(xiàn)輸出有功和無(wú)功功率的解耦控制，提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性和動(dòng)、靜態(tài)穩(wěn)定性[3]。

雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、齒輪箱、雙饋感應(yīng)異步發(fā)電機(jī)、變流器等組成。其中，變流器分為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器兩部分，分別與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)相連接。雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本數(shù)學(xué)模型和控制原理在文獻(xiàn)[4-5]中均有較為詳細(xì)的介紹，在此不再贅述。本文根據(jù)雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)和控制原理，利用Digsilent Powerfactory軟件搭建模型并進(jìn)行仿真，以實(shí)現(xiàn)設(shè)定的研究目標(biāo)。

3分布式風(fēng)電接入對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響

3.1DG對(duì)配電網(wǎng)電壓影響

目前，針對(duì)DG對(duì)電網(wǎng)電壓影響的研究在不少文獻(xiàn)中都有論述[6-15]。文獻(xiàn)[6]中，對(duì)分布式電源接入后引起的配電網(wǎng)潮流大小和方向變化進(jìn)行分析，提出運(yùn)用靈敏度分析的方法分析系統(tǒng)電壓所受的影響及其程度，并討論了分布式電源的接入位置、出力等對(duì)系統(tǒng)電壓所帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[7]中對(duì)風(fēng)電引起電網(wǎng)的電壓波動(dòng)和閃變進(jìn)行了仿真研究，指出系統(tǒng)短路容量與線路電抗、電阻比等對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的電壓波動(dòng)、閃變有較大的影響，通過(guò)選取合適的并網(wǎng)點(diǎn)和電壓等級(jí)、合適的線路電抗與電阻比，能夠有效抑制風(fēng)電引起的電壓波動(dòng)與閃變。文獻(xiàn)[8]中提出利用短路比和剛性率來(lái)評(píng)估分布式電源對(duì)配電網(wǎng)供電電壓質(zhì)量的影響，并通過(guò)建模仿真，進(jìn)一步分析了旋轉(zhuǎn)型和逆變型分布式電源對(duì)電網(wǎng)電壓的不同影響；主要分析了分布式電源本身的啟停、發(fā)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響和分布式電源接入后對(duì)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的作用。文獻(xiàn)[9]中針對(duì)電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性與DG穿透功率的關(guān)系進(jìn)行了研究，將DG接入線路的外網(wǎng)進(jìn)行戴維南等值，得到含DG電網(wǎng)的兩節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型，進(jìn)而推導(dǎo)電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓與DG滲透率的解析表達(dá)。

(1) 電壓波動(dòng)與線路端有功和無(wú)功功率的關(guān)系。根據(jù)輸電線路潮流分布，輸電線路兩端的電壓差可表示為

(1)

式中，P、Q、UN分別為注入系統(tǒng)的有功功率、吸收的無(wú)功功率和額定電壓；R、X分別為線路的電阻和電抗。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)線路較短，兩端電壓相角差不大，故一般忽略式(1)中的虛部分量，可得

(2)

對(duì)式(2)的兩邊同時(shí)求微分，可得電壓降落變化量為

(3)

由式(3)可知，線路端注入的有功和無(wú)功功率的變化會(huì)引起電壓的波動(dòng)。同時(shí)，線路中的電阻和電抗也同樣對(duì)電壓波動(dòng)有重要影響。由于實(shí)際線路中，系統(tǒng)等值電抗在電抗中占有相當(dāng)大的比重，而系統(tǒng)等值電抗與短路容量成反比，故可知，當(dāng)系統(tǒng)電源等值阻抗越小時(shí)，短路容量越大，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)就越小。

(2) DG滲透率對(duì)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]中提出的外網(wǎng)線路等值方法，本文建立了DG的等值電網(wǎng)模型與等效電路如圖1所示。圖1(a)為將線路k1以外的局部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行戴維角等值的模型。其中，Ek、θk分別為等值電源的幅值和相位角。

圖1　分布式發(fā)電并網(wǎng)外網(wǎng)等值模型及等效電路Fig.1　Equivalent model and equivalent circuit of network for distributed generation integration

圖1(b)中，θ為等效電路等值電源的相位角，DG注入電網(wǎng)的功率為PDG+jQDG，負(fù)荷功率為Pl+jQl，Ek<θk和Rk+jXk為等值電源和等效阻抗，常規(guī)電源注入的功率為Pg+jQg，Zt=Rt+jXt=(Rk+Rkl)+j(Xk+Xkl)為外網(wǎng)等效阻抗和線路阻抗之和；Pt和Qt為網(wǎng)絡(luò)損耗的有功和無(wú)功功率，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓Ul<0設(shè)為參考電壓。常規(guī)電源所發(fā)出的復(fù)功率可表示為

Sg=(Ek<θ)I*=|Ek|(cosθ+jsinθ)×

(4)

其有功和無(wú)功功率分別為

|Ul|(Xtsinθ-Rtcosθ)]

(5)

|Ul|(Rtsinθ+Xtcosθ)]

(6)

外網(wǎng)阻抗和線路消耗的有功和無(wú)功功率分別為

Pt=(|Ek|2-2|Ek||U1|cosθ+

(7)

Qt=(|Ek|2-2|Ek||U1|cosθ+

(8)

通常情況下，由于分布式電源在單位功率因數(shù)下運(yùn)行，故QDG=0。負(fù)荷節(jié)點(diǎn)設(shè)為恒定功率因數(shù)，即Ql=klPl，其中kl為功率因數(shù)正切值。可得系統(tǒng)的功率平衡方程：

(9)

將式(5)～(8)代入式(9)，整理后可得到：

(10)

由式(10)可知，分布式電源的輸出功率直接影響了并網(wǎng)點(diǎn)的電壓Ul。文獻(xiàn)[11]中定義了DG的滲透率為DG總?cè)萘颗c系統(tǒng)總負(fù)荷之比，設(shè)為ηP，則由式(10)可得，DG并網(wǎng)點(diǎn)電壓與滲透率的關(guān)系為

(11)

求解上述方程得到Ul與ηP的解析表達(dá)式為

(12)

式中，

A=RtPl+XtQl=RtPl+XtklQl

B=XtPl-RtQl=XtPl-RtklPl

3.2建模仿真

本文采用Powerfactory軟件建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)接入35kV電網(wǎng)的模型；同時(shí)，結(jié)合已有的結(jié)論，研究在配合儲(chǔ)能系統(tǒng)投切情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的脫、并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)電壓的影響，以及在不同電網(wǎng)短路容量下的影響。分布式風(fēng)電并網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　分布式風(fēng)電并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure of distributed wind power

模型中，假定外部電網(wǎng)為35kV配電網(wǎng)，短路容量為500MV·A。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定功率為 2MW，通過(guò)容量為2.2MV·A的變壓器Tr1連接到35kV母線MV2上。容量為1MW的儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)變壓器Tr2同樣連接到母線MV2上。同時(shí)，MV2母線上還帶有負(fù)載L1，假定該負(fù)載的有功功率為15MW，功率因數(shù)為0.98，各線路參數(shù)采用默認(rèn)值。

假定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作在額定工況下，運(yùn)行潮流計(jì)算命令，可計(jì)算得到系統(tǒng)的潮流分布如圖3所示。由圖可見(jiàn)，根據(jù)軟件的仿真計(jì)算，可以清楚地了解各線路的潮流分布情況，從而為進(jìn)一步規(guī)劃電網(wǎng)建設(shè)、監(jiān)控電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)等研究提供便利條件。同時(shí)，在仿真時(shí)運(yùn)行模型的潮流計(jì)算，能夠發(fā)現(xiàn)搭建時(shí)存在的錯(cuò)誤，可對(duì)模型的正確性進(jìn)行初步判斷。本文利用圖2的仿真模型，設(shè)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在5s時(shí)脫網(wǎng)，15s時(shí)重新并網(wǎng)，仿真時(shí)間為30s，針對(duì)不同的情況，研究配電網(wǎng)電壓的波動(dòng)情況。

圖3　潮流分布Fig.3　Flow distribution

(1) 儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響。保持儲(chǔ)能系統(tǒng)為切出電網(wǎng)狀態(tài)，仿真得到母線MV2電壓的波動(dòng)情況如圖4所示。

圖4　儲(chǔ)能系統(tǒng)切出時(shí)MV2電壓的波動(dòng)情況Fig.4　MV2 voltage fluctuations without energy storage system

由圖可見(jiàn)，MV2電壓的最高值為37.05kV，最低值為31.82kV，可見(jiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的脫、并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生了較大影響。

保持儲(chǔ)能系統(tǒng)為并入電網(wǎng)狀態(tài)，仿真得到母線MV2電壓的波動(dòng)情況如圖5所示。

圖5　儲(chǔ)能系統(tǒng)切入時(shí)MV2電壓的波動(dòng)情況Fig.5　MV2 voltage fluctuations with energy storage system

由圖可見(jiàn)，MV2電壓的最高值為35.57kV，最低值為31.92kV。比較圖4、5可知，在相同的電網(wǎng)參數(shù)和負(fù)荷情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)的切入能夠在一定程度上減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫、并網(wǎng)時(shí)對(duì)接入點(diǎn)處電壓波動(dòng)的影響。

(2)ηP對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。修改負(fù)荷L1的有功功率為150MW，同時(shí)，修改外部電網(wǎng)的額定容量為160MW，此時(shí)分布式風(fēng)電的滲透率較低。保持儲(chǔ)能系統(tǒng)為切出電網(wǎng)狀態(tài)，仿真得到MV2電壓的波動(dòng)情況如圖6所示。

圖6　儲(chǔ)能系統(tǒng)切出，低滲透率下MV2電壓的波動(dòng)情況Fig.6　MV2 voltage fluctuations without energy storage system in low permeability

由圖可見(jiàn)，此時(shí)MV2母線電壓最高值為35.30kV，最低值為34.17kV。與負(fù)荷L1的有功功率為15MW時(shí)的MV2電壓波動(dòng)曲線(見(jiàn)圖5)相比，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)出的電壓波動(dòng)幅度有所減少，可見(jiàn)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)切出的情況下，降低滲透率可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)的電壓波動(dòng)明顯降低。

保持儲(chǔ)能系統(tǒng)為并入電網(wǎng)狀態(tài)，仿真得到MV2母線的電壓波動(dòng)情況如圖7所示。

圖7　儲(chǔ)能系統(tǒng)切入時(shí)，低滲透率下MV2電壓的波動(dòng)情況Fig.7　MV2 voltage fluctuations with energy storage system in low permeability

由圖可見(jiàn)，此時(shí)MV2母線電壓最高值為35.12kV，最低值為34.19kV。與負(fù)荷L1的有功功率為15MW時(shí)的MV2電壓波動(dòng)曲線(見(jiàn)圖6)相比，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)的電壓波動(dòng)幅度有所減少，可見(jiàn)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)切入的情況下，降低滲透率可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)的電壓波動(dòng)明顯降低。

同時(shí)，比較圖6、7可見(jiàn)，在分布式風(fēng)電滲透率較低的情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)的切入有助于減小電壓的波動(dòng)。

4結(jié)語(yǔ)

本文介紹了分布式發(fā)電以及雙饋型感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的相關(guān)概念，利用Digsilent Powerfactory軟件搭建了簡(jiǎn)單的電網(wǎng)模型，對(duì)單臺(tái)2MW風(fēng)電力發(fā)電機(jī)組配合儲(chǔ)能系統(tǒng)接入35kV配電網(wǎng)進(jìn)行了仿真。在不同條件下，對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響因素進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明：

(1) 大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫、并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)有較為明顯的影響，并入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，能在一定程度上減弱這種影響，縮小電壓的波動(dòng)范圍。可見(jiàn)，并入儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效抑制電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。

(2) 在不同風(fēng)電滲透率下，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)不同。風(fēng)電滲透率越高，對(duì)電壓波動(dòng)的影響也越明顯；反之，電壓波動(dòng)越小。因此，對(duì)風(fēng)電滲透率的臨界值進(jìn)行研究具有實(shí)際意義，從而能夠最大程度地利用風(fēng)能，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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收稿日期：2016-04-24

基金項(xiàng)目：上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目資助(14YZ160)

作者簡(jiǎn)介：禹華軍(1977-)，男，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向電力電子與電力傳動(dòng)， E-mail: yuhj@shanghai-electric.com

文章編號(hào)2095-0020(2016)03-0176-06

中圖分類(lèi)號(hào)TM 712.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

Distributed Wind Power on Distribution Network Voltage

YUHuajun1，MOUJinshan1，PANSanbo2

(1. Shanghai Electric Wind Power Group, Shanghai 200241, China；2. School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

AbstractThis paper introduces relative concepts of distributed generation and doubly fed wind generator. A 35kV distribution network model is built, distributing power with a single 2MW wind turbines combining genergy storage system using a software named Digsilent Powerfactory. Influence of fluctuation on the grid voltage due to connection and disconnection of wind turbines is studied for different energy storage systems and different penetration of wind power. The results are verified by simulation.

Keywordsdistributed wind power; double-fed wind turbine; distribution network