張 師,劉競澤,田 蕾,鄂立順,于 躍
(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司,哈爾濱 150090; 3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司,吉林 吉林 132001; 4.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司綏化供電公司,黑龍江 綏化 152000)
隨著經(jīng)濟發(fā)展和居民用電量不斷增多,配電網(wǎng)供電可靠性與電壓質(zhì)量問題日益凸顯,需要接入分布式電源以提高供電可靠性并改善配電網(wǎng)低電壓問題[1-3]。
分布式風光儲接入配電網(wǎng)可以緩解風電和光伏功率隨機波動對電網(wǎng)造成的消極影響,提高風電和光伏的利用率[4-6]。風能和太陽能作為分布最廣泛的可再生能源,利用其形成分布式風光儲接入配電網(wǎng)是多能互補技術(shù)的典型應(yīng)用模式[7]。
目前,國內(nèi)外關(guān)于分布式風光儲接入配電網(wǎng)方面的研究已經(jīng)取得了一些進展,文獻[8]推導了電壓穩(wěn)定H指標,并結(jié)合L指標深入分析分布式電源接入對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響機制,并給出提高電壓穩(wěn)定性的措施;文獻[9]將理論分析與仿真分析相結(jié)合,研究了分布式儲能在不同位置接入后對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響;文獻[10]通過研究表明對地方性電廠的出力進行重新分配可減小系統(tǒng)網(wǎng)損指標、電壓偏移指標及電壓穩(wěn)定L指標。綜上可知,合理布置分布式風光儲會使配電網(wǎng)電壓質(zhì)量和經(jīng)濟性得到有效改善。關(guān)于風光儲聯(lián)合接入配電網(wǎng)系統(tǒng)方面的研究也取得了一些成果,如分析風光儲接入對系統(tǒng)調(diào)峰能力的影響[11]、風光儲系統(tǒng)接入的最優(yōu)化調(diào)度方法[12]和風光儲系統(tǒng)的設(shè)計[13]。但未見風光儲接入對配電網(wǎng)的影響機理研究,而隨著配電網(wǎng)中多種電源的分布式接入,分布式風光儲接入配電網(wǎng)是一項值得深入研究的工作。
基于此,以電壓穩(wěn)定L指標、電壓偏移、有功網(wǎng)損為評價指標,對分布式風光儲的接入對中壓配電網(wǎng)的影響進行研究。
所采用的配電網(wǎng)評價指標主要包括電壓穩(wěn)定指標、網(wǎng)損指標和電壓偏移指標。
配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定L指標是基于潮流可解性推導出的。系統(tǒng)中任意兩個相鄰節(jié)點i和j,假設(shè)功率從節(jié)點i流向節(jié)點j,則節(jié)點i和節(jié)點j電壓的關(guān)系可以表示為
(1)
將式(1)展開并化簡可得:
(PjXij-QjRij)2=0
(2)
式中:Ui為節(jié)點i電壓幅值;Uj為節(jié)點j電壓幅值。
若Uj有解,則根據(jù)一元二次方程根判別式可知:
(PjXij-QjRij)2]≥0
(3)
化簡式(3)可得:
(4)
因此可得出電壓穩(wěn)定L指標:
(5)
取各支路中最大的L作為系統(tǒng)的L指標。如果L≤1,則Uj有解,電壓穩(wěn)定;如果L>1,則Uj無解,電壓不穩(wěn)定。
配電網(wǎng)網(wǎng)損指標即為網(wǎng)絡(luò)中的有功功率損耗,可以表示為
(6)
式中:Pk、Qk為第k條支路首端流入的有功功率、無功功率;Uk為第k條支路首端電壓幅值;Rk為第k條支路的電阻;n為支路數(shù)。
配電網(wǎng)電壓偏移指標可以表示為
(7)
式中:Uri為節(jié)點i額定電壓幅值,m為節(jié)點個數(shù)。
根據(jù)電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量的約束,可以近似認為系統(tǒng)各節(jié)點電壓為額定電壓,式(5)可以轉(zhuǎn)化為
(8)
式中:UN為額定電壓。通常額定電壓標幺值為1.0,因此可以將L進一步簡化:
L=4[(PjXij-QjRij)2+(PjRij+QjXij)]
(9)
若分布式風光儲的接入減小了節(jié)點i和節(jié)點j間的功率,該支路的L指標會相應(yīng)減小,從而提高電壓穩(wěn)定性。根據(jù)式(6)可知,支路流過的功率減小會減小支路的網(wǎng)損,從而提高配電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。
相鄰的節(jié)點i和節(jié)點j的電壓幅值可以近似表示為
(10)
當支路流過的功率增加時,兩端電壓幅值之差增加,從而降低末端電壓。
基于以上分析可知,如果分布式風光儲的接入降低了線路流過的功率,會使配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性和經(jīng)濟性均得到提升。
以吉林市某地區(qū)10 kV配電網(wǎng)為例進行分析,如圖1所示,節(jié)點編號如表1所示,共20個節(jié)點,25條支路。將2014年某一時刻的負荷數(shù)據(jù)注入仿真模型,進行潮流計算,可以得到該時刻的配電網(wǎng)潮流分布。
圖1 某地區(qū)20節(jié)點配電網(wǎng)Fig.1 20-node distribution network in a certain area
表1 節(jié)點編號Table 1 Node number
將棋盤變、化工變、土城變合并為1個節(jié)點,作為該區(qū)域配電網(wǎng)的平衡節(jié)點。設(shè)定收斂精度為10-6,采用極坐標形式的牛頓法進行潮流求解??梢缘玫?,當前時間斷面下的總網(wǎng)損為9.04 MW,靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標L為0.280 2,電壓偏移指標為0.538 3 p.u.,節(jié)點電壓最低為0.788 5 p.u.。
將2 MW的風光儲接入配電網(wǎng),各支路電壓穩(wěn)定L指標如圖2所示。各支路中L最大值為系統(tǒng)的L指標,可以看出,當2 MW風光儲接入化建(節(jié)點13)、水分廠(節(jié)點14)、民主(節(jié)點15)、北甸(節(jié)點16)、農(nóng)電2(節(jié)點17)時,L較低,電壓穩(wěn)定性較好。根據(jù)圖1可知,這5個節(jié)點均在配電網(wǎng)末端。當風光儲接入配電網(wǎng)首端位置(如節(jié)點1)時,系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定L指標在0.28附近,和原系統(tǒng)幾乎相同。
圖2 各支路N指標Fig.2 N index of each branch
圖3為風光儲接入不同位置的系統(tǒng)有功網(wǎng)損,可以看出,在2 MW風光儲接入化建(節(jié)點13)、水分廠(節(jié)點14)、民主(節(jié)點15)、北甸(節(jié)點16)、農(nóng)電2(節(jié)點17)時,系統(tǒng)網(wǎng)損較少,經(jīng)濟性較好。
圖3 2 MW風光儲接入不同位置時系統(tǒng)的有功網(wǎng)損Fig.3 Active power loss when 2 MW wind-solar-storage system is connected to different positions
將20 MW風光儲接入不同位置,系統(tǒng)的有功網(wǎng)損如圖4所示,可以看出,隨著風光儲接入容量的增加,網(wǎng)損越來越少。
圖4 20 MW風光儲接入不同位置時系統(tǒng)的有功網(wǎng)損Fig.4 Active power loss when 20MW wind-solar-storage system is connected to different positions
將100 MW風光儲接入配電網(wǎng)不同節(jié)點后,接入不同容量下的系統(tǒng)有功網(wǎng)損如圖5所示。
從圖5可以看出,接入配電網(wǎng)末端風光儲容量過大會導致線路流過功率過大,增加有功網(wǎng)損。
圖5 不同風光儲接入不同位置時系統(tǒng)的有功網(wǎng)損Fig.5 Active power loss when different wind-solar-storage systems are connected to different positions
當風光儲分布式接入時,即化建(節(jié)點13)、水分廠(節(jié)點14)、民主(節(jié)點15)、農(nóng)電2(節(jié)點17)各接入5 MW,仿真結(jié)果圖6所示。
圖6 各節(jié)點電壓Fig.6 Voltage of each node
當配電網(wǎng)末端集中接入20 MW分布式風光儲時,系統(tǒng)電壓水平最好。這是由于風光儲接入前系統(tǒng)存在末端電壓水平較低的問題,而風光儲接入末端后會顯著提升末端電壓水平,并使臨近節(jié)點電壓幅值得到提高。4種算例下的系統(tǒng)L指標和有功網(wǎng)損如表2所示。
表2 不同系統(tǒng)的L指標和有功網(wǎng)損Table 2 L Index and active power loss of different systems
根據(jù)以上分析可知,分布式風光儲接入配電網(wǎng)末端可顯著改善系統(tǒng)電壓水平、電壓穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。當風光儲系統(tǒng)集中接入配電網(wǎng)時,若接入位置選擇恰當,同樣可以有效改善系統(tǒng)電能質(zhì)量和經(jīng)濟性,如表2所示,20 MW風光儲集中接入民主的L指標和網(wǎng)損指標最優(yōu)。
分析了分布式風光儲接入對配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定、電壓偏移、網(wǎng)損的影響機理。當適量風光儲接入配電網(wǎng)末端時,會提高電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性和電能質(zhì)量,提高運行經(jīng)濟性;若末端接入過多風光儲,會增加線路流過的功率從而增加網(wǎng)損。若實際安裝時位置不便,可遵循末端接入的原則,集中接入和分布式接入均可有效提高運行經(jīng)濟性和電壓水平。