計及新能源并網(wǎng)發(fā)電的配電網(wǎng)電能質(zhì)量分析

王黃磊， 江濤， 吳玉玲， 王能勝

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司廬江縣供電公司，安徽 合肥 231500)

0 引 言

隨著社會對能源需求的不斷擴大和傳統(tǒng)化石能源的不斷枯竭，能源短缺和環(huán)境污染問題日趨嚴重，新能源發(fā)電技術(shù)獲得了人們的廣泛關(guān)注和重視[1]。新能源并網(wǎng)發(fā)電情況在配電網(wǎng)中越來越多，但新能源發(fā)電的出力具有間歇性和波動性等特征。而現(xiàn)有的配電網(wǎng)在其規(guī)劃時一般并未考慮新能源發(fā)電的并網(wǎng)，導(dǎo)致電能質(zhì)量在新能源并網(wǎng)發(fā)電后受到嚴重的影響[2]。為保證配電網(wǎng)運行的電能質(zhì)量要求和促進新能源發(fā)電的發(fā)展，需對新能源并網(wǎng)發(fā)電帶來的配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響進行深入研究。

針對新能源并網(wǎng)發(fā)電對配電網(wǎng)帶來的影響，國內(nèi)外學(xué)者做了一些研究工作。文獻[3]對新能源光伏發(fā)電和風力發(fā)電的出力特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)其具有波動性和隨機性的特征。文獻[4]研究發(fā)現(xiàn)，新能源并網(wǎng)發(fā)電后對配電網(wǎng)電壓有一定的抬升作用。文獻[5]分析表明，新能源光伏并網(wǎng)發(fā)電會造成配電網(wǎng)電壓波動程度加重。文獻[6]簡要綜述了新能源并網(wǎng)的電能質(zhì)量問題，未進行深層次的理論分析和仿真計算。文獻[7]在假設(shè)新能源發(fā)電出力為恒功率的前提下，對新能源并網(wǎng)發(fā)電后的配電網(wǎng)電壓變化情況進行了分析。文獻[8]建立了含光伏并網(wǎng)發(fā)電的配電網(wǎng)電能質(zhì)量仿真模型，對并網(wǎng)點處的電能質(zhì)量進行了計算研究，但其未考慮配電網(wǎng)非并網(wǎng)點的電能質(zhì)量。

本文在對配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響原理和新能源風電出力特性理論分析的基礎(chǔ)上，對新能源不同并網(wǎng)情況下的配電網(wǎng)電能質(zhì)量進行了仿真分析，研究了配電網(wǎng)中新能源并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 含新能源并網(wǎng)的配電網(wǎng)電能質(zhì)量分析

1.1 配電網(wǎng)電能質(zhì)量概念分析

電能質(zhì)量是指電氣設(shè)備正常運行所需的電氣特性，電力企業(yè)向電力用戶所提供的電能需滿足相關(guān)的指標要求[9]。對于配電網(wǎng)而言，衡量電能質(zhì)量的指標主要有電壓偏差ΔU、電壓波動d%和電壓總諧波畸變率THDu。計算表達式分別為：

(1)

(2)

(3)

式中：Ux、UN分別為節(jié)點電壓的實際值和額定值;Umax、Umin分別為電壓方均根值曲線兩相鄰的電壓最大值和最小值;Urms、U1rms分別為諧波電壓和基波電壓的有效值。

1.2 新能源并網(wǎng)發(fā)電后的配電網(wǎng)電能質(zhì)量分析

為分析新能源并網(wǎng)發(fā)電前后的配電網(wǎng)電能質(zhì)量，將配電網(wǎng)簡化等效為圖1所示的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 配電網(wǎng)簡化等效結(jié)構(gòu)圖

(4)

(5)

當配電網(wǎng)存在新能源并網(wǎng)發(fā)電時，假設(shè)新能源并網(wǎng)節(jié)點為p，并網(wǎng)發(fā)電有功出力為PG，出力變化量為ΔP，等效分配到饋線k的阻抗功率為ΔPZk，則對于節(jié)點p上游的節(jié)點。節(jié)點電壓Um及相鄰節(jié)點的電壓差ΔUm表達式為:

(6)

(7)

此時節(jié)點m的電壓波動dm%為：

(8)

而對于節(jié)點p下游的節(jié)點而言，當不考慮線路無功的影響時，其節(jié)點電壓Um及相鄰節(jié)點的電壓差ΔUm表達式為:

(9)

(10)

此時節(jié)點m的電壓波動dm%為:

(11)

由以上分析可知：在無新能源并網(wǎng)發(fā)電或新能源出力較小時，各節(jié)點電壓從前端到末端逐漸降低；而當新能源出力超過一定程度時，并網(wǎng)節(jié)點上游的各節(jié)點電壓先降低后升高，并網(wǎng)節(jié)點上游的各節(jié)點電壓則逐漸降低。新能源并網(wǎng)節(jié)點處的電壓波動最大，且并網(wǎng)節(jié)點越靠近饋線末端，電壓波動越大。

為分析新能源并網(wǎng)發(fā)電造成的諧波影響，可將新能源等效為諧波電流源，其中大部分由配電網(wǎng)主干線路流向公共系統(tǒng)，只有少部分流向負荷節(jié)點，且并網(wǎng)點越靠近系統(tǒng)末端，主干線路流過的諧波就越小[10]。新能源向配電網(wǎng)輸入的諧波電流I為:

(12)

式中：IGh為新能源產(chǎn)生的諧波電流；Zeqsh、Zeqlh為系統(tǒng)側(cè)和并網(wǎng)點后的等效諧波阻抗。

2 新能源風電出力特性分析

新能源風力發(fā)電主要是通過風機將風能轉(zhuǎn)化為電能，新能源風力發(fā)電目前主要采用雙饋風力發(fā)電機[11]。它具有最大風能追蹤、變速恒頻運行和出力平穩(wěn)等優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

風力發(fā)電機的出力Pw主要由風速v決定，兩者之間的函數(shù)關(guān)系表達式為：

圖2 雙饋風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖

(13)

(14)

(15)

圖3 風電出力特性曲線圖

式中：Pr、vr分別為風力發(fā)電機的額定功率值和額定風速大小;vci、vco為風機的切入風速和切出風速。

風力發(fā)電機的出力特性如圖3表示。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，某一地區(qū)的風速大小是一個服從Weibull分布的隨機變量[12]。風速v的概率密度函數(shù)f(v)的表達式為：

(16)

式中：k、c分別為Weibull分布函數(shù)形狀參數(shù)和尺度參數(shù)；v0為風力發(fā)電機的位置參數(shù)。

根據(jù)式(13)和式(16)可得風力發(fā)電機出力概率密度函數(shù)f(Pw)，其表達式為：

(17)

3 配電網(wǎng)電能質(zhì)量仿真分析

3.1 算例

本文以IEEE-33節(jié)點配電網(wǎng)系統(tǒng)為例,對電能質(zhì)量進行計算分析[13]，圖4為系統(tǒng)圖，在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境中建立相應(yīng)的仿真模型。并網(wǎng)的新能源為風力發(fā)電場DG，采用蒙特卡羅法對其典型日下的有功出力進行模擬。圖5為模擬后獲得的風電場有功出力曲線圖。

圖4 IEEE-33節(jié)點系統(tǒng)圖

圖5 風電場有功出力曲線圖

3.2 電能質(zhì)量仿真結(jié)果分析

假設(shè)并網(wǎng)的風電場額定出力為1 000 kW不變，在該配電網(wǎng)中選取合適的具有代表性的節(jié)點作為并網(wǎng)節(jié)點。本文選擇的節(jié)點為3、10、16，分別代表該配電網(wǎng)的上游、中游和下游節(jié)點位置，然后分別進行配電網(wǎng)電壓仿真計算，并選取具有代表性節(jié)點3、10、16、27來求取電壓偏差、電壓波動和電壓總諧波畸變率的電能質(zhì)量結(jié)果，如圖6所示。

圖6 配電網(wǎng)電能質(zhì)量仿真計算結(jié)果

從圖6的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，新能源風電場并網(wǎng)后對配電網(wǎng)節(jié)點的電能質(zhì)量有著很大的影響。電壓得到抬升、波動程度增大以及諧波畸變加重，且影響的程度與風電場的并網(wǎng)位置有關(guān)。并網(wǎng)位置越靠近配電網(wǎng)饋線末端，并網(wǎng)后對電能質(zhì)量的影響程度越大，而配電網(wǎng)節(jié)點越靠近并網(wǎng)位置，其電壓受到的抬升作用越大，電壓波動程度和電壓總諧波畸變率也越大。其中新能源并網(wǎng)節(jié)點的電能質(zhì)量受影響的程度最大。

為進一步研究新能源并網(wǎng)容量對電能質(zhì)量的影響，在風電場并網(wǎng)節(jié)點固定為節(jié)點10的前提下，分別對并網(wǎng)容量為500 kW、1 000 kW和2 000 kW的配電網(wǎng)節(jié)點電壓進行仿真計算，求取的電壓偏差、電壓波動和電壓總諧波畸變率的電能質(zhì)量結(jié)果，如圖7所示。

圖7 配電網(wǎng)電能質(zhì)量仿真計算結(jié)果

根據(jù)圖7的計算結(jié)果可知：配電網(wǎng)的電能質(zhì)量會受到風電場并網(wǎng)容量大小的影響，并網(wǎng)容量越大，則電壓被抬升越多、電壓波動程度越大、電壓總諧波畸變率越高，電能質(zhì)量受影響的程度越大。為保證配電網(wǎng)的電能質(zhì)量在合格范圍內(nèi)，需選擇合適的新能源并網(wǎng)容量。

4 結(jié)束語

本文對新能源并網(wǎng)發(fā)電造成的配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響進行了理論分析和仿真計算。研究結(jié)果表明，新能源并網(wǎng)發(fā)電會使配電網(wǎng)節(jié)點電壓得到抬升、波動程度增大、諧波畸變加重，且影響的程度與新能源并網(wǎng)發(fā)電的位置和容量相關(guān)。并網(wǎng)位置越靠近配電網(wǎng)饋線末端，并網(wǎng)發(fā)電容量越大，則配電網(wǎng)電能質(zhì)量受到的影響程度越大。配電網(wǎng)節(jié)點越靠近新能源并網(wǎng)發(fā)電所在位置，該節(jié)點電能質(zhì)量受影響的程度越大，其中新能源并網(wǎng)節(jié)點的電能質(zhì)量受影響的程度最大。新能源并網(wǎng)發(fā)電對配電網(wǎng)電能質(zhì)量有很大的影響，為保證配電網(wǎng)電能質(zhì)量在合格范圍內(nèi)，需對新能源并網(wǎng)發(fā)電的位置及容量進行合理的規(guī)劃。本文研究成果可為配電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高及新能源并網(wǎng)規(guī)劃提供有效的技術(shù)指導(dǎo)和理論參考。