王強,夏成軍,唐智文
(1.中國移動通信集團廣東有限公司,廣東廣州 510623;2.華南理工大學電力學院,廣東廣州 510640;3.中國移動通信集團廣東有限公司河源分公司,廣東河源 51700)
國家電網(wǎng)公司2013年2月27日發(fā)布了《關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務(wù)工作的意見》,給予符合條件的太陽能、天然氣、生物質(zhì)能、風能、地熱能、海洋能、資源綜合利用發(fā)電等提供并網(wǎng)條件,積極促進分布式能源發(fā)展,這意味著中國大力推進分布式電源的發(fā)展,進一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),這無疑為企業(yè)發(fā)展分布式電源提供了良好的契機。
分布式電源(Distributed Generation)通常指功率為數(shù)千瓦至幾十兆瓦小型模塊式、與環(huán)境兼容的獨立電源,由電力部門、用戶或第三方所有,以滿足電力系統(tǒng)和用戶的特定要求。通??拷摵山K端,形成微電網(wǎng)能獨立運行或與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng),一般接在380 V和10 kV線路上。與傳統(tǒng)遠離負荷中心依靠遠距離輸配的電源相比,分布式電源被直接安裝在負荷所在的配電網(wǎng)絡(luò)中,無需通過電網(wǎng)輸送[1-3]。
分布式電源接入配電網(wǎng)將會改變配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài),使配電網(wǎng)從一個輻射式的網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐粋€遍布電源和用戶互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò),潮流的大小和方向有可能發(fā)生巨大改變[4-5],這種變化必將對配電網(wǎng)電壓驟降產(chǎn)生影響。
電壓驟降在IEEE標準中被定義為:供電系統(tǒng)中某點的工頻電壓有效值降至額定值的0.1 ~0.9 pu并在隨后的10 ms ~1 min的短暫持續(xù)期后恢復正常。當幅值低于0.1 pu、持續(xù)時間在10 ms ~3 s短時間的電壓變化被稱為瞬時供電中斷[6-9]。
本文將針對分布式電源接入配電網(wǎng)的特點,運用電磁暫態(tài)仿真PSCAD/EMTDC軟件建立分布式電源模型,仿真計算比較分布式電源在不同故障類型、并網(wǎng)方式、容量、接入位置等因素下對電壓驟降的影響,得到分布式電源緩解電壓驟降問題的策略。
分布式電源的位置一般靠近負荷中心,可假設(shè)分布式電源的接入在負荷節(jié)點上,對于n節(jié)點系統(tǒng),其潮流方程式如下:
由式(1)和式(2)可得式(3):
式中:Vi,θi分別為節(jié)點i電壓的幅值和相角;PGi為接入節(jié)點i處的分布式電源的有功出力;PDi為節(jié)點i處負荷的有功功率。
由上述公式可以看出,分布式電源接入后,使配電網(wǎng)的潮流發(fā)生變化,各節(jié)點的電壓與分布式電源出力和接入位置等因素密切相關(guān)。
因此當區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)或鄰近區(qū)域發(fā)生電壓驟降時,分布式電源反饋電力將有效緩解分布式電源周圍的電壓驟降,但是分布式電源本身的頻繁啟停、發(fā)電量不穩(wěn)定將對配電網(wǎng)其他用戶供電電壓產(chǎn)生沖擊。
在分析分布式電源對配電網(wǎng)電壓驟降的影響前,需要明確分布式電源的并網(wǎng)方式,通??紤]以下2種類型的DG:
1)同步發(fā)電機型DG。主要指DG通過同步發(fā)電機方式并入電網(wǎng)。
2)逆變器型DG。主要指DG通過換流器形式并入電網(wǎng)。
每種形式DG的典型容量范圍及其與電網(wǎng)的并網(wǎng)方式如表1所示[10-14]。
地熱能、海洋能發(fā)出的是交流電,可通過同步發(fā)電機與電網(wǎng)連接[15]。電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC中同步發(fā)電機模型如圖1所示,隱極電機和凸極電極均可采用此模型。接線端含義及相關(guān)描述如下:
圖1 同步發(fā)電機形式DG模型Fig.1 The DG model of the synchronous generator
A、B和C是發(fā)電機的三相電氣結(jié)點,輸出三相電壓;右端w是速度控制方式下的發(fā)電機速度控制輸入值,Te和Tm是發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用多質(zhì)塊模型時的輸出端,用于次暫態(tài)振蕩仿真;Ef0、Ef、If用于連接勵磁控制系統(tǒng);下端w是采用轉(zhuǎn)矩控制方式時發(fā)電機轉(zhuǎn)速輸出端。Tm是機械轉(zhuǎn)矩輸入端,通常與汽輪機或水輪機相連,也可以采用定轉(zhuǎn)矩控制(與Sample and Hold模塊相連)。
同步發(fā)電機啟動分為3個階段:第一階段,以理想電源啟動,根據(jù)電壓、相角和其他參數(shù)計算潮流,并根據(jù)潮流結(jié)果計算Ef0和下端的w、Tm0值,分別將Ef0和下端w,Tm0傳輸給勵磁系統(tǒng)和原動機模型;第二階段,釋放勵磁系統(tǒng)和原動機的控制,發(fā)電機由電壓源模型轉(zhuǎn)化為限制發(fā)電機模型,此時勵磁調(diào)速初始化發(fā)電機轉(zhuǎn)速不變;第三階段,釋放發(fā)電機轉(zhuǎn)子,發(fā)電機由限制發(fā)電機模型轉(zhuǎn)化為自由發(fā)電機模型,此時勵磁系統(tǒng)和原動機及調(diào)速器就可以根據(jù)系統(tǒng)變化調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速[16-21]。
發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程如下表示:
式中:J為轉(zhuǎn)動慣量;A為角加速度;Ω為機械角速度;Θ為機械角位移;ΔMa為凈加速度轉(zhuǎn)矩;MT為原動機的轉(zhuǎn)矩;Me為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。
本文同步發(fā)電機詳細標幺值參數(shù):同步電抗取2.570、暫態(tài)電抗取0.248,次暫態(tài)電抗取0.172,時間常數(shù)取2.5(這些參數(shù)均以各感應電動機自身容量為基準值)。
太陽能光伏發(fā)電、燃料電池和儲能系統(tǒng)發(fā)出的是直流電,需要通過逆變器與電網(wǎng)連接,并網(wǎng)接口采用電壓源型逆變器,控制器采用簡單的PI控制策略[22-23],逆變器形式DG模型如圖2所示。
圖2中,dcVltg、dcCur分別為直流端電壓和電流;VA、VB、VC分別為交流側(cè)三相電壓值;RMS 3 Phase、Power分別為三相電壓有效值和有功/無功測量器;Timed Breaker Logic是開關(guān)BRK2的控制器,控制開關(guān)的開合時間;g1、g2、g3、g4、g5、g6分別為逆變器的觸發(fā)脈沖。
逆變器形式DG的觸發(fā)脈沖控制電路如圖3所示。
圖2 逆變器形式DG模型Fig.2 The DG model of the inverter
圖3 逆變器式DG的觸發(fā)脈沖控制電路Fig.3 Control circuit of trigger pulse for inverter DG
本文根據(jù)分布式電源的類型和控制策略,仿真比較分析分布式電源接入對配電網(wǎng)電壓驟降的影響。
某配電系統(tǒng)的單相接線圖如圖4所示。本文基于電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC對圖4建立仿真模型,仿真分析分布式電源并網(wǎng)方式、容量和接入位置對電壓驟降的影響。網(wǎng)絡(luò)采用的參數(shù)全部為現(xiàn)場的實際參數(shù),本仿真網(wǎng)絡(luò)有5條饋線,在PSCAD/EMTDC建模中將220 kV的母線作為恒壓源供電,線路考慮采用∏模型,負荷采用恒阻抗負荷等值模型。
圖4 供電系統(tǒng)單線圖Fig.4 Single line figure of power supply system
在仿真中作以下假設(shè):
1)故障發(fā)生后繼電保護裝置可靠動作。
2)不考慮故障后的重合閘。
3)1.0 s發(fā)生故障,故障持續(xù)時間取0.3 s。
4)DG不參與系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)。
將節(jié)點2接入一個容量為3 MV·A同步發(fā)電機型DG,假定在饋線Line3發(fā)生三相短路故障,考察DG接入對饋線Line1和Line2電壓驟降的影響。
從圖5可以看出,在沒有分布式電源支撐的情況下,饋線Line3處的短路故障將會造成其附近饋線發(fā)生不同程度的電壓驟降。相反,當配電網(wǎng)中接有分布式電源時,將明顯改善分布式電壓周圍的電壓驟降。對于接有分布式電源的饋線Line2,將有效緩解該饋線電壓驟降幅值跌落的深度。對于未接分布式電源的饋線,由于分布式電源將Line2的首端電壓抬高,造成配電系統(tǒng)負荷潮流發(fā)生變化,也將緩解其他饋線電壓驟降的幅值,但緩解程度明顯比饋線Line2小。
將節(jié)點2接入一個容量為3 MV·A同步發(fā)電機型DG,考察DG在饋線Line3發(fā)生對稱和不對稱故障對饋線Line2電壓驟降的影響。
由圖6可以看出,對于由對稱故障引起的電壓驟降,分布式電源的接入將有效抑制饋線處電壓驟降幅值的下降,能夠起到阻止電壓驟降的作用。
圖6 對稱故障下DG接入前后饋線Line2電壓驟降波形Fig.6 The waveform of voltage sags on Line2 at the symmetrical fault before and after interconnection of DG
中心點不接地系統(tǒng)在正常運行時,各相對地電壓都是相電壓,而當發(fā)生不對稱故障(單相接地故障)時,大地的電位就是故障相的電壓,所以非故障相對地的電壓變成線電壓。由圖7、圖8可以看出,若是由不對稱故障引起的電壓驟降,分布式電源的接入雖然可抑制故障相電壓驟降,但是會造成非故障相電壓幅值抬高,甚至可能引起電壓驟升,加重電壓升高現(xiàn)象。因此,分布式電源對因不同故障類型引起的電壓驟降影響是不同的。
將節(jié)點2分別接入一個容量為3 MV·A同步發(fā)電機型DG和逆變器型DG,假定在饋線Line3發(fā)生三相短路故障,考察DG在不同的并網(wǎng)方式下對饋線Line2電壓驟降的影響程度。
由表2可以看出,分布式電源并網(wǎng)方式對電壓驟降特征參數(shù)的影響差別較明顯。同步發(fā)電機在抑制電壓驟降幅值方面較逆變器形式DG強。相反,由于同步發(fā)電機形式DG在對外部調(diào)制信號的響應速度上明顯慢于逆變器形式DG,因此同步發(fā)電機形式DG減少電壓驟降持續(xù)時間和相位跳變的能力明顯不如逆變器形式DG。
圖7 不對稱故障下DG接入前后饋線Line2故障相電壓驟降波形Fig.7 The waveform of voltage sags on Line 2 at the asymmetrical fault before and after interconnection of DG
圖8 不對稱故障下DG接入前后饋線Line2非故障相電壓驟降波形Fig.8 The non-fault phase waveform of voltage sags on Line 2 at asymmetrical fault before and after interconnection of DG
表2 不同并網(wǎng)方式饋線Line2電壓驟降特征參數(shù)Tab.2 The characteristic parameters of Line 2 voltage sag under different interconnection types
逆變器形式DG控制策略一般是基于閉環(huán)SPWM進行控制,通過比較實際輸出值與給定值產(chǎn)生誤差,由PI控制器產(chǎn)生驅(qū)動信號以控制逆變器形式DG輸出的功率和電壓值,因此逆變器形式DG的輸出受外部參數(shù)和控制方式影響較敏感,在抑制電壓驟降持續(xù)時間和相位跳變方面的能力較強。
隨著電網(wǎng)中分布式電源能量滲透率的升高,將對大電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)潮流分布的暫態(tài)故障電流分布產(chǎn)生重大影響,造成配電網(wǎng)無法運行[24-27]。
本文假定在饋線Line3發(fā)生三相短路故障,考察低滲透率DG接入不同容量對饋線Line2電壓驟降的影響程度。
由表3可以看出,在低滲透率下,隨著分布式電源容量的增大,抑制饋線Line2電壓驟降的幅值能力越強,但對電壓驟降的持續(xù)時間和相位跳變2個特征參數(shù)影響不大。在不改變DG接入位置和并網(wǎng)方式的情況下,電壓驟降幅值是由分布式電源的容量大小來決定,容量越大,抑制電壓驟降幅值能力越強。當節(jié)點2接入5 MV·A容量分布式電源DG后,可以有效抑制該饋線驟降幅值為0.45 pu的電壓驟降。
表3 不同容量DG下饋線Line2電壓驟降特征參數(shù)Tab.3 The characteristic parameters of Line 2 voltage sag under different capacities of DG
首先假定在饋線Line3發(fā)生三相短路故障,考察分別在饋線末端和變電站低壓母線側(cè)接入不同容量DG對饋線Line2電壓驟降的影響。
由圖9可以看出,在10 kV系統(tǒng)發(fā)生故障,無論在線路末端還是變電站10 kV母線側(cè)接入分布式電源,都能夠起到線路末端電壓達到抑制電壓驟降的作用。但要取得相同的抑制電壓驟降的效果,安裝在電網(wǎng)的變電站10 kV母線側(cè)DG的容量要遠遠大于安裝在饋線末端,電壓驟降幅值為0.7 ~0.9 pu,安裝在變電站低壓側(cè)的容量約是安裝在饋線末端的2 ~3倍,在電壓驟降深度較大的情況下,安裝在變電站低壓側(cè)的容量將為安裝在饋線末端容量的4 ~5倍[28]。
圖9 不同接入位置的DG容量Fig.9 Capability of DG related to different locations
本文基于分布式電源接入配電網(wǎng)的特點,利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC建立分布式電源模型,研究分布式電源并網(wǎng)方式、安裝容量和接入位置對配電網(wǎng)電壓驟降的影響,仿真結(jié)果對合理配置配電網(wǎng)中分布式電源具有較高的參考價值。結(jié)合以上分析,得到主要結(jié)論如下:
1)配電網(wǎng)接入分布式電源,將有效緩解分布式電源周圍的電壓驟降。
2)分布式電源的接入將有效抑制因?qū)ΨQ故障引起的電壓驟降,但對于由不對稱故障引起的電壓驟降,分布式電源的接入可能會造成非故障相電壓幅值抬高,甚至可能引起電壓驟升。
3)同步發(fā)電機型DG在抑制電壓驟降幅值方面較逆變器型DG強,但減少電壓驟降持續(xù)時間和相位跳變的能力卻明顯不如逆變器形式DG。
4)合理配置分布式電源的并網(wǎng)方式、容量和接入位置能更好地緩解電壓驟降問題。
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