高寒，漆望，張晶

（中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，昆明650051）

0 前言

在現(xiàn)代配電網(wǎng)中，分布式可再生能源接入特別是分布式光伏的發(fā)展速度非常快。新能源分布式發(fā)電在配電網(wǎng)中的集成帶來了一系列的優(yōu)勢，包括配電網(wǎng)運行的環(huán)境效益和技術(shù)優(yōu)勢。當電網(wǎng)出現(xiàn)電力供應(yīng)不足時，大量可再生能源綠色發(fā)電可以減少電力短缺造成的損失[1]。因此，這可能會減少對集中發(fā)電和對高壓輸電線路建設(shè)的需求，以及傳輸和配電成本[2]。當可再生能源廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)時，不可避免地會給配電網(wǎng)帶來各種干擾，從而導致系統(tǒng)電能質(zhì)量問題。它包括電壓波動、電壓閃變和諧波三個方面[3]。在這個研究項目中，我們的研究小組將通過建模仿真的方法，研究分布式可再生能源發(fā)電與典型的村鎮(zhèn)電網(wǎng)的連接對電壓、潮流和帶有有載調(diào)壓變壓器等電網(wǎng)設(shè)備運行的影響。并將在本文中給出仿真、建模和結(jié)果分析的過程。

1 模擬方法及建模

仿真對象為帶有有載調(diào)壓變壓器和自動電壓控制(AVC) 設(shè)備的4節(jié)點系統(tǒng)，線路示意圖如圖1所示：

圖1帶載調(diào)壓變壓器的四節(jié)點系統(tǒng)示意圖

本部分基于SIMULINK 中的Simscape PowerSystems?模塊建立仿真模型，仿真對象的相應(yīng)模型圖如圖2所示。導入24小時時長的村鎮(zhèn)變負荷曲線到SIMULINK 庫中的動態(tài)負荷塊中，并且連接到節(jié)點4上，以實現(xiàn)變負荷的仿真模擬，如圖3所示。此負載具有固定的功率因素以及凌晨低谷，傍晚高峰的特性，其是建立在典型的村鎮(zhèn)負荷數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的。

圖2四節(jié)點系統(tǒng)的仿真模型

圖3村鎮(zhèn)24小時負載曲線

模擬是在Simscape的相量模式下進行的，該模式允許對24小時場景進行快速模擬。在本例中，利用Powergui中的系統(tǒng)潮流塊可以有效地計算初始潮流。在仿真的第一部分，將變壓器的有載調(diào)壓功能設(shè)置為禁用。輸出的有功功率和無功功率，以及節(jié)點4處的電壓都將通過節(jié)點4上的視口記錄下來，以便進一步分析。根據(jù)24小時內(nèi)記錄的電壓變化，結(jié)果分析部分將討論在規(guī)定電壓限制條件下對需求和發(fā)電的影響。第二部分將打開變壓器的有載調(diào)壓功能，仿真過程中分接開關(guān)位置的改變也將被記錄下來，討論其對整個系統(tǒng)電壓穩(wěn)定起到的作用。在第三部分，用一個峰值功率等于4 MW、以單位功率因子運行的分布式光伏發(fā)電單元來取代普通的分布式發(fā)電單元，具體模型如圖6 所示。

本模擬采用BP-SX10光伏模型，數(shù)據(jù)表（基準溫度輻射條件）如表1。

表1光伏陣列單元數(shù)據(jù)表（基準溫度輻射條件）

現(xiàn)在，可以在每個輻照度和溫度條件下確定電壓和電流之間的關(guān)系，并計算出相應(yīng)的開路電壓和短路電流。于是可以利用下式計算最大輸出功率：

光伏模塊仿真輸出功率如下圖4可見：

圖4 MATLAB輸出的光伏模塊功率曲線

所以，一個光伏陣列單元的峰值功率可以計算出為大約14.5 W。因為光伏電站的峰值功率為4 MW，那么MATLAB函數(shù)的光伏陣列單元輸出值將通過一個增益模塊連接到光伏模型，這意味著將2.8萬個太陽能電池陣列單元連接在一起，以滿足最大的功率需求。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 無有載調(diào)壓功能的系統(tǒng)模擬

在第一部分的模擬中，首先關(guān)閉了有載調(diào)壓功能，得到了系統(tǒng)的初始潮流如下表2：

表2系統(tǒng)的初始潮流(基準溫度輻射條件)

通過對系統(tǒng)的初始狀態(tài)分析，可以看出分布式發(fā)電模塊向大電網(wǎng)（平衡節(jié)點）輸出了0.36 MW 的有功功率，同時也供給了負荷有功功率2.6 MW，無功功率1.95 Mvar。然而，分布式發(fā)電模塊的無功輸出并不能滿足負荷的要求。因此，電網(wǎng)將供給1 Mvar 無功功率以滿足負載。此外，線路和變壓器造成了0.04 MW和0.04 Mvar 損耗。應(yīng)用該模型并運行仿真后，可以在24小時范圍內(nèi)觀察到節(jié)點4輸出的有功功率和無功功率，如圖5所示。

與負荷曲線相對比，節(jié)點4全天輸出有功功率的時段為凌晨0時至下午16時，輸出無功功率為凌晨4時至5時。這是由于相應(yīng)的負荷需求全部由分布式發(fā)電單元完全提供，并通過徑向饋線和變壓器向電網(wǎng)輸出了過量的功率。在當天余下的時間內(nèi)，村鎮(zhèn)負載處于高需求期間，分布式發(fā)電不能完全滿足需求。因此，負荷不得不從電網(wǎng)購得額外的功率作為需求的補充。節(jié)點4的電壓如圖6所示。此外，如果對節(jié)點4的電壓要求全天保持在標稱值的±6%以內(nèi)，則電壓超過限值的周期可以在圖6中表示。

圖5節(jié)點4輸出的有功及無功功率

圖6節(jié)點4的電壓及超限情況

經(jīng)觀察，節(jié)點4在凌晨4時至6時的低負荷時段中，電壓超過上限。在下午16時至17時30分的高負荷時段，電壓超過下限。最高峰值為1.121 pu.(標幺值)，高于上限6.1%。與此同時，最低值接近0.933 pu.(標幺值)，比下限低0.67%。在需求側(cè)，低負荷條件下產(chǎn)生的過電壓會對家用電器造成危害。首先是對家用電器絕緣子的應(yīng)力增加，可能會降低絕緣子的使用壽命，甚至造成永久性的損害[4]。特別是一些敏感的電子設(shè)備在低負荷條件下可能會被過壓損壞，質(zhì)量較差的設(shè)備可能會發(fā)生故障，導致短路或火災(zāi)事故。此外，過電壓會加速電機磁芯的飽和速度，引起過流和過熱問題[5]。

對于高負荷時段的欠電壓對需求側(cè)的影響，一是會降低家用電器的效率，同時也會對空調(diào)、冰箱等含有電機的設(shè)備造成損壞。例如，空調(diào)的溫度控制功能是通過啟動和停止壓縮機的內(nèi)部電機來實現(xiàn)的[6]。欠壓會降低電機的起動力矩，使電機難以起動。此外，工作電機在欠壓狀態(tài)下定子電流較大，可能導致電機過熱甚至燒毀。在發(fā)電側(cè)，由于電壓升高，過電壓會引起發(fā)電機轉(zhuǎn)子表面和勵磁繞組過熱。同時，發(fā)電機鐵芯及定子元件可能會過熱。此外，定子的隔離層也有被擊穿的危險。在變壓器中，過電壓會導致更高的磁通和更高的鐵芯損耗，從而降低變壓器的效率[7]。欠壓時，由于定子過電流引起的過熱，也會降低發(fā)電機的穩(wěn)定性和輸出功率。

2.2 開啟有載調(diào)壓功能的系統(tǒng)模擬

在第二部分，有載調(diào)壓功能應(yīng)設(shè)為啟用并設(shè)置為控制節(jié)點4的電壓，使其全天保持在標稱值的±6%以內(nèi)。除了有載調(diào)壓變壓器設(shè)置的變化外，其他所有參數(shù)都保持不變。并且生成變壓器分接開關(guān)的位置。在應(yīng)用該模型并運行仿真之前，需要對三相有載調(diào)壓變壓器塊中的一些參數(shù)進行復位。首先,電壓調(diào)節(jié)器功能應(yīng)打開，因為節(jié)點4的電壓需要保持或非常接近1.0，因此死區(qū)（基準值）應(yīng)該設(shè)置為0.01。應(yīng)用該模型并進行仿真后，如圖7所示。

圖7開啟有載調(diào)壓功能后節(jié)點4的電壓

由于有載調(diào)壓變壓器能夠?qū)㈦妷嚎刂圃?.0 pu 左右或非常接近1.0 pu，因此從圖8中可以看出，在24 h 內(nèi)，每當電壓在1.0 pu 左右波動時，有載調(diào)壓變壓器都會在有限的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電壓。有載調(diào)壓的原理是將變壓器一次繞組的端子按一定的匝數(shù)分開，將電源連接到不同的分接頭上。當二次繞組匝數(shù)固定時，一次繞組的實際匝數(shù)是不同的。這樣，不同數(shù)量的高壓繞組匝數(shù)和恒定的低壓繞組匝數(shù)構(gòu)成了不同的比例，根據(jù)變壓器的原理，低壓繞組由于與高壓繞組連接的分接頭不同，會轉(zhuǎn)化為不同的電壓。一次繞組輸入電壓與二次繞組輸出電壓之比，等于它們的匝數(shù)比。該原理應(yīng)用于節(jié)點4的電壓控制。一天內(nèi)的分接開關(guān)位置如圖12 所示。通過與圖對比，當電壓升高時，變壓器分接開關(guān)跳到了更高的位置，匝數(shù)比增大，二次側(cè)的電壓減小，所以將過電壓控制到一個正常水平。同理，反之亦然。

圖8有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)的位置

2.3 分布式光伏發(fā)電單元載調(diào)壓功能系統(tǒng)模擬

在第三部分，將所設(shè)計的分布式光伏陣列單元替代前兩部分的分布式發(fā)電單元。如前文圖4的功率曲線所示，由于凌晨幾乎沒有太陽輻照，光伏單元基本沒有發(fā)電。這意味著此時村鎮(zhèn)負載需要完全由大電網(wǎng)供給，較大的無功需求也造成了相鄰節(jié)點的壓降。從圖10可知，在凌晨3時至6時中的一個負荷低峰值，較低的光伏發(fā)電量也足夠滿足負荷的有功需求，甚至短時間向電網(wǎng)輸送了有功功率。在早8時至下午14時，光照輻射較大的時段，光伏單元除了滿足了負荷之外，將近有兩個小時向電網(wǎng)輸送富余電量。在別的時間段，特別是傍晚的用電高峰期，光伏發(fā)電量滿足不了村鎮(zhèn)負荷的用電需求，村鎮(zhèn)需要大量向電網(wǎng)購電以滿足需要。由圖11所示，由于分布式光伏單元是運行在單位功率因素下，無法提供無功功率，所以需要大量的從電網(wǎng)吸收無功功率，這會給各節(jié)點造成很大的壓降。在這種情況下，在原有的設(shè)置中，有載調(diào)壓變壓器很難把節(jié)點4的電壓全天維持至1.0 pu.的電壓，甚至在一段時間內(nèi)，分接開關(guān)的位置可能會達到極限。因此，將有載調(diào)壓變壓器的匝數(shù)比設(shè)置為1:1.1，且減少了分接開關(guān)選擇的時間。如圖8所示，節(jié)點4電壓水平標幺值在1.02 pu.到0.98 pu.之間波動，滿足了電壓穩(wěn)定性的需要。

圖9加入分布式光伏單元后節(jié)點4的電壓變化情況

圖10計及分布式光伏單元后變壓器分接開關(guān)變化情況

圖11計及分布式光伏單元后節(jié)點4有功功率變化情況

圖12計及分布式光伏單元后節(jié)點4無功功率變化情況

由圖9及上一部分的圖8所示的對應(yīng)情況的有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)的變化曲線可以觀察出，其改變位置的曲線與此節(jié)點輸出的有功功率曲線的形狀是大體類似的。這是因為有功功率對一個節(jié)點的注入增加會提高電壓等級，從而分接開關(guān)跳到更高的位置，匝數(shù)比增大以控制電壓。所以分接開關(guān)的升降與節(jié)點的功率大小是正相關(guān)的。

3 結(jié)束語

本文分別在變壓器的有載調(diào)壓功能被禁用和啟用的情況下，對一個村鎮(zhèn)變負載配電系統(tǒng)進行了仿真，結(jié)果表明，有載調(diào)壓功能可以將電壓水平限制在特定條件下。最后，用分布式光伏發(fā)電單元接入配電網(wǎng)進行了仿真。研究了分布式光伏的間歇性特點導致的實際供電和需求的差異，將導致所在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電壓的顯著波動，這就給系統(tǒng)帶來了風險，需要有載調(diào)壓才能保證系統(tǒng)的安全運行。本文中所調(diào)試出的SIMULINK 模型成功模擬了所需要觀測的數(shù)據(jù)，具有較高的參考性和擴展性。通過后續(xù)研究加入更多的節(jié)點，導入更多的真實電網(wǎng)數(shù)據(jù)，及更多的發(fā)電類型如分布式風電，小生物質(zhì)發(fā)電等和SVG 無功補償?shù)裙δ軉卧?，這個模型將可以在科研教學和工程應(yīng)用驗證方面，提供出更多有價值的研究結(jié)果。