董慎学,周羽生,曹勋伟,朱磊,贺伟,张帆

(1.长沙理工大学电气与信息工程学院,长沙市,410004;2.大唐湖南分公司怀化电厂,湖南省怀化市,418000)

0 引言

分布式电源(distributed generation,DG)容量多在几十kW～几十MW之间[1]。按发电能源是否可再生将其分为 2类[2]:一类称为利用可再生能源的DG,主要包括太阳能光伏、风能、地热能、海洋能等发电形式;另一类称为利用不可再生能源的 DG,主要包括微型燃气轮机、燃料电池、内燃机、热电联产、燃动机等发电形式。分布式供电因为具有灵活适应负荷增长、初期建设投资低、输电损失小等优点,在全球范围内越来越受到重视[3]。

DG并入配电网对配电系统的网损分布有重要影响,而潮流计算是对该影响进行量化分析的主要手段。目前的配电网潮流计算方法中没有考虑各种形式的DG,随着各种不同形式的DG的并网,配电潮流计算难度增大,必须研究能够计及DG对配电网络影响的潮流计算方法。

DG的引入使配电系统由单电源辐射性网络变成了多分布式电源的弱环网络。传统发电机节点在潮流计算中一般取为PQ节点、PV节点或者平衡节点,而DG具有特殊性,其节点是否可以取为这 3种节点类型需要全面考虑。文献[4]运用牛顿 -拉夫逊法求解带DG的配电网潮流,将发电机视为有功功率恒定的受控电压源。文献[5]利用前推回推法求解带DG的辐射性网络潮流,建立了基于前推回推法的设备模型。文献[6]研究了异步发电机、具有无励磁调节能力的同步发电机和燃料电池的运行和控制特性,建立了各自在潮流计算中的数学模型,提出了基于灵敏度补偿的配电网潮流计算方法。文献[7]研究了分布式发电系统中风力发电和太阳能发电的随机出力对配电系统电压质量的影响,建立了风力发电和太阳能发电的随机分析模型,通过随机潮流计算得到了节点电压概率密度曲线和系统年期望电压越限小时数。

前推回推潮流算法是当前应用广泛的配电潮流算法[8],具有较好的线性收敛性能[9]。本文针对含各种DG的配电网潮流计算方法进行研究,提出了含DG的配电网潮流计算的改进前推回推算法。并与传统配电系统利用前推回推进行潮流计算比较,进行了含DG的配电网线损电压分析和研究。

1 配电网潮流计算中的DG分类

根据太阳能光伏、风能、燃料电池、微型燃气轮机等DG与电网互联的接口方式及其运行和控制方式,可以将DG分别看作PQ节点、PV节点、PI节点和PQ(V)节点。如果DG经常运行在额定工况附近,则可将其看作PQ节点,如用同步电机接入电网的DG,当其励磁控制方式为功率因数控制时,则可看作PQ节点;将能够维持节点电压幅值的DG节点看作PV节点,如用同步电机接入电网,当其励磁控制方式为电压控制时可看作PV节点;储能系统可以看作PI节点;对于直接并网的异步风力发电机组,可以看成是PQ(V)节点[10]。

1.1 PQ节点

对于视为PQ节点的DG,可看作是恒功率的负荷模型,即有功功率 P、无功功率 Q为恒定。视在功率为:S=-P±jQ。若它向电网同时输送有功功率和无功功率时,等式中 Q前为负号,否则为正号。

PQ型DG对接入节点的注入电流为

1.2 PV节点

则PV型DG对接入节点的注入电流为

需要注意,由于PV节点可调无功功率有限,在有附加注入电流情况下,必须判断PV节点的无功功率是否越限。若PV节点的无功功率越限,则将PV节点转化为PQ节点。其无功功率Qk

PV按下式计算:

1.3 PI节点

对于视为PI节点的DG,输出的有功功率PsPI和电流幅值Is

PI恒定。该类节点相应的无功功率计算如下:

PI型DG对接入节点的注入电流为

1.4 PQ(V)节点

直接并网的风力发电机组,由于异步发电机在输出有功功率的同时还要从系统吸收一定的无功功率,吸收的无功功率与转差率s、节点电压V有关;在风力发电机处安装的并联电容器组输出的无功功率也与节点电压幅值有关。对于这类节点可以采用PQ(V)模型进行处理[11]。

在潮流计算中,第k次迭代的PQ(V)节点的视在功率和注入电流分别为:

2 含DG的潮流算法

传统的配电网潮流算法主要分为 3种类型[12]:直接法、前推回推法和牛顿-拉夫逊法。前推回推法面向辐射性网络,具有易编程、计算效率高等优点,该方法也能有效处理电压静特性的节点类型。本文利用前推回推算法计算潮流和线损电压,采用回推过程计算电流、前推过程计算电压。

对于传统辐射状配电网,利用前推回推法,文献[10]给出的潮流计算步骤如下:

(1)求出回路的等值阻抗矩阵。

(2)初始化各节点功率大小。

(3)将恒功率负荷转化为恒阻抗负荷。

(4)计算各节点负荷功率的注入电流。

(5)回推计算各支路的电流,从最后 1层支路开始向根节点推进计算各支路的电流。

(6)前推求解节点电压,从根节点开始向最后 1层推进,修正各节点的电压。

(7)判断系统中各节点相邻 2次迭代的功率幅值差是否满足收敛条件。若满足则停止迭代,若不满足则继续。

对于含多种DG的辐射型配电网,应用上述程序计算潮流时,本文进行如下改进。

(8)在给出的配电网电气接线图的节点,当异步发电机组并网运行时,判断是否有因电压偏低导致异步发电机退网的情况发生。若退网,则转步骤 4;否则,判断PQ(V)节点的电压是否仍然满足异步发电机的入网条件。若满足,则进行异步发电机的并网运算,继续下一步计算;若不满足,则进行异步发电机退网运算,转步骤 4。

(9)计算异步发电机的转差,求出其吸收的无功功率,判断异步发电机的功率因数是否满足要求。若不满足,则根据功率因数要求调整并联电容器组的投切,转步骤 4;若满足要求,则结束计算,并输出结果。

(10)在给出的配电网电气接线图的节点,对PQ、PV、PI类型DG的接入节点叠加注入电流,作如下分析:

1)计算PI节点的注入无功功率,若无功越限,则把PI节点转化成PQ节点处理,修正PI节点的注入电流。

2)计算 PV节点的注入无功功率,若无功越限,则把PV节点转化成PQ节点处理,修正PV节点的注入电流。

3)判断系统中各节点相邻 2次迭代的电压差是否满足收敛条件,PV节点的电压差是否满足收敛条件,若这几个条件要求同时满足,则进行下一步计算;否则,转步骤 4。

3 算例分析

本文利用 33节点的配电网接线图为例进行算例验证,本文33节点数据皆采用IEEE-33节点数据。取系统电压基准值为10.5kV,视在功率基准值为50MW,风电场功率因数的允许变化范围为 0.9～1.0。计算精度为ε=104。指定PI节点电压幅值标幺值均为1.0,PQ类型DG的有功输出为50 kW,无功输出为70 kvar;PV类型DG的有功输出为120 kW;PI类型DG的有功输出为100 kW,额定电流为70 A;PQ(V)类型DG的有功输出为150 kW,额定电压为10.5 kV (退网条件为 8.4 kV)。33节点系统电气接线如图1所示。

图1 33节点配电系统Fig.1 Distribution system w ith 33 nodes

首先采用4种方案分析比较各种类型的 DG混合并网对潮流计算收敛的影响。其中方案 1表示节点 12接有 10台并联的采用异步发电机为接口的电源,即可视为PQ(V)类型节点。方案2表示在方案1基础上在 26节点接入 1台采用励磁调节的同步电机为接口的电源,控制方式为电压控制,即可视为 PV类型节点。方案 3表示在方案 2基础上在 18节点接入 1台采用变换器作为接口的燃料电池,即可视为PI类型节点。方案4表示在方案 3基础上在 18节点接入 1台采用励磁调节的同步电机为接口的电源,其控制方式为功率因数控制,即可视为 PQ类型节点。结果表明运用改进的前推回推法进行处理多种形式的DG混合并网的配电网潮流计算是有效的,并且在接入风力发电机等的异步发电机时,对迭代次数的影响很小。

然后,分析不同形式DG并网对馈线段电压分布的影响。设馈线段 1,2,3,4的路径分别为 12-13-14-16-17,26-27-28-29-30,18-19-20-21 -31,18-19-20-21-32,在不同的方案下,馈线段1,2,3,4的节点电压分布情况如表 1所示。可以看出:各种DG对系统的电压支撑能力不同,PQ,PI节点最强,其次是PV节点,而PQ(V)节点则降低了系统电压水平。

4 结论

配电网的损耗主要取决于系统的潮流,DG和微电网的接入使得配电网中各支路的潮流不再是单向流动,必然会影响配电网的损耗,使之不仅与负载等因素有关,同时也与DG及微电网接入的位置、容量及负荷的相对大小以及网络的拓扑结构等因素密切相关。

表1 不同DG接入方案前后部分节点电压Tab.1 Nodes voltage comparison for different DG access

本文分析了不同形式的 DG,对它们在潮流计算中的处理方法进行了研究,并用改进的前推回推算法,对 33节点配电系统进行了算例分析,得到如下结论:

(1)采用异步电机作为接口的 DG会降低系统的电压水平,而采用其他形式接口的DG对系统电压具有支撑作用。

(2)在配电网的负荷附近接入DG后,配电网的潮流也可能由原来的“单向”流动变为“双向”。从国外所进行的一些研究[13]来看,接入配电网的 DG对配电网的损耗即有减少也有增加,还需要进一步的分析。

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