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基于电力专用逆变电源可变功率和阻抗平抑主动配电网母线电压偏差方法研究

针对电力专用逆变电源、柔性负荷接入主动配电网渗透率的不断提高和电力用户对电能质量日益苛刻的需求,本文提出一种基于可变功率和阻抗平抑主动配电网电压偏差的方法。
 
该方法对主动配电网负荷端母线电压正向偏差和负向偏差进行分析,当正向偏差超出允许值时,通过投入柔性负荷,改变负荷总功率,平抑电压偏差;若投入柔性负荷不能平抑电压正向偏差至允许的范围,则进一步通过降低电力专用逆变电源的输出功率平抑电压正向偏差;当电压负向偏差超出允许值时,通过增大电力专用逆变电源的输出功率平抑电压偏差;若电力专用逆变电源的输出功率不能平抑电压负向偏差至允许的范围,则进一步投入阻抗可调的柔性线路,通过改变输电线路总阻抗,平抑母线电压负向偏差。
 
为验证所提方法,以电力专用逆变电源、柔性负荷和柔性线路接入配电网为例,搭建Matlab/Simulink仿真模型,计算结果表明该方法可行有效。
 
随着电力专用逆变电源(distributed generation, DG)、储能装置、电动汽车等新元素接入配电网渗透率的不断提高,给传统配电网带来的诸如电压波动、损耗增加、潮流反送等影响日益扩大[1]。DG接入位置和容量不合适,可能导致系统某些薄弱母线失稳,引起系统电压崩溃[2]。
 
此外,清洁能源发电的大规模开发利用和用户更苛刻的电能质量需求,对传统配电网的运行方式提出了新的挑战。为此,国际大电网会议(CIGRE)于2008年提出了主动配电网的理念。
 
主动配电网(active distribution network, ADN)是在主网配网协同控制的基础上,具有分布式发电、储能和需求侧响应等电源、负荷调控手段,能够针对电力系统的实际运行状态,自适应调节其电源、网络及负荷的配电网[3]。与传统配电网相比,ADN有机整合先进信息通信、电力电子及智能控制等技术,为实现分布式可再生能源大规模并网与高效利用提供了一种有效解决方案[4]。
 
尽管ADN具备了DG、储能装置等优化调控的物理条件,但由于上述条件具有随机性、不确定性等特点,通常造成ADN电压波动,因此如何通过有效手段保障ADN电压在允许的范围内已成为研究的热点之一。
 
针对新能源不断接入下的配电网,如何控制其电压稳定,国内外学者展开了多方面的研究。文献[5]分析了接入不同电压等级母线、不同渗透率条件下的光伏电源对配电网电压偏差的影响规律,对不同渗透率光伏电源的并网位置提出了合理建议。
 
文献[6]指出光伏接入配电网节点电压的大小与光伏出力、接入位置及线路阻抗和初始端电压有关,并针对光伏总接入容量过大时所造成的接入点电压越上限,提出了采用P-U下垂调节方法抑制过电压;在弱通信能力的低压配电网中,文献[7-8]提出了“分布式+就地”和“集中式+就地”改进的储能控制策略,最终通过分布式(集中)阶段和就地阶段之间的不断迭代和调整实现对电压的控制。
 
文献[9]为解决ADN中分布式能源和储能系统对电压波动造成的影响,提出了通过DG、储能系统和有载调压变压器,采用最小控制成本的方案对电压进行控制。文献[10]应用分布式电压主动控制策略,采取主动负荷、变压器分接头、DG有功功率和功率因数相结合的方式进行电压控制,实现稳定配电网电压的目的。
 
文献[11]使用储能装置实现配电网电压调节,提出一种基于多种低碳技术的电压控制策略。文献[12]指出DG接入配电网馈线中后段、分散接入比集中接入更有利于提高静态电压的稳定性,且随着DG接入配电网一定容量的增加,节点电压呈正相关的增长。
 
文献[13]指出光伏发电渗透率越高,则逆向的功率越显著,导致馈线电压上升甚至出现越上限的情况;同时分析了DG渗透率对配网电压的影响,指出DG渗透率越大对电压的支撑作用越大。
 
针对传统电容器组不能频繁投切调压的情况,文献[14]提出基于灵敏度分析法综合调节DG出力和投切电容器组来调节电压,通过仿真证明调节DG出力能有效改善调压。文献[15]提出了基于牛顿-拉夫逊的三相连续潮流算法,并以此为工具,将DG接入母线视为PQ和PV节点,对含DG的配电网静态电压稳定性进行了分析。
 
上述研究从不同角度分析了DG接入配电网对电压造成的影响,并提出了一些治理措施,但在如何最大化利用新能源、通过改变负荷总功率和输电线路的电压损失,平抑负荷端电压波动,相关的研究还比较匮乏。
 
近年来,由于柔性负荷(flexible load, FL)[16]日益增多,负荷类型和特性更加丰富,为配电网电压调节提供了新的手段和方案,因此,本文根据DG、FL、输电线路阻抗对电压损失的影响,提出一种基于可变功率和阻抗平抑ADN电压偏差的方法。该方法首次提出根据电压偏差方向,对DG输出功率、馈线阻抗和负荷总功率进行协调控制,以改变馈线电压损失,平抑负荷母线电压偏差。
 
图5  电压偏差调节策略仿真模型
基于电力专用逆变电源可变功率和阻抗平抑主动配电网母线电压偏差方法研究
 
结论
 
本文利用Matlab/Simulink仿真软件,针对主动配电网负荷母线端电压的波动,通过分析平抑电压偏差流程,研究了基于可变功率和阻抗平抑电压偏差策略,所得结论如下:
 
1)在主动配电网中,将柔性负荷灵活可调的特性与对电力专用逆变电源主动控制及管理的特点相结合,能够在最大化利用电力专用逆变电源的同时,平抑负荷母线电压偏差。
 
2)通过调节负荷母线端接入DG的功率,改变负荷等值总功率,进而改变负荷馈线传输功率,可实现平抑负荷母线电压偏差。
 
3)将电力专用逆变电源和阻抗可变的柔性线路相结合,可更灵活地改变配电网馈线电压损失,使馈线端母线电压满足负荷需求。
 
受FL或DG接入配电网的功率所限,可能存在极端情况下通过调节两者功率均不能实现母线电压恢复至正常范围的目标,此时仍需要通过其他方法调节母线电压。此外,采用本文所提出的电压偏差调整策略中,涉及装置的投切和功率的调节,在此过程中,负荷能否承受短时间内母线电压波动或引起电能质量恶化是未来需要进一步研究的工作。
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