基于电网阻抗的光伏接入弱电网准入功率计算

党 克,闫斌斌,贾焦心

(1,东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012;2,北方工业大学 机电工程学院 北京 100144)

●专家论坛●

基于电网阻抗的光伏接入弱电网准入功率计算

党 克1,闫斌斌1,贾焦心2

(1,东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012;2,北方工业大学 机电工程学院 北京 100144)

针对光伏电源接入弱电网引起电压越限的问题,提出了利用电网阻抗来求取准入功率的方法。通过光伏电源接入弱电网潮流分析模型和功率传输过程中功率和电压的关系,把电压不越限的约束条件表达为光伏电源准入功率与电网阻抗之间的函数关系,克服了传统方法中重复潮流法计算量大、费时的缺点。通过对IEEE33节点配电网的计算分析,验证了该方法的合理性和可行性。

光伏电源;弱电网;电网阻抗;准入功率

随着光伏电源大规模接入配电网,对较薄弱的电网造成了很大的冲击,导致电能质量和电网可靠性降低[1-3]。所以必须在保证电网稳定运行的前提下,合理配置接入电源的容量[4-5]。

目前国内已经开始研究光伏电源接入配电网的准入功率。文献[6]研究了基于电网安全稳定的光伏最大接入容量,利用电力系统仿真软件针对西藏羊八井地区电网计算得出光伏最大接入容量。文献[7]结合电网静态安全稳定性以及光电出力随机性等因素,研究了基于机会约束规划的光伏最大接入容量优化规划算法。文献[8] 基于节点电压约束,采用电压灵敏度分析法提出了系统准入功率薄弱节点并计算分布式电源的准入功率。但这些方法没有考虑电网阻抗和接入配电网强弱对准入功率的影响,难以得出典型情况下的一般性结论。因此,本文利用电网阻抗来分析光伏电源接入弱电网时的准入功率。通过建立功率传输过程中功率和电压关系的模型,提出了计算光伏电源准入功率的方法,并通过对IEEE33节点配电系统进行计算分析,验证了该方法的有效性和可行性。

1 弱电网的描述方法

衡量弱电网的指标有电网阻抗和短路容量比。通过测定电网中不同接入点电网阻抗的大小及性质可以确定功率薄弱节点,当电网阻抗大于0.1 p.u.可视为弱电网。文献[9]提出用短路容量比(接入点短路容量/光伏电源的最大视在功率)SCR来衡量弱电网,当SCR小于10时,接入电网可视为弱电网,当SCR大于20时,接入电网可视为强电网。

通过改变输入PCC点有功功率和无功功率,使配电网运行于2个不同的工作点,并通过检测PCC点电压和电流在 2 个工作点的变化来估算电网阻抗,如图1所示。

图1 光伏电源接入电网模型

由图1可得:

(1)

(2)

(3)

其中

(4)

通过静止坐标系变换,将静止三维坐标系转换成静止二维坐标系;将三相电压矢量投影到静止αβ坐标系得:

(5)

将两相静止的αβ二维坐标变成两相同步旋转dq的二维坐标,可得:

Vd1,2=|Vpcc1,2|cos(θpcc1,2-θ)

Vq1,2=|Vpcc1,2|sin(θpcc1,2-θ)

(6)

(7)

(8)

将给定θ代入式(6) 得到的计算结果再带代入式(7)、(8)可求得R、ωL。

2 光伏电源准入功率的计算

2.1 功率传输过程中功率和电压关系的模型

光伏电源接入弱电网等效分析模型如图2所示,接入电网部分用等效电网阻抗Zg串联一无穷大电源来等效,光伏系统则用电压源和滤波器等效阻抗Zf串联来等效。

图2 光伏电源接入弱电网潮流分析模型

(9)

(10)

根据接入点电压与电网理想电压源之间的关系得:

(11)

联立式(9)～(11)整理得到以接入点电压作为未知变量的计算表达式为

(12)

式(12)表示了接入点电压与传输功率之间的关系,其中理想电网电压Us为定值标么值,取1.0p.u.,若接入点参数Rg、Xg给定,则可以确定P和U之间的关系。

2.2 电网阻抗对准入功率的影响

通过接入点注入有功功率P从0～1.0 p.u.变化时,设定不同的电网阻抗参数, 根据式(12)来分析从而获取接入点电压随功率变化的曲线,然后利用曲线的变化趋势来寻找电网阻抗大小及其构成对接入点电压影响的一般规律。

图不同时的P-U曲线

图不同时的P-U曲线

通过分析曲线和计算,可得到以下结论:

1) 电网阻抗中的电阻所占比例越大,如Xg和Rg的比值KXR小于4时,Pmax的主要约束是电压上限,反之，KXR大于4时，Pmax的主要约束是电压下限,随着电网阻抗标么值越大,Pmax越小。

2) 对于电抗占优的弱电网,光伏逆变系统接入弱电网运行时,会引起接入点电压低于电压调节下限,如果提供一定的无功支撑,将有助提升接入点电压运行水平。对于电阻占优的弱电网,光伏逆变系统接入弱电网运行时,会引起接入点电压高于电压调节上限,则需要采取有载调压变压器等母线调压措施,使得母线电压距离电压偏差上限留有一定的裕量。

2.3 考虑电压约束的准入功率的计算

对于给定的电网,在保证接入点电压满足运行电压范围可确定经过接入点注入弱电网的极限功率Pmax。在数学上表述为,使得变量U有可行解条件下的传输功率最大值。U的解必须是可行的,即三相电压的允许偏差为额定电压的±7%,根据式(12)通过P-U曲线可得电压越限的准入功率为Pmax。对于特定的电网阻抗,可以直接根据KXR的大小来选取计算Pmax时的电压,当KXR>4时,直接根据U=0.93 p.u.代入式(12)求解Pmax,当KXR<4时,直接根据U=1.07 p.u.代入式(12)求解Pmax。

3 算例分析

本文采用图5所示的IEEE33节点配电网络作为算例,具体线路和负荷数据见文献[10],系统内总负荷3.715 MW+2.3 MVA,电压基值10 kV。功率基值取3 MW,接入一个功率因数为1时光伏电源,光伏电源接入点的稳态电压应在0.93～1.07 p.u.范围内。

图5 IEEE33节点配电网络图

选取节点 1、7、17、19、21、27、32作为并网点,根据文献[8]计算光伏电源的准入功率结果如表 1 所示。

表1 光伏电源接入时的准入容量

选取节点 1、7、17、19、21、27、32作为并网点,基于电网阻抗计算得到的光伏电源准入功率的结果如表2所示。

表2 考虑电网阻抗的光伏电源接入的准入容量

根据表1、表2得:当在系统母线附近的节点处接入光伏电源时,光伏电源对系统电压的抬升作用有限;而当并网位置逐渐远离系统母线时,光伏电源对系统电压的抬升作用越来越显著,准入功率越来越小。

通过分析比较得:本文方法计算的各节点准入功率略小于文献[8]计算的准入功率,但能满足工程应用。文献[8]需进行复杂潮流计算,而本文方法在保证准确性的同时只需求得接入点的电网阻抗就能求得系统所有节点的准入功率,大大减少了计算量,节约了计算时间,对光伏电源的选址规划有一定的指导意义。

4 结 论

1) 利用电网阻抗来求取准入功率的方法能够方便地确定准入功率,克服了传统方法中复杂潮流计算量大,费时的缺点。

2) 通过对IEEE33节点配电网络进行计算分析,得知光伏电源接入馈线支路首端附近的节点时,电网阻抗小准入功率大,而接入馈线末端附近的节点时,电网阻抗大准入功率小。

3) 在光伏逆变系统向电网注入有功的时提供一定的无功支撑,将有助于提升接入点电压运行水平,因此在实际的工程中可以根据电网阻抗大小来调整注入无功功率的控制策略及大小。

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(责任编辑 郭金光)

Calculation of photovoltaic power penetration level connected into a weak network based on grid impedance

DANG Ke1, YAN Binbin1, JIA Jiaoxin2

(1.School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

Aiming at the out-of-limit voltage when the photovoltaic power connects into a weak network, a method to calculate the penetration level using grid impedance was proposed. Based on the power flow analysis model and the relations between voltage and power in the power transmission process, the constraint conditions of voltage were expressed as a function of the relationship between the penetration level and grid impedance. It is a method that overcomes the shortcomings of complex calculation and time consuming. The rationality and feasibility of this method were tested and verified by IEEE 33 nodes system.

photovoltaic power; weak network; grid impedance; penetrationlevel

2015-03-18。

党 克(1960—),男,教授,硕士生导师,研究方向为新能源发电、电力系统电能质量及分布式发电。

TM615

A

2095-6843(2015)05-0377-04