利用风电机组改善农村配电网电压质量

郭兆琪,胡 健,边敦新,渠福运

(山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049)



利用风电机组改善农村配电网电压质量

郭兆琪,胡 健,边敦新,渠福运

(山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049)

针对农村电网普遍存在电能质量差、安全可靠性低等问题，提出了一种利用风电机组经储能装置来改善农村配电网供电质量的新思路. 对10kV农网接入风电机组前后供电质量的仿真研究显示，电压偏移率由9.65%下降为0.92%，表明该方案能较好地改善农网的末端电压过低问题.

农村配电网；风力发电；供电质量；储能装置

讨论了农村电网发展的现状及目前常用的解决方法，提出一种利用风电机组经储能装置来改善农村配电网供电质量的新思路[1-4]，并使用MATLAB中的simulink仿真模块对风电机组接入农网末端前后系统的供电质量进行仿真对比，得到了在农网末端加入风电机组能够有效改善末端电压质量的结论.

1　 农网末端电压过低的成因分析

线路的损耗以及电力设备的安全运行直接影响到系统的电压质量[5].农村配电网的配电形式通常是由35kV终端变电站供电，再由变电站10kV出线经过10kV/400V配变接入用户端[6]. 农村配电网的导线截面通常较小、线路的供电半径较长、线损较城市配电形式偏高，而且农村电网的变压器仍以高耗能变压器居多[7].

图1为简化的输电线路示意图[8].

图1　简化输电线路示意图

(1)

(2)

如今农村的经济水平较以往有了明显的提高，大功率的生产工具和家用电器日益广泛使用，这导致在用电高峰时段，农村电网会因负荷端用电量过大导致末端电压过低，这也是农村电网亟待解决的问题.

目前解决农村电网末端电压过低的方法通常有以下几种[9].

(1)对低压线路进行改造，换成截面更大的导线，或着将供电方式改为三相四线制.

(2)对10kV线路进行延伸处理、增加配电变压器的数量.

(3)安装低压无功补偿装置，但这只对感性负荷较重时作用明显.

(4)调整配电变压器的电压分接头位置，只在负荷重时有较好效果，并且会在负荷轻时，使首端电压过高.

以上几种解决农村电网末端电压过低的方法虽然能在一定程度上改善农村电网电压，但是都存在着各种各样的缺点. 而风能作为可再生的清洁能源，又能够在负荷端供能，不需长距离输电，非常适合解决农村电网末端电压过低的问题.

2　利用风电机组经储能装置接入农网改善供电质量的方案

现有风力发电机组可分为两类，一类是恒速恒频机组，另一类是变速恒频机组。恒速恒频是指在风力发电过程中，控制风力发电机的转速不变，来得到恒定频率的电能；变速恒频是指风力发电机的转速随风速的变化而变化，通过别的方法来得到恒定频率的电能. 变速恒频风力发电系统的风力发电机能够根据风速的变化以不同的转速旋转. 因此其转速的变化范围较大，控制跟踪风力发电机的最佳叶尖速比，使风力发电机获得较好的功率输出[9].

实现变速恒频风力发电的方法有很多，如交-直-交风力发电系统、绕线转子双馈发电机系统. 其中，交-直-交风力发电系统在并网时没有电流冲击，还可以调节无功. 另外，当前常用的直驱式风力发电系统也属于交一直一交风力发电系统. 这种系统不需要升速齿轮箱，减少了系统成本，并且经过整流、逆变后并网的结构也较为简单、容易控制，应用于小型风力发电机组并网非常适合.

由于本文模拟的是10kv输电线路，采用交-直-交风力发电系统，因此选用直驱式风力发电系统进行仿真分析。

2.1风电机组接入农网末端后的理论分析

风电机组接入后的输电线路示意图如图2所示.

图2　风电机组接入后的输电线路示意图

风电机组接入时，有

(3)

2.2风电机组流程图

本文采用的风机并网流程图如图3所示.

图3　风机并网的结构图

风电机组产生的不稳定交流电首先经过整流环节，将不稳定的交流电变为直流电，然后将直流电储存到蓄电池组成的储能装置中，然后经过升压环节将直流电电压提高，再通过单相逆变环节将直流电变为与电网电压同频、同相的单相交流电，最后并入单相电网中.

3　系统仿真分析

3.1未接入风电机组时的农网首末端电压仿真

未接入风电机组时的农网输电线路等效模型如图4所示.

图4　未接入风电机组时农网输电线路等效模型

本文模拟的是额定电压为10kV的单相输电系统. 其主要参数如下：线路首端电压的仿真模块VS电压为14.847kV；电压源等效内阻Rs_eq为0.1Ω；相位：0；频率：50Hz；输电线路用π型等效线路替代；用户端为恒定负荷1 000kvar. 其电压输出波形如图5所示.

图5　农网首端电压与末端电压波形对比图

由于线路首端电压需提高5%，经检测其首端电压为10.44kV，但是末端电压仅为9.035kV，标准电压应为10kV，电压偏移率为9.65%.GB/T12325-2008规定：10kV及以下的输电线路供电电压偏差为标称电压的±7%，测量结果电压偏移率已经超出了电压偏差的允许范围，显然对农村居民的生活用电造成较大的影响.

3.2接入风电机组时的农网首末端电压仿真

本文所采用的方法是先将风力发电机组的出力进行整流储能，然后再经过单相逆变后接入末端电网，因此可以将储能后的风机出力看为恒功率输出，将其等效为直流电源经过单相逆变后接入末端电网. 其中，风机采用100kW机组，风电机组总装机容量为1MW. 农网末端接入风电机组时的仿真模型如图6所示.

图6　风电机组接入农网末端的仿真模型

经过补偿后的农网首末端电压波形对比图如图7所示.

图7　风电机组接入后农网首末端电压波形对比图

由图7可以看出，农网的末端电压有了明显的提升。经过测量，风电机组补偿后的农网末端电压提高到了9.908kV，电压偏移率下降到了0.92%，已经保证了农网末端电压在供电电压偏差的允许范围内. 经过风电机组接入末端后的农网，其末端电压有了明显的提升.

3.3仿真结果分析

通过观察仿真结果发现，风电机组接入农网末端后，农网的末端电压提升效果显著，这也证明了风电机组接入农网末端改善其末端电压方案的可行性. 风力发电作为清洁能源，能够较好的改善农网的末端电压，并且相对于目前较为普遍的解决方法，风力发电还显示了其环保特性，这有助于风力发电在解决农村电网供电电压质量问题上的推广.

4　结束语

本文分析了农村电网电压偏移的成因，及风电机组接入农网末端对农网末端电压的影响，通过simulink仿真模块对其进行仿真分析，对比了风电机组接入前后农网的末端电压，验证了方案的可行性， 需要指出的是，风电机组接入将加剧配电网末端电压波动性，需要对风电机组容量及布局进行合理的优化配置，才能更好的发挥风电机组的作用，这也是日后需要进一步研究的方向.

[1]赵波, 王财胜, 周金辉, 等. 主动配电网现状与未来发展[J]. 电力系统自动化，2014, 38(18): 125-135.

[2]沈鑫, 曹敏. 分布式电源并网对于配电网的影响研究[J]. 电工技术学报， 2015, 30(增): 346-351.

[3]尤毅, 刘东, 于文鹏. 主动配电网技术及其进展[J]. 电力系统自动化，2012, 36(18): 10-16.

[4]张丽, 徐玉琴, 王增平, 等. 包含分布式电源的配电网无功优化[J]. 电工技术学报， 2011, 26(3): 168-174.

[5]裴玮, 盛鹍, 孔力, 等. 分布式电源对配网供电电压质量的影响与改善[J]. 中国电机工程学报， 2008, 28(13): 152-157.

[6]王佳颖, 李蒙, 冯利民, 等. 利用分布式风电并网改善配电线路末端电压[J]. 电力系统自动化，2015, 39(9): 145-149.

[7]侯树文, 贾利岭. 基于风力发电支撑农村电网末端电压的研究[J]. 科协论坛(下半月)， 2011( 1):19-20.

[8]何仰赞. 电力系统分析[M]. 3版. 武汉: 华中科技大学出版社，2010.

[9] 马记. 小型风机并网逆变器研究[D]. 青岛：山东科技大学，2010.

(编辑：刘宝江)

Research on improving the voltage quality of ruralpowerdistributionnetworkbasedonwindpowergeneration

GUO Zhao-qi, HU Jian, BIAN Dun-xin, QU Fu-yun

(School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Ruralpowergridconstructionisrelativelybackwardinourcountry,soitisgenerallylowpowerquality,lowsafetyandreliability.Anewmethodtoimprovetheterminalvoltagequalityofruralpowerdistributionnetworkbasedonwindpowergenerationisproposedinthispaper.Thesimulationresearchonterminalvoltagequalityof10kVruralpowergridbeforeandafterconnectingthewindturbinesshowsthatthevoltagedeviationratedropsto0.92percentfrom9.65percent.Theresultshowsthattheschemecandefinitelyimprovetheterminalvoltagequalityofruralpowergrid.

ruralpowerdistributionnetwork;windpowergeneration;powersupplyquality;energystoragedevice

2016-01-15

郭兆琪，男，18766965023@163.com；

胡健，hujian@sdut.edu.cn

1672-6197(2016)06-0063-04

TM7

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