针对电网负荷突变的可再生能源系统并网算法研究

汤耀景，徐惜琼，石帅，王瑞

（国网浙江省电力公司温州供电公司，浙江温州325000）

针对电网负荷突变的可再生能源系统并网算法研究

汤耀景，徐惜琼，石帅，王瑞

（国网浙江省电力公司温州供电公司，浙江温州325000）

RPS（可再生能源系统）的推广需要考虑特定电网的供求量、气象及地理特性，以预测合理的RPS容量及最优经济配比，从而达到建设成本的最优。一种合理的并网算法，能够保证RPC与负荷需求的供需平衡，同时保障电网的电压水平。利用一个模拟电网模型，基于潮流算法设计了一种电网负荷突变的RPS并网稳定算法，以确保电网内负荷突变与RPS的供需平衡及电能质量。

可再生能源系统；负荷突变；无功功率

随着可再生能源发电技术的成熟与推广，供电来源从传统能源向可再生能源等多能源供给方向发展。面对RPS（可再生能源系统）并网的现实与趋势。文献[1]介绍了利用HOMER设计可持续能源系统各因素配比，以达到最低成本净现值。然而，在RPS运行过程中，电力负荷突变影响着稳态运行。

基于RPS经济建设模型[1]，设计了一种应对电网负荷突变的平衡算法，以保证RPS的稳态供求平衡。

1 系统介绍及设计原理

1.1 RPS的成本优化设计

文献[1]中介绍的RPS模型，以直流系统为能量交换中心，以风能、太阳能为发电来源，通过储能系统进行能量存储及调度辅助。逆变器被设置为该微型系统和电网的接口，以控制有功、无功功率输出，优化电能质量，如图1所示。

图1 微型可再生发电系统

结合发电区域的电网负荷、气候及地理参数，通过HOMER对模型进行最低成本净现值分析，可获得设备种类及数量的最优配比。

通过针对换流器的定电流及定功率控制程序的设计，使系统输出保持在理想范围之内，形成最优成本下的定功率输出特性。

1.2 潮流算法流程

作为普遍应用的电网潮流算法，牛顿-拉弗逊算法基于线性计算原理[2]，对于潮流算法而言，主要基于平衡节点、PU节点和PQ节点，三者在潮流算法中的作用如表1所示。

表1 节点特性

利用3类节点的特性，牛顿-拉弗逊潮流算法的计算方法在文献[3]中有所述及，其流程如图2所示。

图2 牛顿-拉弗逊潮流算法流程

2 电网负荷突变平衡算法设计

2.1 算法流程

农村及偏远地区距离主网架较远，无法有效得到电能的足够供应。为保证该类区域的电能有效供应，RPS逐步在推广建设。然而该类区域电力硬件基础较为薄弱，自身调节能力有限，因此设计一种解决负荷突变的平衡算法，具有一定的必要性。

解决电能的供求平衡，在保证有功及无功功率平衡的基础上，需使系统的电压保持在合理的范围之内。本文介绍算法分为3步，如图3所示。

图3 电网负荷突变平衡算法流程

2.2 供求失衡的判断

在电网的实时监控中，通过分布于网内的监测装置，实时监测电网的负荷变化及电能质量[4]。

由于各线路损耗的不同，电能供应与负荷的平衡值会随不同节点的供电与用电情况而不同。因此，在实时电网中当负荷有所波动时，电能供应与负荷平衡首先需要通过潮流算法来判断，以确定电网是否具备足够供电能力。

2.3 确定有功功率

如判断电网无法提供足够电能，那么需要计算RPS需提供的有功功率值。

在这一过程中，假定RPS无功功率输出量为0，计算电网有功功率需求值Pren。基于此有功功率提供量，计算整个电网的所有节点电压水平是否在合理范围之内，确定是否需要无功功率补充，以调节系统各节点电压水平。

2.4 补偿无功功率

在确定了有功功率后，需要保证电网中所有节点电压均在合理范围之内，以此确定所需的无功功率补偿量，主要步骤如图4所示。

步骤1：根据计算得到的有功功率Pren，再次通过牛顿潮流算法计算整个电网的电压。若所有节点电压水平保持在合理范围之内，则RPS有功功率输出确定为Pren；若有节点电压在合理范围之外，则进入下一步骤。

步骤2：在原始的模型内，注入RPS有功功率Pre，计算所有节点保持在合理电压范围之内的无功功率输出区间为Qre，min至Qre，max。

为保证各节点电压均具有一定裕度，将RPS无功功率的输出量确定为合理区间的中间值，即：

图4 无功功率补偿算法流程

步骤3：由步骤2确定的Qre，chosen，在潮流算法中可以确定有功功率值PQre。

若PQren等于RPS的实时功率Pe，则PQre，chosen= PQre。

如若PQre不等于RPS的实时功率Pe，那么其有功功率值可进一步进行调整，按照以下方法，即：

按照以上3个步骤，当目标电网内的负荷突变升高时，可确定RPS的功率合理提供量Pre，chosen和Qre，chosen，同时确保电网所有节点的电压均在合理范围之内。

3 电网负荷突变平衡算法仿真

3.1 测试电网

模拟电网来源于参考文献[5]。电力供应的峰值为76.63 MW，其中68.05 MW为用户消耗电能，其余为线路损耗，假定38个负载平均消耗负荷，则每个节点消耗1.79 MW的功率。该系统的线路长度如表2所示。

表2 线路长度

线路参数标幺值为：R=0.000 456；X=0.002 4；B/2=0.000 141；C/2=0.000 084 8。

电网的电压等级为10 kV，76.63 MW是电网能够提供的最大电能，将保证电压稳定在10 kV。

假定在节点15发生了0.5 MW和0.1 Mvar的负荷提升，对电网造成了一定的冲击。为了保证稳定，可以利用RPS去补充电能。在节点15串接了1个RPS1，作为主要供应点，另1个RPS2串接在节点23，作为次级供应点。设置次级供应点23的原因是，该节点与节点15有最长的距离，相对来说是电能补充条件最差的节点。

3.2 判断供求失衡

在此情况下如没有电力供应补充，通过潮流算法，可确定所有节点的正常电压水平将如表3所示。

表3 负荷突增后电网电压水平

由于电网原来工作在电能供应最高值，当节点发生负荷升高时，则电能供求不足。

3.3 确定有功功率

如果仅有RPS1供应电能，则通过潮流算法，可确定在节点15需要0.499 3 MW和2.075 7 Mvar的电能补充。

如果RPS的发电容量大于0.499 3 MW，那么1个RPS在节点15便可提供足量的电能。经过能量补充后的电网电压及误差比如表4所示。由表中数据可知，通过RPS1电能的充分补充，所有节点电压均在正常范围之内。

如果RPS的峰值容量为0.3 MW，那么在节点15 RPS1不能提供充足电能。因此，需要并入另1个RPS来补充电能。

若RPS2在节点15处并网，那么RPS2仅需补充0.199 3 MW的有功功率即可，通过潮流计算表明，电网电压和RPS1能够提供足够电能时一致。

若RPS2在节点23处并网，那么同样可令RPS2提供0.199 3 MW的有功量来补充电能。

3.4 补偿无功功率

在确定了RPS1和RPS2的有功功率后，利用潮流计算可确定RPS2的无功功率输出量对系统所有节点电压的影响水平，如图6所示。

在电压变化区间可得出RPS2的无功输出为：

图5 模拟电网

表4 RPS1电能补充后电网电压水平

图6 RPS 2无功功率补充下的系统电压

同样依据上述方法，可以确定RPS1的无功输出量。RPS1和RPS2两者的最终功率输出为：Pre，1=0.3 MW；Qre，1=2.903 5 Mvar；Pren，2=0.199 3 MW；Qren，2=0.45 Mvar。

经过2个RPS的协同补充后，电网的电压及误差比如表5所示。

表5 RPS 2电能补充后电网电压水平

可见，通过RPS2的电能补充，电网内所有点的电压误差均保持在5%合理范围之内，实现了不同位置RPS对于电网电能的协同有效补充。

4 结语

随着分布式能源系统的持续发展，RPS并入电网已成为了一种趋势[6]。利用一个电网模型，提出了针对负荷突变的可再生能源并网算法，为电网的稳定运行和可再生能源的应用提供了有益借鉴，也是对文献[1]RPS并网建设一文的后续补充。

[1]汤耀景.基于HOMER的微型可再生能源系统优化设计[G]//浙江省电力学会2013年度优秀论文集[C].北京∶中国电力出版社，2014.

[2]LENNART SODER.Static Analysis of Power Systems[M]. Stockholm∶Royal Institute of Technology，2009.

[3]韩祯祥.电力系统分析[M].杭州：浙江大学出版社，2005.

[4]STAHLKOPFKARLE，WILHELMMARKR.Tighter Controls for Busier Systems[J].Spectrum IEEE，2002，34（4）∶48-52.

[5]BILLINTON R，KUMAR S，CHOWDHURY N，et al.A Reliability Test System for Educational Purposes-Basic Data [J].Power Systems，IEEE Transactions on，2002，4（3）∶1238-1244.

[6]王成山，李鹏.分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J].电力系统自动化，2010，34（2）∶10-14.

（本文编辑：杨勇）

Research on Algorithm for Renewable Power System Integration Against Grid Load Change

TANG Yaojing，XU Xiqiong，SHI Shuai，WANG Rui
（State Grid Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

The development of renewable power system needs to give consideration to grid supply and demand,meteorological and geographical characteristics to forecast reasonable capacity of renewable power system and the optimal economic ratio so that the construction cost can be optimized.A reasonable algorithm for grid integration can maintain a balance of supply and demand between renewable power system and load requirement and in the meantime maintain voltage level of grid.By using simulation grid model,an algorithm for renewable power system integration against grid load change is formulated on the basis of power flow algorithm for the purpose of maintaining balance of supply and power between load change and renewable power system as well as the power quality.

renewable power system；load change；reactive power

TM714

：A

：1007-1881（2014）11-0005-04

2014-09-11

汤耀景(1986-)，男，浙江温州人，硕士，从事继电保护工作。