微网对电网稳定性影响的仿真与分析

2015-06-19符杨胡鹏汤波赖圣聪

电源技术 2015年3期

关键词：功角微网线电压

符杨，胡鹏，汤波，赖圣聪

(1.上海电力学院电力与自动化工程学院，上海200090；2.国网上海嘉定供电公司，上海200010；3.国网泰顺供电公司，浙江泰顺325500)

微网对电网稳定性影响的仿真与分析

符杨1，胡鹏2，汤波1，赖圣聪3

(1.上海电力学院电力与自动化工程学院，上海200090；2.国网上海嘉定供电公司，上海200010；3.国网泰顺供电公司，浙江泰顺325500)

随着智能电网的大力发展，有关微网的研究也相继展开，特别是微网与电网的衔接及其自身的孤网运行问题。为了更加直观地研究不同功率交换模式下微网对电网稳定性的影响，引入了渗透率的概念，并运用DIgSILENT搭建了微网仿真模型。微网模型中包含了常规类分布式电源：风力发电、光伏发电及微型燃气轮机，通过观察不同渗透率下电压、频率、功角的变化，分析微网对电网的影响。通过仿真实现了不同模式下微网对电网影响的观察，探讨了造成影响的潜在因素以及抑制不利因素的措施，通过观察母线电压的变化验证了储能电池维持电压平衡的功用。

微网；渗透率；DIgSILENT；电压；频率；功角

电力工业长期采用集中大容量发电、远距离输配电的模式，随着近年来电网规模不断扩大，其弊端日益凸显[1]。随着分布式电源的应用，电力系统存在的不足逐渐得到了缓解。但是，分布式电源的应用过程中仍然存在着很多问题。分布式电源是一种不可控电源，并网后电网中潮流不易控制，所以往往采取限制、隔离的方式来减小分布式电源对大电网的冲击和影响[2-3]。微网的优点在于其可以将分布式电源、用户负荷、储能装置及控制装置等相结合，形成单一可控的单元，并且在电网发生故障时微网可以孤网运行，保证其内部一部分负荷需求，减少停电损失。但是，微网大规模的接入会对大电网的稳态潮流分布、暂态故障特性产生重大影响，亦会给大电网的规划设计、调度运行和保护控制及紧急控制方案等带来新的问题[4]，所以有必要对微网接入大电网后的一系列影响及运行策略体系进行研究。

目前有关微网在不同渗透率下并网运行与孤网运行的相关研究比较少，本文就这一问题展开研究。

1 微网对电网的影响及能量交换

微网不但将各种分布式电源优化整合后作为整体通过公共连接点PCC接入电网，并且可以通过开关装置实现其并网与孤网运行。微网的接入将原来的单一电源单一潮流流向的大电网变成了多电源多潮流分布的复杂性电网。

微网不仅可以作为电网的终端从电网吸收能量，也可以作为电网的电源，将自身多余能量输送给电网，改变传统电网能量单一流向的局限性。微网的接入会对电网的电压、频率、功角等产生影响，含有微网接入的大电网在受到不同大小的扰动时所受到的影响也不同。

为方便研究不同渗透率下微网对电网的影响，定义微网的渗透率为微网与电网的交换功率占电力系统总功率的比例[5]，即：

微网与电网的交换功率为：

2 仿真框架的搭建

本文的仿真算例采用某机构研究模型[6]优化而来，在DIg-SILENT中搭建此模型，其结构框架如图1所示。

图1 仿真算例结构

分布式电源及部分低压负荷组成本文仿真中的微网，将电压等级为0.4 kV的微网通过公共节点PCC接入电压等级为10 kV的电网中。微网中的分布式电源包括风力发电、光伏发电、微型燃气轮机；光伏发电经过逆变器PWM_PV接入微网，储能电池经过逆变器PWM_battery接入微网。其中风机采用P-Q控制，储能电池采用V/f控制(电压控制*=1.05 kV)。

设定该系统中10 kV电网总负荷为3.6 MW，微网中总负荷为0.468 MW，该微网的渗透率取值范围为－9.7%臆臆9.3%。在系统运行0.3 s后设置PCC节点发生三相短路接地故障，依据微网并网标准规定，当电力系统发生故障时，微网应快速切除。所以在系统运行0.38 s时将微网从10 kV电网中切除，并且在系统运行0.5 s时将蓄电池并入微网以维持微网内部电压的稳定。仿真过程中，保持系统结构不变，通过改变微网的渗透率来观察在不同渗透率下各母线的静态电压、动态电压、动态频率、功角的变化。

3 静态电压稳定性分析

静态电压稳定性分析是为了确定各母线电压如何随着渗透率的变化而变化，此次仿真设定微网渗透率变化及各分布式电源功率如表1。

表1 渗透率变化及各分布式电源功率

当＞0时，10 kV电网中各母线电压标幺值变化如图2所示。由图2可知，在＞0的情况下，随着渗透率的不断增大，系统稳定状态下各母线电压也不断增大，各母线的电压标幺值越来越接近1，说明在电力系统中，微网向上级电网倒送的功率对母线电压起到了支撑作用。

图2 渗透率大于0时各母线电压变化

当＜0时，各母线电压标幺值变化如图3所示。由图3可知：当＜0时，随着渗透率绝对值的增加，母线电压标幺值在一定范围(0～1.8%)内越来越接近1，但是当渗透率绝对值大于1.8%后，母线电压随着渗透率的增大而降低。这说明并不是微网的渗透率越大对电力系统的稳定性越有利，当渗透率过大时反而会对电力系统造成不利的影响。

图3 渗透率小于0时各母线电压变化

4 动态特性分析

动态特性分析的目的在于直观地观察电力系统发生故障前后各母线的电压、频率及功角的变化，观察不同渗透率下微网切除后对电网稳定性的影响，并且分析产生影响的潜在因素。

4.1 动态电压稳定性分析

图4 渗透率大于0时故障后各母线电压变化

微网从电网中切除进入孤网运行后，母线L1、L5在发生故障时电压大幅下降。在故障切除后由于微网内部存在充裕的电源出力，足以满足孤网状态下微网内部负荷需求，所以各母线电压逐渐恢复为正常值。微网内各分布式电源提供的功率支撑在电压恢复过程中发挥了重要作用，但是随着渗透率的变化，电压恢复速度不同，渗透率越大系统电压恢复速度越快。

母线L8为光伏发电与储能电池的公共母线，由图4可知，当微网脱离电网后，系统运行0.5 s时由于储能电池并网，L5电压恢复速度加快且接近控制值=1.05。说明在微网系统中，储能类电源不但可以为网络内部负荷需求提供电能，也可以为故障系统提供电压支撑。当=9.3%时，母线L8电压已经无法控制在正常值范围内，说明并非渗透率越大，微网脱离故障电网孤岛运行后的恢复速度越快，若渗透率过大反而会对微网运行造成负面影响。

图5 渗透率小于0时故障后各母线电压变化

微网进入孤网运行后，母线L1、L5、L8电压亦恢复为正常值，且在储能电池并入后恢复速度加快。但孤网运行0.1 s后，孤网内母线电压已呈现超出正常值趋势，当渗透率增大至9.7%时，电压发生较大的振荡且微网内部各母线电压已不可控。

由以上各母线动态电压分析可知，在适当的取值范围内，渗透率越高，故障后系统的电压恢复效果越好；但是当渗透率过高时，系统故障后各母线电压呈现不可控状态，可见渗透率并非越高好，过高的渗透率反而会加剧系统的崩溃。

4.2 动态频率分析

图6 渗透率大于0时故障后各母线频率变化

图7 渗透率小于0时故障后各母线频率变化

微网孤网运行后，微网内母线L1、L5、L8的频率均在经历过振荡后恢复为正常值，由母线L1、L5频率动态图可知，渗透率=－4.4%时频率的恢复水平强于=－1.8%时的恢复水平，但当渗透率过大即|=9.7%时，母线频率已经完全不可控。母线L8为光伏及储能电池的公共母线，L8频率振荡在光伏电池并网后得到了较大的抑制，但由于母线上逆变器等电子元件会产生谐波，频率在趋于稳定后仍会有小幅震荡。

4.3 功角稳定性分析

功角稳定性分析的目的在于观察电力系统受干扰后发电机转子之间相互运动的情况，通过观察功角随时间变化的特性来作为判断系统是否稳定的依据。发生故障并切除微网后母线M2功角变化如图8所示。当＞0时，系统发生故障后，母线M2功角发生同步振荡，且随着渗透率的增大，震荡周期亦增大。

图8 渗透率大于0时系统故障后母线M2功角变化

图9 渗透率小于0时系统故障后母线M2功角变化

5 结论

通过本文的仿真可知，不同渗透率下微网对电网的电压、频率、功角的影响有着较大的差异。微网对电力系统的电压提供一定的支撑；对频率的大幅度波动起到一定的抑制作用；脱离主网运行后会对主网的功角稳定性产生不良的影响；但是，并非交换的功率越多系统越稳定。比如在本文的仿真模型中，当渗透率大于0时可取最优渗透率为9.3%；当渗透率小于0时可取最优渗透率为－9.7%。当电网发生故障时，可以采取切机或者切除部分负荷或者加装调速器以维持系统的功率平衡。

[1]苏玲，张建华，王利，等.微电网相关问题及技术研究[J].电力系统保护与控制，2010，38(19):235-239.

[2]REZA M,SCHAVEMAKER P H,SLOOTWEG J G,et al.Impacts of distributed generation penetration levels on power system transient stability[C]//Proceedings of IEEE Power Engineering Society General Meeting.Chicago:IEEE,2002:862-867.

[3]肖宏飞，刘士荣，郑凌蔚，等.微型电网技术研究初探[J].电力系统保护与控制，2009，37(8):115-119.

[4]撖奥洋，邓星，文明浩，等.高渗透率下大电网应对微网接入的策略[J].电力系统自动化，2010，34(1):78-83.

[5]吴耀文，马溪原，孙元章，等.微网高渗透率接入后的综合经济效益评估与分析[J].电力系统保护与控制，2012，40(13):49-54.

[6]彭克，王成山，李琰，等.典型中低压微电网算例系统设计[J].电力系统自动化，2011，24(1):25-30.

Simulation and analysis influence of microgrids on power grid stability

FU Yang1,HU Peng2,TANG Bo1,LAI Sheng-Cong3

The research on microgrid had been started with the rapid developing of smart grids recent years, especially in the field of the connection between microgrid and grid,also in the field of the running of grid-island.The penetration rate and DIgSILENT were imported in order to study the influence of microgrid in different power exchange model.Numerous conventional distributed generators,such as wind power,photovoltaic generation,micro gas turbine,were contained of microgrid.The analysis of impact of microgrids on power grid was made.The impact that caused by microgrid in different sets of patterns was researched and the factors that bring about the influence and measures of inhibiting influence were discussed.One function of battery which was maintaining the voltage was verified.

microgrid;penetration rate;DIgSILENT;voltage;frequency;power angle

TM 727

1002-087 X(2015)03-0556-05