分布式风电对配电网电压的影响

禹华军，　牟金善，　潘三博

(1. 上海电气风电设备有限公司, 上海 200241; 2. 上海电机学院 电气学院, 上海 201306)



分布式风电对配电网电压的影响

禹华军1，牟金善1，潘三博2

(1. 上海电气风电设备有限公司, 上海 200241; 2. 上海电机学院 电气学院, 上海 201306)

摘要介绍了分布式发电和双馈型风力发电机组的相关概念，运用Digsilent Powerfactory软件搭建以单台2MW风电机组为分布式电源、结合储能系统并入的35kV配电网模型。针对不同储能系统投、切情况和风电渗透率，研究风电机组脱、并网时对电网电压的波动影响，并进行了仿真结果验证。

关键词分布式风电; 双馈风电机组; 配电网

近几年，随着我国对风力发电的大力支持，风电作为一种重要的可再生能源得到了长足的发展。目前，我国陆上风资源丰富的区域已经以大风场建设的形式得到了极大开发。大风场开发往往采用传统的集中式发电形式，即通过升压站，并入大电网，经过远距离传输后为负荷供电。这种方式造成线路损耗较大，大电网建设成本较高，同时由于这些地区往往远离负荷中心，本地消纳不足，导致出现了不同程度的限电。相比之下，一些不适宜大规模开发风电的区域，同样拥有较好的风资源，且该类区域靠近负荷，不存在消纳问题，故具有一定的发展小容量风电的先天优势，从而引起越来越多风电投资者的兴趣。这类风电一般以容量较小的分布式电源形式接入当地配电网，避免了大规模建设输电线路的成本，同时提高了供电的可靠性，因而具有较为广阔的发展前景。当前，很多风电厂家已开始微电网等相关技术的研究和应用。因此，对风力发电机组分布式接入电网技术进行研究具有重要的现实意义。

本文简单介绍了分布式发电和双馈型风力发电机组的结构及相关概念，以兆瓦级风力发电机组结合储能系统为研究对象，作为分布式电源接入35kV配电网，研究风力发电机组脱、并网时，在不同情况下对电网电压波动的影响；运用Powerfactory电网仿真软件搭建模型，对风电接入配电网的电网电压影响做了仿真分析。

1分布式发电

分布式发电(Distributed Generation, DG)是指功率在几十kW到几十MW范围内、模块式的、分布在负荷附近的清洁、环保的发电设施，能够经济、高效、可靠地发电[1]。20世纪80年代末，美国、欧洲等国纷纷开始采用DG，全球电力工业出现由传统的集中供电模式向集中和分散相结合的供电模式过渡的趋势[2]。当前，主要的分布式电源包括风力发电、太阳能光伏发电、微型燃气轮机发电、燃料电池等。相较于传统的大电网集中式发电，分布式电源一般布置在负荷附近，不需要经过高压电网远距离传输，因而降低了线路建设的成本。然而，DG由于直接接入配电网，使得电网的单向潮流模式发生了改变，故对传统电网产生了较大的影响。现有研究表明[2]，DG的接入对配电网供电的经济性和节点电压、潮流、短路电流、网络供电的可靠性等都会带来影响。因此，有必要对该问题进行研究，以更好地发挥DG的优势，提高供电网络的可靠性和控制水平。

2双馈型风力发电机组

作为一种重要的可再生能源，近年来风电得到了极大发展。目前，我国的风电开发主要采用兆瓦级风力发电机组，建设大规模风场，集中开发的方式，本质上仍为集中式发电。真正作为DG的风力发电机组一般以几kW到几十kW的小功率机组为主，其对电网的影响很小。对于大功率机组，随着风电渗透率的不断提高，不同工作状态下对电网的影响也越来越显著，尤其在小容量的配电网中，其影响更是不容忽视。

目前的兆瓦级风力发电机组主要分为直驱式风力发电机组和双馈型感应风力发电机组两种类型。由于双馈风力发电机组可以实现变速恒频运行，故可提高风能转换效率，降低由风施加到风力发电机组上的机械应力；通过对风力发电机组转子交流励磁电流的幅值、频率和相位的控制，实现了变速下的恒频运行；通过矢量变换控制还能实现输出有功和无功功率的解耦控制，提高电力系统调节的灵活性和动、静态稳定性[3]。

双馈型风力发电机组主要由风力发电机、齿轮箱、双馈感应异步发电机、变流器等组成。其中，变流器分为转子侧变流器和网侧变流器两部分，分别与发电机的转子和电网相连接。双馈型风力发电机组的基本数学模型和控制原理在文献[4-5]中均有较为详细的介绍，在此不再赘述。本文根据双馈型风力发电机组的基本结构和控制原理，利用Digsilent Powerfactory软件搭建模型并进行仿真，以实现设定的研究目标。

3分布式风电接入对配电网电压的影响

3.1DG对配电网电压影响

目前，针对DG对电网电压影响的研究在不少文献中都有论述[6-15]。文献[6]中，对分布式电源接入后引起的配电网潮流大小和方向变化进行分析，提出运用灵敏度分析的方法分析系统电压所受的影响及其程度，并讨论了分布式电源的接入位置、出力等对系统电压所带来的影响。文献[7]中对风电引起电网的电压波动和闪变进行了仿真研究，指出系统短路容量与线路电抗、电阻比等对风电场的电压波动、闪变有较大的影响，通过选取合适的并网点和电压等级、合适的线路电抗与电阻比，能够有效抑制风电引起的电压波动与闪变。文献[8]中提出利用短路比和刚性率来评估分布式电源对配电网供电电压质量的影响，并通过建模仿真，进一步分析了旋转型和逆变型分布式电源对电网电压的不同影响；主要分析了分布式电源本身的启停、发电波动对电网电压的影响和分布式电源接入后对配电网电压波动的作用。文献[9]中针对电网静态电压稳定性与DG穿透功率的关系进行了研究，将DG接入线路的外网进行戴维南等值，得到含DG电网的两节点简化模型，进而推导电网负荷节点电压与DG渗透率的解析表达。

(1) 电压波动与线路端有功和无功功率的关系。根据输电线路潮流分布，输电线路两端的电压差可表示为

(1)

式中，P、Q、UN分别为注入系统的有功功率、吸收的无功功率和额定电压；R、X分别为线路的电阻和电抗。由于风力发电机组并网线路较短，两端电压相角差不大，故一般忽略式(1)中的虚部分量，可得

(2)

对式(2)的两边同时求微分，可得电压降落变化量为

(3)

由式(3)可知，线路端注入的有功和无功功率的变化会引起电压的波动。同时，线路中的电阻和电抗也同样对电压波动有重要影响。由于实际线路中，系统等值电抗在电抗中占有相当大的比重，而系统等值电抗与短路容量成反比，故可知，当系统电源等值阻抗越小时，短路容量越大，由风力发电机组引起的电网电压波动就越小。

(2) DG渗透率对配电网电压波动的影响。根据文献[9-10]中提出的外网线路等值方法，本文建立了DG的等值电网模型与等效电路如图1所示。图1(a)为将线路k1以外的局部网络进行戴维角等值的模型。其中，Ek、θk分别为等值电源的幅值和相位角。

图1　分布式发电并网外网等值模型及等效电路Fig.1　Equivalent model and equivalent circuit of network for distributed generation integration

图1(b)中，θ为等效电路等值电源的相位角，DG注入电网的功率为PDG+jQDG，负荷功率为Pl+jQl，Ek<θk和Rk+jXk为等值电源和等效阻抗，常规电源注入的功率为Pg+jQg，Zt=Rt+jXt=(Rk+Rkl)+j(Xk+Xkl)为外网等效阻抗和线路阻抗之和；Pt和Qt为网络损耗的有功和无功功率，负荷节点电压Ul<0设为参考电压。常规电源所发出的复功率可表示为

Sg=(Ek<θ)I*=|Ek|(cosθ+jsinθ)×

(4)

其有功和无功功率分别为

|Ul|(Xtsinθ-Rtcosθ)]

(5)

|Ul|(Rtsinθ+Xtcosθ)]

(6)

外网阻抗和线路消耗的有功和无功功率分别为

Pt=(|Ek|2-2|Ek||U1|cosθ+

(7)

Qt=(|Ek|2-2|Ek||U1|cosθ+

(8)

通常情况下，由于分布式电源在单位功率因数下运行，故QDG=0。负荷节点设为恒定功率因数，即Ql=klPl，其中kl为功率因数正切值。可得系统的功率平衡方程：

(9)

将式(5)～(8)代入式(9)，整理后可得到：

(10)

由式(10)可知，分布式电源的输出功率直接影响了并网点的电压Ul。文献[11]中定义了DG的渗透率为DG总容量与系统总负荷之比，设为ηP，则由式(10)可得，DG并网点电压与渗透率的关系为

(11)

求解上述方程得到Ul与ηP的解析表达式为

(12)

式中，

A=RtPl+XtQl=RtPl+XtklQl

B=XtPl-RtQl=XtPl-RtklPl

3.2建模仿真

本文采用Powerfactory软件建立风力发电机组结合储能系统接入35kV电网的模型；同时，结合已有的结论，研究在配合储能系统投切情况下，风力发电机组的脱、并网对系统电压的影响，以及在不同电网短路容量下的影响。分布式风电并网模型结构如图2所示。

图2　分布式风电并网结构图Fig.2　Structure of distributed wind power

模型中，假定外部电网为35kV配电网，短路容量为500MV·A。风力发电机组额定功率为 2MW，通过容量为2.2MV·A的变压器Tr1连接到35kV母线MV2上。容量为1MW的储能系统通过变压器Tr2同样连接到母线MV2上。同时，MV2母线上还带有负载L1，假定该负载的有功功率为15MW，功率因数为0.98，各线路参数采用默认值。

假定风力发电机组工作在额定工况下，运行潮流计算命令，可计算得到系统的潮流分布如图3所示。由图可见，根据软件的仿真计算，可以清楚地了解各线路的潮流分布情况，从而为进一步规划电网建设、监控电网运行状态等研究提供便利条件。同时，在仿真时运行模型的潮流计算，能够发现搭建时存在的错误，可对模型的正确性进行初步判断。本文利用图2的仿真模型，设定风力发电机组在5s时脱网，15s时重新并网，仿真时间为30s，针对不同的情况，研究配电网电压的波动情况。

图3　潮流分布Fig.3　Flow distribution

(1) 储能系统对电网电压波动影响。保持储能系统为切出电网状态，仿真得到母线MV2电压的波动情况如图4所示。

图4　储能系统切出时MV2电压的波动情况Fig.4　MV2 voltage fluctuations without energy storage system

由图可见，MV2电压的最高值为37.05kV，最低值为31.82kV，可见风力发电机组的脱、并网对电网电压产生了较大影响。

保持储能系统为并入电网状态，仿真得到母线MV2电压的波动情况如图5所示。

图5　储能系统切入时MV2电压的波动情况Fig.5　MV2 voltage fluctuations with energy storage system

由图可见，MV2电压的最高值为35.57kV，最低值为31.92kV。比较图4、5可知，在相同的电网参数和负荷情况下，储能系统的切入能够在一定程度上减小风力发电机组脱、并网时对接入点处电压波动的影响。

(2)ηP对电网电压波动的影响。修改负荷L1的有功功率为150MW，同时，修改外部电网的额定容量为160MW，此时分布式风电的渗透率较低。保持储能系统为切出电网状态，仿真得到MV2电压的波动情况如图6所示。

图6　储能系统切出，低渗透率下MV2电压的波动情况Fig.6　MV2 voltage fluctuations without energy storage system in low permeability

由图可见，此时MV2母线电压最高值为35.30kV，最低值为34.17kV。与负荷L1的有功功率为15MW时的MV2电压波动曲线(见图5)相比，风力发电机组并网点出的电压波动幅度有所减少，可见，在储能系统切出的情况下，降低渗透率可使风力发电机组并网点的电压波动明显降低。

保持储能系统为并入电网状态，仿真得到MV2母线的电压波动情况如图7所示。

图7　储能系统切入时，低渗透率下MV2电压的波动情况Fig.7　MV2 voltage fluctuations with energy storage system in low permeability

由图可见，此时MV2母线电压最高值为35.12kV，最低值为34.19kV。与负荷L1的有功功率为15MW时的MV2电压波动曲线(见图6)相比，风力发电机组并网点的电压波动幅度有所减少，可见，在储能系统切入的情况下，降低渗透率可使风力发电机组并网点的电压波动明显降低。

同时，比较图6、7可见，在分布式风电渗透率较低的情况下，储能系统的切入有助于减小电压的波动。

4结语

本文介绍了分布式发电以及双馈型感应风力发电机组的相关概念，利用Digsilent Powerfactory软件搭建了简单的电网模型，对单台2MW风电力发电机组配合储能系统接入35kV配电网进行了仿真。在不同条件下，对电网电压波动的影响因素进行了对比研究，结果表明：

(1) 大功率风力发电机组脱、并网时对电网电压的波动有较为明显的影响，并入储能系统后，能在一定程度上减弱这种影响，缩小电压的波动范围。可见，并入储能系统可以有效抑制电网电压的波动。

(2) 在不同风电渗透率下，电网电压的波动不同。风电渗透率越高，对电压波动的影响也越明显；反之，电压波动越小。因此，对风电渗透率的临界值进行研究具有实际意义，从而能够最大程度地利用风能，保证电网的安全稳定运行。

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收稿日期：2016-04-24

基金项目：上海市教育委员会科研创新项目资助(14YZ160)

作者简介：禹华军(1977-)，男，高级工程师，博士，主要研究方向电力电子与电力传动， E-mail: yuhj@shanghai-electric.com

文章编号2095-0020(2016)03-0176-06

中图分类号TM 712.2

文献标识码A

Distributed Wind Power on Distribution Network Voltage

YUHuajun1，MOUJinshan1，PANSanbo2

(1. Shanghai Electric Wind Power Group, Shanghai 200241, China；2. School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

AbstractThis paper introduces relative concepts of distributed generation and doubly fed wind generator. A 35kV distribution network model is built, distributing power with a single 2MW wind turbines combining genergy storage system using a software named Digsilent Powerfactory. Influence of fluctuation on the grid voltage due to connection and disconnection of wind turbines is studied for different energy storage systems and different penetration of wind power. The results are verified by simulation.

Keywordsdistributed wind power; double-fed wind turbine; distribution network