接入风电与就地补偿电容器组的配网潮流分析

黄勃 陈永明

摘 要：随着配电网中分布式风电电源的不断增加，由于其出力的随机性，对配电网潮流分布产生较大影响。本文从异步风力发电机的基本模型出发，考虑配电网就地并联电容器组与弱环状电网拓扑结构的影响，对接入风电与电容组的配电网潮流进行计算，支撑配电网自动化系统中高级应用功能的实现。

关键词：风力发电 补偿电容 配电网 潮流计算

中图分类号：TM761.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（b）-0020-02

由于分布式风电具有环境友好、灵活配置、可持续发展的特点，目前配电网中接入的分布式风电数量不断增加[1-3]。配电网的网架结构，也从单一辐射状网络变成了多电源分布的弱环网结构，因此，传统的配电网潮流计算需要加以改进，才能支撑配电网自动化、配电网重构等高级应用功能的开发。

1 风力发电模型

1.1 PQ（V）稳态模型

异步发电机具有工作可靠、性能优良的特点，常用来作为风力发电机。异步发电机缺少电压调整功能，因此电路模型不能等价于电压恒定的PV节点。由于异步只能依靠外加电压建立旋转磁场，需要从电网中吸收无功，因此无功功率与转速、端部电压相关，采用PQ（V）模型如图1所示[4]。

由图1的可以推出异步风力发电机的出力与功率因数分别为：

其中，为风力发电机有功出力、U为配电网接入节点的电压；为异步发电机定子电抗与转子电抗之和；r为转子电阻；为激磁电抗；s为转差率；r为机械负载等效电阻。

由上式可以求出转差率s为：

当风电机周边的外界风速确定后，可以求出异步风力发电机的无功出力：

1.2 并联电容器组模型

在分布式异步发电机附近，通过就地接入并联电容器组，可以补充风力发电机消耗的无功功率，通过电容器投切的不同配置方式，确保异步风力发电机组的无功消耗可以进行就地平衡。设定并联电容器组数量为n，则风电机组端部的功率因数可以如下计算：

2 配电网络拓扑结构分析

配电网的基本拓扑结构是建立潮流计算的基础构成成分。本文采用动态创建的结构型节点数组，首先构造配电网节点结构如下。

struct node{

int Node_ID； //节点名

int Node_Father； //父节点名

double P； //节点有功负荷

double Q； // 节点无功负荷

double U； //节点电压幅值

double Angle；}； //节点电压相角

采用拓扑广度搜索算法，寻找节点之间的连接关系（如图2所示），按照节点搜索的先后顺序进入动态数组。

在程序中构建馈线结构如下。

struct line{

int line_id； //馈线编号

double R； //支路电阻

double X； //支路电抗

double P； //馈线有功

double Q；}； //馈线无功

采用补偿电流法，对具有弱环网结构的拓扑进行处理，弥补传统潮流计算方法只能适用于树状网络的缺点。具体方法是在选择某一环网节点进行开断，用开断之前的电气量参数（通常是电流或功率）模拟开短之前的配电潮流状态，如3所示。

3 接入风电与就地电容的潮流计算

3.1 改进之前的方法

传统的潮流计算方法主要是：（1）建立网络拓扑结构；（2）建立配电网各节点的等效潮流节点模型；（3）构造节点原始电压数据；（4）运用节点电压数据，求取支路上的传输电流；（5）计算从端部节点到首端节点的注入功率；（6）更新支路电压损耗，并迭代计算节点电压；（7）判断计算精度的收敛条件是否满足。

3.2 改进之后的潮流算法

由于异步风力发电机的等效模型，从传统电源的P-Q类型，转变为P-Q（V）模型。因此，在潮流计算过程中，必须增加相应的调整函数，完整的改进潮流算法如图4所示。

4 结语

由于配电网中不断增加的分布式风电电源，对配电网潮流产生较大的随机性冲击，此外，考虑到异步电机需要从外部吸收无功，建立发电机旋转磁场，因此必须在配电网接入点就地增加补偿电容。本文首先建立了风力发电的数学模型，对传统电源节点的P-Q模型进行改进，形成新的P-Q（V）模型，推导出风电机输出有功与无功功率公式。在此基础上，应用补偿电流法对弱环网进行开环分析，建立了改进的配电网潮流计算方法。该方法相对于传统的运算方法更加简洁明确，计算结果精度高且收敛速度能够满足工程应用。

参考文献

[1] 梁才浩，段獻忠.分布式发电及其对电力系统的影响[J].电力系统及其自动化，2001，25（12）：53-56.

[2] 李蓓，李兴源.分布式发电及其对配电网的影响[J].国际电力，2005，9（3）：45-49.

[3] 王守相，江兴月，王成山.含风力发电机组的配电网潮流计算[J].电网技术，2006，30（21）：42-61.

[4] Abur H Singh，Liu H，Klingensmith WN.Three phase power flow for distribution systems with dispersed generation[Z].Sevilla：14th PSCC，2002.