2022年P微网中的分布式电源与无功补偿装置配置研究 .pdf

微网中的分布式电源与无功补偿装置配置研究廉 超，陈萌(嘉兴电力局，浙江省嘉兴市314000)摘 要：本文以新能源发电的快速发展为背景，探讨了传统供电方式的不足，引入了一种新型的电网微网。重点阐述了微网中的电能质量调节装置，与分布式电源相互配合，能够更好治理配电网的电能质量问题。关键词：分布式能源；微网；无功补偿0 引言分布式电源（Distributed Generation DG）是指小规模（功率在几千瓦至几十兆瓦）、分散布置在负荷附近、可独立地输出电能的系统。其主要包括小型柴油发电机、微型燃气轮机、风力发电、光伏发电等，具有投资省、损耗低、系统可靠性高、选址容易、能源种类多等优点，将成为新世纪电力产业的重要发展方向之一1-3。研究分析表明，到2010年，新增分布式电源总容量将占新增电源总容量的 20%4。互联大电网是目前电力系统的一种主要供电方式，正在为全世界90%以上的电力负荷供电。但它也存在一些弊端，主要有：不能灵活跟踪负荷的变化。随着负荷峰谷差的不断增大，电网的负荷率正逐年下降，发电及输电设施的利用率都有下降的趋势。对于偏远地区的负荷不能进行理想的供电。分为两种情况：一种是距离现有电力系统太远，输配电系统的投资较大；另一种是由于自然条件太恶劣，现有电力系统到用户的输电线路根本无法架设或建成后会经常出现故障。大型互联电力系统中局部事故极易扩散，导致大面积的停电。我国面对能源利用效率低、环境污染严重等问题，有关方面将研究制定支持天然气热电联产、沼气开发和太阳能光伏发电等小型分布式能源系统发展的政策和措施，提高能源利用率，促进社会的可持续发展。在不久的将来，分布式能源有可能成为未来能源工业发展的主力军之一。同时，随着储能技术的大力发展，通过储能装置（如超导线圈、储能电容器、超级电容器和飞轮等）储备分布式电源多余的能量，并且结合电力系统用户对电能质量的要求，将上述技术融合在一起并加以控制就形成了一种新型的电网微网。美国 Wisconsin-Madison 大学的 R.H.Lasseter教授提出了它的概念5：微网是一个由负荷和微型电源组成的独立可控的系统，可对当地提供电能和热能。对于大电力系统，这种电网可以看成是系统中的一个可控单元，它能在短时间内反映以满足其外部输配电网络的需要；对于用户端来说，微电网可以满足他们的特定电能质量要求，并且增加供电的可靠性，降低线损，还可以利用余热增加能源利用率。1 微网中的无功补偿装置微网虽然也是分散供电形式，但它绝不是对电力系统发展初期的孤立小系统的简单回归6。微网采用了大量先进的现代电力技术，如快速的电力电子开关与先进的变流技术、高效的新型电源及多样的储能装置等。此外，微网与大电网是有机整体，可以灵活连接或者断开，其智能性和灵活性远在孤立系统之上。电网中的电压问题往往需要无功补偿装置来解决，一般采用大容量的电容器。而微网中的各个负荷和分布式电源由于容量较小，并且比较敏感，控制要求高，所以电容器已经不适用于微电网中的无功补偿应用。这里介绍采用自换相变流电路的静止无功补偿 装 置 静 止 无 功 发 生 器 SVG（Static Var Generator）。SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。图1 电压型 SVG 的电路基本结构 典型的电压型SVG 的工作原理如图1所示：以二极管构成的整流桥从交流系统吸取少量有功功率。对直流电容充电，保持电压稳定。控制器根据名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -电网无功变化情况，通过6个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功。2 遗传算法协调配置DG 与SVG 从电能质量几个指标的角度规划微网中的分布式电源和无功补偿装置，计及电压越界为约束条件，并考虑电压总谐波畸变率TDHV，建立了以系统的网络损耗最小为目标函数的规划模型。假定建厂成本因素是固定的，而我们着眼于长期运行和环境保护，把目标函数定为电力系统总的线损。2.1 目标函数分布式电源接入微电网改变了系统潮流分布，一般会减少支路的潮流流动，从而有利于减小线损，但是当其注入容量过高时，支路潮流流动反而可能增大，因而线损也有可增加。线损目标函数如下：1minmin()liifP=（1）式中iP为第 i条线路上的损耗，l为线路条数。2.2 约束条件等式约束为潮流方程。不等式约束包括：节点电压上下限，支路功率最大限制，分布式电源容量上下限，电压总谐波畸变率，即minmax.max,min,max.maxllDGDGDGTHDTHDVVVPPPPPVV（2）目前的分布式电源一般为异步发电机，由于本身没有励磁装置，主要靠电网提供的无功功率建立磁场，故不能将其视为电压幅值恒定的PV节点。为简化处理，在电力系统中将其视为PQ节点。2.3 遗传算法人工智能的优化算法，因其具有全局优化能力，能够处理复杂优化模型等特点，近年来在电力系统规划中得到了广泛应用。鉴于本文所需解决问题的复杂性，这里使用遗传算法来解决分布式电源与静止无功发生器的协调配置问题7。微网管理中心所能控制的是分布式电源提供给微网的容量，其余能量可由储能装置进行协调。而这里静止无功发生器分为装设在电源测和负荷侧。对于分布式电源端，由于国家政策规定和特定地理位置原因，一般安装位置这里可以看成是固定的。为了环保及资源利用率最大化，使分布式电源的有功输出最大化。这时通过不同种类型的分布式电源的不同运作原理，计算出其发出无功数值，以SVG为无功补偿装置，保证其运行功率因数符合系统要求，减少对系统的冲击。对于用户负荷端，架设SVG来减少电网的输电损耗，对系统进行无功优化，并且同时能够保证重要负荷的电压稳定性。总体计算步骤如下：1）输入微网原始数据；2）对于选定的节点放置分布式电源，作为求解值；3）利用 Matlab中的 GATOOL 工具产生初始种群，进行二编码，并设置迭代次数k=1；4）利用牛顿-拉夫逊法进行潮流计算；5）计算适应度函数值，并对违反约束条件的个体加罚函数项；6）进行选择、交叉和变异操作，产生新的种群；7）若满足停止条件，计算结束，输出结果；否则，令k=k+1，转入步骤 4；8）根据解出的分布式电源有功功率和机端电压计算其所发的无功功率，再和解出的该节点的无功功率做差得 SVG的容量。3 仿真分析依照图 2 建立一条10 kV 规划分布式电源的线路模型8，各参数如下：负荷节点个数n11，相邻 2 负荷节点之间电阻、电抗的有名值分别为r=0.538，x=0.4626；额定电压为10 kV，功率基值为 100MVA，电压的上下限约束分别为0.95和 1.05。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -图 3 仅含分布式电源系统电压曲线图 图 4 含 SVG 补偿的分布式电源系统电压曲线图 再假设同样线路，但分布式电源种类改变，例如风力发电机组，有功最大出力为2.5MW，但一般风力发电机一般为异步发电机，由于异步发电机本身没有励磁装置，主要靠电网提供的无功建立磁场，通常与风力发电机配套安装无功补偿装置，以保证风电机的功率因数在允许范围内变动。这里无SVG 补偿电源策略后的系统电压分布图见图5 所示；可见，在满足了风力发电机组的功率因数情况下，线路末端的电压已经越过了供电要求的下界，此时应采用负荷端补偿策略，安装无功发生器 SVG，则更有效率地提高线路末端电压，并且减少一部分线路损耗。经过以上算法计算，安装节点为节点11，容量为1.18MVar，采用了SVG补偿负荷策略后的系统电压分布图见图6 所示，可见，通过对电源端和负荷端的补偿，使得路线各节点电压均满足电能质量要求，证明了本策略的可行性。图 5 无 SVG 补偿的含风电系统电压曲线图图 6 SVG 补偿后的含风电系统电压曲线图 表 1 是各种情况的潮流计算结果，其中表明了不同情况下的线损，包括微网初始状态，安装分布式电源后状态和安装分布式电源与静止无功发生器后状态。显而易见，加入了分布式电源和无功补偿装置使得线损大大降低了。表 1 不同情况下微网中的线损计算 总负荷安装 DG 地点及容量安装 SVG 地点及容量微网线损初始状态5.5MW1.308MW安装DG 5.5MWBUS 83.36MW0.228MW安装DG 与SVG 5.5MWBUS 83.36MWBUS 80.7MW0.146MW4 结论目前国内微网方面还没有提出明确的概念，但其特点非常适用于我国国情，所以有着很大的发展空间。因其特有的电能质量要求，对新的调压补偿方法研究事在必行。本文通过对微网的分析，引入静止无功发生器与分布式电源结合调整电压，使用遗传算法解决复杂的迭代方程问题，通过对典型线路的仿真验证，在含分布式发电的微网中引入电能质量调节装置，两者相互配合，能够更好治理网络的电能质量问题。微网作为大电网的有效补充，显现了很多优点，正在引起各国的广泛关注。虽然微网进入成熟使用阶段还面临着许多问题，但相信它的未来发展前景是无可限量的。参考文献1梁有伟，胡志坚，陈允平分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述电网技术，2003，27(12)：71-762王建，李兴源，邱晓燕含有分布式发电装置的电力系统研究综述电力系统自动化，2005，29(24)：90-973Lasseter R H Microgrids and distributed generation Journal of Energy Engineering，2007，133（3）：144-1494Peng F Z Editorial Special Issue on Distributed Power Gene-ration IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(5)：1157-11585Lasseter R HMicrogrids 2001 IEEE Power Engineering Society Winter Meeting，New York，USA，2002名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -6鲁宗相，王彩霞，阂勇，等微电网研究综述电力系统自动化，2007，31（19）：100-1087陈钰.基于改进遗传算法的中低压配电网无功优化研究博士论文，山东大学，2007.8李鹏，廉超，李波涛.分布式电源并网优化配置图解方法.中国电机工程学报，2009，29（4）：91-97.作者简介：廉 超（1983-），男，黑龙江省齐齐哈尔市人，汉族，硕士，主要研究方向为电力系统分析，运行与控制。Email：。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -