【正文】 nt after the injection of distributed generation. Keywords:Distributed Generation。 畢 業(yè) 論 文 題目 分布式電源對縣級配電網(wǎng)電壓水平影響的研究 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學 院： 電氣工程學院 年 級： 學習形式： 學 號： 論文作者： 指導教師 職 稱： 完成時間： I 摘 要 現(xiàn)行分布式發(fā)電常與配電網(wǎng)并網(wǎng)運行 ,研究其并網(wǎng)對原有配電系統(tǒng)的影響有助于其安全、可靠、高效的并網(wǎng)。因此對其并網(wǎng)后對系統(tǒng)電壓的影響研究就顯得非常重要。同時現(xiàn)代電器的多樣化使得電網(wǎng)負荷變化率增大 ,導致原有電網(wǎng)的利用率下降； 對于互聯(lián)大電網(wǎng)系統(tǒng) ,局部事故極易擴散 ,對系統(tǒng)安全穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴重威脅； 大電網(wǎng)系統(tǒng)對資源需求大 ,對環(huán)境影響大 ,在當今能源緊缺、環(huán)境污染嚴重的全球大環(huán)境下 ,如何有效使用能源 ,保護環(huán)境 ,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展以成為電力系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一 [1 16]。分布式電源的規(guī)模一般不大，與公共電網(wǎng)相 第 2 頁 對獨立。其技術與大電網(wǎng)相比有其獨特的優(yōu)勢，能夠在提高經(jīng)濟效益的同時，減少土地占用，而且還具有良好的環(huán)保性能，另外分布式供電可以作為備用發(fā)電、遠程或者獨立發(fā)電。 (1)按所用發(fā)電能源：按發(fā)電能源可將分布式發(fā)電技術分為兩類 :一類為利用可再生能源的 DG,主要包括太陽能光伏、風能、地熱能、海洋能等發(fā)電形式 。若 DG 是旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機 ,直接發(fā)出工頻交流電則可直接并網(wǎng) ,例如小型燃氣輪機組發(fā)電、地熱發(fā)電、水力發(fā)電、太陽能發(fā)電等都是旋轉(zhuǎn)型發(fā)電機形式 。但是就目前而言，總體上縣域配電網(wǎng)絡仍然存在以下問題： (1)電源點不足且分布不合理，導致供電半徑大。線徑小，設備運行年限長，自動化程度低，特殊天氣故障率高。目前，縣級城區(qū)供電線路交叉較多，供電范圍不能分片、分區(qū)供電。無功補償方面，在城區(qū)無論是 10kV線路或是低壓線路，無功補償都較少，另外自動投切型無功補償裝置尚未被廣泛應用，因而系統(tǒng)功率因數(shù)相對較低，對城區(qū)電網(wǎng)的經(jīng)濟運行造成嚴重影響。我國隨著發(fā)電側(cè)競爭機制的建立、“西氣東送”工程的實施等 ,也為分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展提供了機遇 [1]。 文獻 [19]提 出利用短路比和剛性率來評估分布式電源對配網(wǎng)供電電壓質(zhì)量影響的方法 ,具體分析旋轉(zhuǎn)型分布式電源和逆變型分布式電源對系統(tǒng)供電電壓的不同影響。 文獻 [21]概述了關于 DG 并網(wǎng)后對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響。 第 6 頁 2 分布式發(fā)電對縣級配電網(wǎng)的電壓影響 分布式發(fā)電與配電網(wǎng)并網(wǎng)運行會使原有網(wǎng)絡的運行特性發(fā)生改變。 (1)并網(wǎng)后的穩(wěn)態(tài)運行分析與控制 分布式發(fā)電并網(wǎng)相當于多個有限容量電源與近似于無窮大電源并網(wǎng)運行 ,配電網(wǎng) (本文主要研究分布式發(fā)電并入配電網(wǎng)的情況 )結(jié)構(gòu)和運行方式都會發(fā)生改變。電力電子技術的發(fā)展促進了 SVC、STATCOM、 SSSC 等控制器的應用 ,如何綜合運用這些控制器協(xié)調(diào)地區(qū)電網(wǎng)各電壓等級的無功電壓分布需要進行研究 ,并針對分布 式電源的隨機動態(tài)特性和分相、三相混合控制模式 ,建立地區(qū)電網(wǎng)的無功優(yōu)化和電壓控制模型與分析方法 [4]。 4)分布式發(fā)電并網(wǎng)后原有電網(wǎng)具備了潮流優(yōu)化的條件 ,通過對網(wǎng)絡進行合理規(guī)劃 ,可以有效減少其他能源消耗 ,降低發(fā)電成本和損耗。 2)分布式電源的控制能力較地區(qū)電網(wǎng)弱 ,勵磁調(diào)節(jié)范圍小 ,當達到其控制極限時 ,相當于勵磁系統(tǒng)失去調(diào)節(jié)能力。地區(qū)電網(wǎng)發(fā)生故障時 ,若分布式發(fā)電容量或接入點位置不合理 ,會使地區(qū)電網(wǎng)的可靠性降低。 第 8 頁 (6)無功優(yōu)化 分布式電源并網(wǎng)后會吸收或發(fā)出無功功率 ,從而使原有電網(wǎng)中電壓和無功的分布復雜化 ,對無功和電壓控制也較原有網(wǎng)絡要求更高。而且完全由用戶本身承擔失電損失是不合理的 ,應確定失電損失的分攤對象、定量計算各對象分攤的失電損失。(3)分布式發(fā)電系統(tǒng)與地區(qū)電網(wǎng)并聯(lián)運行 ,但不向地區(qū)電網(wǎng)輸送 電能 。分布式發(fā)電的接入對配電網(wǎng)的供電經(jīng)濟性和節(jié)點電壓、潮流、短路電流、網(wǎng)絡供電可靠性等都會帶來影響。線路負荷的變化會使得線路電壓發(fā)生改變 ,越接近線路末端 ,這種改變越大。本文的負荷設為恒功率模式。2)分布式發(fā)電的輸出突然變化 。2)分布式發(fā)電經(jīng)基于電力電子技術的逆變器接 入配電網(wǎng)。② 分布式電源出力仍然小于系統(tǒng)負荷總量 ,但并非所有負荷節(jié)點的負荷量都大于分布式電源出力 ,這種情況下分布式電源的的并網(wǎng)仍可以減少系統(tǒng)總損耗 ,但有可能導致某些線路網(wǎng)損增加 。 (4)對系統(tǒng)繼電保護的影響 一般認為配電網(wǎng)中只有一個電源 ,當線路發(fā)生故障時 ,故障點的故障電流只由電源提供。當其和配網(wǎng)并網(wǎng)運行時 ,對系統(tǒng)可靠性的影響取決于控制方式及其不同分布式電源的相互協(xié)調(diào)程度。已知網(wǎng)絡末端功率 ,由網(wǎng)絡末端向首端的方向計算各支路功率損耗和功率 ,依此推算網(wǎng)絡中的線路功率分布 ,最終得到根節(jié)點注入功率 。 網(wǎng)絡層次構(gòu)造 配電網(wǎng)絡從拓撲結(jié)構(gòu)上可看 作是以電源點為根節(jié)點的樹狀結(jié)構(gòu)。圖 2l所示網(wǎng)絡中 ,支路共分為 3 層 ,即 Ll~L3,支路 9 為第一層 ,支路 10為第二層 ,支路 11 為第三層 ,因此其網(wǎng)絡層次矩陣 L為 : (2)形成節(jié)點層次矩陣 N 如上描述 ,圖 21的節(jié)點層次矩陣 N 為 : (3)形成支路層次關聯(lián)矩陣 M 支路首節(jié)點矩陣 F和支路末節(jié)點矩陣 T是為了描述網(wǎng)絡中支路與節(jié)點的連接關系而建立的。若網(wǎng)絡支路數(shù)為 b,則 M為一個 (bxb)的矩陣。支路的 電壓和功率可以利用這些信息 ,運用前推回代法計算出來。計算公式為 : 計算各個負荷節(jié)點相鄰兩次迭代電壓幅值差最大值 ,若滿足收斂條件,則停止計算 ,輸出結(jié)果。潮流程序利用 matlabm文件編制。本節(jié)選定接入分布式電源的個數(shù)為 2。 DG出力改變見表 21。然后分別改變 DG在系統(tǒng)中的接入位置 ,分析其對系統(tǒng) 電壓的影響。 DG越接近系統(tǒng)母線 ,如節(jié)點 2,對線路電壓分布的影響越小 。不同功率因數(shù)見表 23。然后運用潮流程序進行分布式電源接入配電網(wǎng)后電壓分布的計算 ,對分布式電源接入輻射型配電網(wǎng)絡前后負荷節(jié)點電壓的變化進行了初步探究。對分布式發(fā)電對配電網(wǎng)電壓的影響及其調(diào)壓問題將在第 3章詳細分析。本文的分布式電源采用同步發(fā)電機形式并網(wǎng) ,同時設其出力恒定 ,即不隨負荷的變化而變化。同步發(fā)電機運行時 ,由原動機拖動轉(zhuǎn)子以 n(r/min)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) ,定子三相繞組切割旋轉(zhuǎn)的主極恒定磁場而感應電動勢 EA、 EB、 Ec,該電動勢頻率 f為 : 式 (3l)表明 ,電機制成后 ,極對數(shù) p確定 ,則發(fā)電機電動勢頻率 f與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n成正比。 2)發(fā)電機電壓相位與電網(wǎng)電壓相位相同 。這樣 ,投入并聯(lián)的操作 ,主要是調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓大小、頻率和相位 ,即調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流以改變發(fā)電機電壓大小 ,調(diào)節(jié)原動機轉(zhuǎn)速以改變發(fā)電機電壓頻率及合問瞬間電壓的相位。調(diào)節(jié)發(fā)電機有功功 率時 ,發(fā)電機提供的無功功率會自動相應變化 ,這種變化能否滿足負載對無功功率的需求 ,則不確定 ,為此要進行一定的無功調(diào)節(jié)。 ,可以改變發(fā)電機輸出的無功功率。本文配電網(wǎng)電壓等級為 10kV。同時 ,假設負荷三相對稱 。本文研究的配網(wǎng)的電壓等級為 10KV,屬于中壓配電系統(tǒng) ,變電站的每一回10KV 出線為一條饋線 ,同一條 10KV 母線可能會引出若干條饋線。節(jié)點 i1到節(jié)點 i之間線路阻抗為 Ri+jXi,以變電所低壓母線電壓為參考電壓 ,設為 ,并假定其恒定不變。而這些影響的大小又和分布式發(fā)電的容量、接入位置和功率因數(shù)有關 ,本節(jié)將詳細分析這些影響。 圖 32 饋線模型 (1)由電力線路的電壓損耗理論 ,研究 a點電壓 式中 Ua 為節(jié)點 a 的電壓 。 節(jié)點 a 到節(jié)點 d 第 22 頁 的線路阻抗 。為電壓降 。 分布式電源接入后 ,節(jié)點 d的電壓為 由此可知 ,當分布式電源接入后 ,會使接入點的電壓升高 ,升高的值為 由上述分析式可知，分布式電源接入某個節(jié)點 d時 ,會使得接入點和接入點之前 的節(jié)點電壓升高 ,升高值為 。以下對分布式電源接入后對系統(tǒng)的網(wǎng)損做簡單分析。 由圖 33知 , 則第一部分損耗為 : 式中 Rm為 DG接入點之前的線路電阻。若接入位置一定 ,即 Rm一定時 ,分布式電源容量越大 ,系統(tǒng)網(wǎng)損越小 。當 DG的有功輸出小于負荷量時 ,增加 DG有功輸出可以減少配電網(wǎng)的網(wǎng)損 ,但隨著 DG容量的增加 ,減少程度是趨向于飽和的 。但在實際應用中 ,DG并非單純的“負 負荷” ,所以有必要建立其較完整的模型進行分析。 DG 容量分別取為總負荷的 第 25 頁 20%,40%,60%,80%,100%。 第 26 頁 圖 34 不同容量 DG 對電壓的影響 a)DG在節(jié)點 3?？梢钥闯?DG 容量在一定范圍內(nèi)時 ,DG 容量和饋線電壓升高量成正比。接入分布式電源后 ,因為減少了饋線中傳輸?shù)墓β?,同時還有分布式電源無功出力的支持 ,對負荷節(jié)點的電壓支撐是有利的。但一般要求 DG總出力要小于負荷量 ,以免破壞線路的嚴格吸收型受端網(wǎng)絡。分布式電源分別的容量分別選為系統(tǒng)總負荷的 40%、 60%、 80%。 DG的引入對線路電壓的改變形式仍同理論分析結(jié)果一致。仿真結(jié)果表明 ,總出力相同的分布式發(fā)電 ,分布在不同的位置 ,得到的電壓分布也不同。 DG接入饋線中部 ,即節(jié)點 10或 14的位置 ,局部電壓最大值在線路中部出現(xiàn)。仿真時 ,固定 DG容量和位置 ,改變 DG功率因數(shù) ,研究其對電壓的影響。功率因數(shù)超前變?yōu)闇蟮倪^程 ,也是 DG從無功負荷變化到無功電源的過程 :隨著 DG 消耗的無功功率逐漸減小 ,線路潮流減小 ,線路電壓降不斷減小 ,電壓曲線逐漸上移 ,在此過程中存在一個功率因數(shù)值 ,它使得線路的潮流最小 ,電壓降也最小 ,該值一般取決于負荷的功率因數(shù)及 DG 的功率與負荷功率的比值 [2]。但由 節(jié)可以看出 ,在實際中 ,由于配網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)多變 ,會出現(xiàn) DG 接入時 ,電壓升高越上限 。 無功補償及電壓調(diào)整方法 電力系統(tǒng)調(diào)整的主要目的是采取各種調(diào)壓手段和方法 ,在各種不同運行方式下 ,使用戶的電壓偏差負荷國家標準。因此當發(fā)電機輸出的無功功率達到上限或下限時 ,發(fā)電機機端電壓就無法再改變 ,導致調(diào)壓失敗。2）利用有載調(diào)壓變壓器調(diào)壓 。在線路合適的位置補償適量的無功功率 ,相當于減少了線路輸送的無功功率 ,從而減少線路損耗 ,提高線路電壓。目前線路中使用較多的是并聯(lián)電容器。由于負荷等的變化引起電壓的波動時 ,并聯(lián)電容器及并聯(lián)電抗器不能及時的調(diào)整電壓 ,通常采用靜止補償器。節(jié)點電壓有效值的大小對無功功率分布起決定作用。由此可見 ,無功功率對電壓水平有決定性影響 :電力系統(tǒng)中各種用電設備吸收的無功功率 ,大多數(shù)與所加電壓有關。并聯(lián)補償方式因為接線簡單、操作方便、對系統(tǒng)可靠性影響小而廣泛使用 ,因此本文運用并聯(lián)補償方式對系統(tǒng)進行調(diào)壓。它與用電設備共用一套斷路器 ,也可以獨立使用一套斷路器 ,通過控制、保護裝置與用電設備同時投切。 配電網(wǎng)中的電壓水平和有功功率損耗很大程度上取決于配電網(wǎng)中的無功功率產(chǎn)生和流向。三是在用戶低壓端 [25]。用戶低壓端無功功率補償裝置一般按照用戶無功負荷的變化自動投切補償電容器 ,可以做到不向高壓線路反送 無功功率電能。配電網(wǎng)進行無功補償時 ,主要目的是為了達到無功功率就地平衡 ,減少網(wǎng)絡中的無功損耗 ,以降低線損。由文獻 [13]知 ,由于 DG的引入 ,使得補償位置、容量計算略有不同 ,按滿足運行 電壓確定補償容量 ,則當電壓越上限時 : ,整理得 : 電壓越下限時 , 整理得 : 其中 ,Xm、 Xn分別為補償點的線路電抗 , 、 為所需補償?shù)娜萘?,、 為配電線路允許的電壓偏差上下限 ,Um、 Un分別為調(diào)壓前補償點電壓。 圖 37 DG 投入運行時的調(diào)壓 由圖 37 看出當 DG 接入后 ,部分節(jié)點電壓越上限 ,有些節(jié)點也己接近上限 ,處于危險區(qū)域。由圖 37各條補償點位于 DG接入點之前的電壓曲線 ,可以看出當補償容量相同時 ,補償點越靠近線路前端 ,調(diào)壓作用越小 ,即節(jié)點電壓降低幅度越小。設節(jié)點 n處接入一短時性負荷?？芍?,對某個節(jié)點進行一定容量的無功補償 ,可以有效的提高電壓。現(xiàn)在常將電容器與可控電抗器 TCR 配合使用 ,構(gòu)成靜止無功補償器 SVC(Static、 Var Compensation)。當 必時 ,補償器吸收無功功率 ,通過控制系統(tǒng)的合理控制 ,就能根據(jù)實際情況自動調(diào)節(jié) 無功功率 ,使無功功率滿足當前需要 ,進而達到調(diào)整電壓的目的。最后 ,利用 SVC 對分布式電源投入 和退出運行時進行調(diào)壓 ,使電壓在允許范圍內(nèi) ,證明了利用無功補償裝置可對分布式電源并網(wǎng)運行的系統(tǒng)達到較好的調(diào)壓作用。由結(jié)果得知 ,DG的接入容量、位置和運行的功率因數(shù)都會影響電壓分布。本文將無功補償裝置引入配電網(wǎng)模型 ,仿真其對 DG造成的電壓越限的電壓調(diào)節(jié)作用 ,達到了較為理想