微网高渗透对电网稳定性的影响分析_张佳佳

收稿日期:2009-02-28基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)(2009C B 219701);湖南省教育厅科技项目(08C 876)作者简介:张佳佳(1973-),女,博士研究生,讲师,主要从事微电网技术研究.通讯作者:陈金富,男,博士,副教授;E -m a i l :c h e n j i n f u @m a i l .h u s t .e d u .c n第24卷第1期2009年3月电力科学与技术学报J O U R N A LO FE I E C T R I CP O WE RS C I E N C EA N DT E C H N O L O G YV o l .24N o .1M a r .2009　微网高渗透对电网稳定性的影响分析张佳佳1,2,陈金富1,范荣奇1(1.华中科技大学湖北省电力安全与高效重点实验室,湖北武汉　430074;2.湘潭大学信息工程学院,湖南湘潭　411105)摘　要:微网对电网的渗透改变了电网中能量传递的单向性,对现有电网的稳定性产生较大影响.分析不同渗透率下微网对电网电压稳定和功角稳定的影响,通过标准E P R I 36节点测试平台进行数字仿真验证,得出允许的最大渗透率,并进一步讨论了影响渗透率的主要因素,为微网中各分布式发电的最优能量匹配和提高微网并网时电网的可靠性、稳定性提供一定的理论依据.关　键　词:分布式发电;微网;渗透率;电网稳定中图分类号:T M 712 文献标识码:A 文章编号:1673-9140(2009)01-0025-05I n v e s t i g a t i o no f t h e i n f l u e n c e o f m i c r o g r i d s h i g hl a r g e p e n e t r a t i o nr a t i o s o n p o w e r n e t w o r ks t a b i l i t yZ H A N GJ i a -j i a 1,2,C H E NJ i n -f u 1,F A NR o n g -q i1(1.H u b e i E l e c t r i c P o w e r S e c u r i t y a n dH i g hE f f i c i e n c y k e yL a b ,H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,W u h a n 430074,C h i n a ;2.S c h o o l o f I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ,X i a n g t a nU n i v e r s i t y ,X i a n g t a n 411105,C h i n a )A b s t r a c t :T h e p e n e t r a t i o n o f m i c r o g r i d s m o d i f i e s t h e c h a r a c t e r o f e n e r g y f l o wd i r e c t i o n i n p o w e r s y s t e m s ,w h i c h h a s a g r e a t i m p a c t o n p o w e r n e t w o r k s s t a b i l i t y .T h e i n f l u e n c e o f t h e m i c r o g r i d s p e n e t r a t i o n r a t i o o n v o l t a g e v a r i e t y a n dp o w e r a n g l e s t a b i l i t y i s a n a l y z e d i nt h i s p a p e r .N u m e r i c a l s i m u l a t i o ni s c a r r i e do u t w i t h a n E P R I 36b u s t e s t s y s t e m ,a n d t h e a l l o w a b l e m a x i m u mp e n e t r a t i o n r a t i o i s o b t a i n e d .T h e f a c t o r s t h a t a f f e c t t h e p e n e t r a t i o n r a t i o a r e i n v e s t i g a t e d .T h e s t u d i e s i n t h i s p a p e r p r o v i d e e v i d e n c e s f o r t h e o p t i -m a l e n e r g y m a t c h i n g o f D Gi n m i c r o g r i d s a n d i m p r o v e m e n t o f t h e s t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e p o w e r s y s -t e m c o n n e c t e d m i c r o g r i d s .K e y w o r d s :D G ;m i c r o g r i d ;p e n e t r a t i o n r a t i o ;p o w e r n e t w o r k s t a b i l i t y 随着能源的消耗量不断增加,世界各行各业对新能源(包括可再生能源和石化能源)的开发和利用力度不断加强,作为一种有效利用这些新能源的新方式———微网也应运而生.在现代电力系统中由新能源、分布式发电、分布式储能(D S )、并网开关及相应控制系统组成的微电网将扮演着一个重要的角色[1].通过合理的控制、运行和管理,微网将会给电网和用户带来多种效益,如提高电网的可靠性、提供高质量的电能、减缓电力系统的供电压力,推迟配电网硬件的更新以及减少碳的消耗和提高经济效益等等.另一方面,微网的并网又对整个大电网各方面都提出了新的挑战,如系统的稳定性、潮流计算,能量管理系统(E M S )、继电保护及微网在孤网和并网时的运行技术控制等等.各个科研院所和各个工业行业的专家们都在投入大量的精力进行分布式发电和微网的研究.目前在美国、日本、欧洲等国家已经初步建成了研究微网运行和控制的测试平台[1～3].微网并网时,电力系统的稳定性是一个值得高度重视的重要问题.在过去的几年中,研究者已经在关于微网孤网和并网的运行和保护方面做了许多研究工作,并取得了一些成果[4].但目前对不同渗透率下微网对电网的稳定性影响分析的研究报道还较少.本文就这一问题展开一定的研究.传统的配电网中沿馈线不带集中式传统发电机,有功潮流是从集中发电单元通过馈线流向终端用户[5].然而,微网的出现改变了这种格局,电力系统由原来少量集中的发电体系向较多的分布式、分散式的发电体系转换.由于微网的功率能往配电网中渗透,不同的渗透率会给电力系统带来较大的影响,其中对电网稳定性的影响是首要考虑的问题.关于微网渗透率目前也有一些研究,如文献[5]提出了电压谐波约束下如何确定分布式发电的允许渗透率水平,文献[6]介绍了考虑电压稳定时2种不同风机(双馈电机和固定速率电机)之间渗透比例的优化技术.本文是将微网作为一个整体来考虑,研究它的渗透率对电网稳定性的影响以及最大允许的渗透率.一般,在很低的渗透率下,微网的并网对电网基本不会产生影响,因此本文着重分析在高渗透率下对电网电压和功角的稳定性的影响,同时对微网的结构和并网时的能量流向进行了讨论,通过仿真得出最大允许的渗透率,并对影响这最大允许渗透率的各种因素和下一步的研究工作进行了讨论和归纳.1　微网的特性分析1.1　微网的结构微网是一个由负载、分布式电源、分布式储能构成,能对当地负载提供电能和热能的可控制系统[7].将它作为一个整体通过一个公共联接点(P C C )与电网并网.微网可通过一个静态开关实现并网和孤网(电网故障时)2种运行方式的平滑切换.微网的典型结构如图1所示[8,9].图1　典型微网结构F i g u r e 1　T y p i c a l m i c r o g r i d a r c h i t e c t u r e图1所示,微网中含有4条馈线A ,B ,C ,D ,每条馈线上带有不同的负载.其中一些重要的或敏感性的负载要求由当地的风力发电、光伏发电和分布式储能等分布式电源及负载控制器(L C )来协调供能,如馈线A ,B ,C ,每一个发电机都相应的配有一个当地的微网控制器(M C ).负载控制器和微网控制器在微网的运行和集中控制中起重要作用.对一些传统负载可直接由电网供能如馈线D .在一些需要同时提供电和热的地方则采用热电联产供能(C H P ).1.2　微网并网时的实际能量流向分析从微网的功能特点来看,既可作为一种分布式26电力科学与技术学报 2009年3月发电和可再生能源集成化的电网,又可作为大电网的终端,因此具有功能双重性,也即是微网既可以从配电网吸收能量,也可以将能量向配电网渗透,从而改变了传统能量流向的单一性,如图1所示.当微网从配电网吸收能量时,微网对电网来说相当于是一个正常的集中负荷,可以用常规的方法进行控制和运行;而当大量微网通过配电网向电网渗透时,将会对大电网的电压和暂态稳定性产生不同程度的影响.为方便研究微网渗透率对电网的影响情况,定义微网的渗透率为λ=P m /P s .式中　P m 为微网渗透到电网的功率;P s 为电网的总功率.微网向配电网渗透的功率为P M =P m +P 所接配电网中所有负荷.式中　P M =∑P i (i =1,2,…,n ),P M 是大量微网向配电网渗透的功率,只有当P M >P 所接配电网中所有负荷时微网才能向大电网渗透;P i 是微网中各路馈线流向P C C 的功率,它与微网内各分布式电源的出力及负荷的特性有关,比如光伏系统的出力受到日照强度和季节变化的影响是时间的函数,与日照强度基本呈正比例关系,风力发电的输出功率也因风能的随机性而随时间变化.2　仿真研究2.1　算例通过改变微网的渗透率λ大小,对电网暂态稳定性和电压变化进行一系列的仿真与分析,确定渗透率对电网稳定的影响程度,并得出电网稳定性的最大允许渗透率,为微网的优化稳定运行提供理论依据.为了问题分析的简便,图2中所示的微网指的是由大量的微网及其联接的配电网所构成的集成模块,且微网向配电网注入的容量已经超过了所接配电网中负荷所需.本文中的仿真采用P S A S P 综合程序提供的E P R I 36节点测试系统,具体测试系统如图2所示.设该系统总发电量为2589.243M W,微网的渗透率初始值为0.微网连接在母线7,其它传统的发电机分别连接在母线1～6和8上,以母线1连接的发电机作为平衡机,故障为三相接地短路,设在母线30,故障时间为0.2s ,根据微网的运行特点(即当电网发生故障时便独立运行),因此在故障发生后的0.08s 将微网切除,用这样的系统来模仿一个实际的电网.在仿真测试过程中,系统的结构保持不变,发电机仿真模型采用P S A S P 中提供的经典发电机模型,保持整个电网的出力不变,将渗透率λ从0%开始不断加大,直到系统失稳.在整个仿真过程中分别对母线静态电压、动态电压和发电机相对功角进行监视.图2　E P R I 36节点测试系统,微网联接在母线7F i g u r e 2　E P R I 36t e s t s y s t e m w i t hm i c r o g r i dc o n n e c t ed t o b u s 72.2　电压稳定分析电压稳定分析的目的是为了确定电压是如何随微网渗透率的改变而变化的.在这个过程中监视重要母线电压的变化,部分节点母线电压如表1所示.表1　不同渗透率下的母线电压(k V )T a b l e 1　B u s v o l t a g e (k V )f o r v a r y i n g p e n e t r a t i o n r a t i o渗透率/%母线14母线19母线24母线330231.4976231.2605228.7120230.30923.86230.8254230.3845229.1679229.70127.336229.5068228.8938235.0987227.69507.338229.5062228.8932235.0986227.6947 根据以上数据结果表明随着渗透率的增加,母线14,19,33的静态电压是不断下降的,而母线24则随之增加(因为母线是平衡机),从这一结论可见由于微网出力是变化的这一特点使电网中的节点电压产生较大的波动,这就给电压的稳定控制带来了困难.以这些结果为基础,将λ=0%时的数据作为动态仿真的初始值.27第24卷第1期张佳佳,等:微网高渗透对电网稳定性的影响分析2.3　动态分析1)功角稳定分析.功角稳定性分析的目的是为了确定微网的渗透率对电网暂态稳定性的影响情况.微网在并网状态下,所有的设置同上所述,通过设置一个三相接地短路,以发电机1作为基准,逐步增加微网的渗透率,直到电网失稳,观测其它各发电机的功角变化过程,以判断电网的暂态稳定性情况.监视的结果如图3(a )、(b )所示,节点8的发电机在λ=7.338%时最先失稳,当λ=7.336%时,其最大功角已经接近180°,视为临界状态的渗透率.对其它发电机的过程也是类似的变化规律.因此,微网渗透率的增加对电网暂态稳定性也同样会造成较大的影响.2)动态电压稳定分析.动态电压稳定性分析的目的是为了确定在改变微网渗透率的情况下电网的电压动态稳定性.设置故障是为了判断系统恢复到原来电压水平的能力,也即是系统电压动态稳定的能力.图4中的(a )、(b )、(c )所表示的是观测在3个渗透率水平下,母线33,25,19的动态电压变化曲线.在λ=0%为稳定性非常好,系统在故障后很快得以恢复;根据功角稳定分析可知,当λ=7.338%时系统失稳;在λ=7.336%时,在故障期间,电压振荡幅度大,有些电压值已经瞬时超出了正常值范围,而且恢复的时间变长,可以认为是系统失稳的临界状态.通过测试结果得出,微网渗透率的提高,对电网的电压稳定性将产生较为严重的影响.图3　(a )和(b )表示在微网渗透率分别为0%,7.336%,7.338%下,发电机8和6的功角情况F i g u r e 3　P o w e r a n g l e v a r i e t y o f g e n e r a t o r 8a n d 6f o r p e n e t r a t i o nr a t i o o f 0%,7.336%,7.338%i n (a )a n d(b)图4　(a )、(b )和(c )表示渗透率分别在0%,7.336%,7.338%下,主要母线的动态电压变化曲线F i g u r e 4　D y n a m i c v o l t a g e o f m a i n b u s e s f o r t h e v a r y i n g p e n e t r a t i o n r a t i o s i n(a ),(b )a n d(c ) 以上的仿真分析表明,微网在高渗透率下对电网稳定性会产生不利的影响,同时,得出本文所设置的测试系统的最大容许渗透率为7.336%.3　探讨影响微网最大渗透率的因素随着对可再生能源的利用不断提高,微网对电28电力科学与技术学报 2009年3月网的渗透率会不断地提高,文献[10]指出,在未来40年中,人类可以实现100%的可再生能源供电.为了保证电网稳定运行条件下提高微网的最大渗透率,就有必要研究影响和制约最大渗透率的因素,归纳起来大约可从如下7个方面进行探讨:1)微网所接入电网所采用结构模式不同,在其它同等条件下,渗透率不同;2)微网接入配电网的位置不同,渗透率不同[11];3)最大渗透率受微网各分布式电源的容量和所处的位置的影响;4)电网的传输容量限制了微网的最大渗透率;5)电网内部的火电机组的技术特点也制约了微网可靠渗透率的提高;6)对可再生能源政策与标准的制定也是影响微网渗透率的一个很重要的因素.4　结论本文主要是从将微电网作为一个整体的角度上来分析微网对电网的渗透率的改变将会对大电网稳定性的影响.本实验所得出的最大容许渗透率是在特定的参数和模型下得出的,只适合于本文的算例,但本文中所提出的思想和分析方法是可以进行推广应用的.基于以上的研究,又比较全面地总结影响微网渗透率的主要因素,这为怎样去提高最大允许的微网渗透率提供理论依据,并进一步阐述了微网中的一些亟待解决的关键技术及下一步工作内容.这些研究为探索微网与电网之间的相互作用机理提供一定的理论支撑.微网是一种有效利用和发展新能源,改善电力系统的可靠性和安全性,缓解用电压力的新思路和新方法,因此本文的研究内容是很有意义的.为使微网得到广泛有效的应用,可从以下几方面进行深入研究:1)将微网作为一个整体考虑,如何建立它的模型.这要涉及到微网内各电源间的相互作用机理,微网与电网的作用机理等方面的内容.2)微网中的储能既是一个重要的研究内容,同时也是一个大规模应用分布式能源所必须解决的技术难题.3)微网的能量优化管理系统(M E M S)的建立.4)微网作为可控电网,它的优化运行与集中控制也是其中的关键技术.5)高渗透率下基于微型电网的分布式发电系统与大电网的并网规范及解决方案.6)大规模分布式发电独立与并网运行的电能质量控制.参考文献:[1]K r o p o s k i B,L a s s e t e r R,I s eT,e t a l.M a k i n gm i c r o g r i d s w o r k[J].I E E EP o w e r a n dE n e r g y M a g a z i n 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