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以最大功率的分布式电源接入配网电压调节法

时间:2016-10-27来源: 作者: 点击: 73次


臧国栋1,2

(1. 长沙理工大学电气与信息工程学院  长沙  410014

2.国网山东菏泽供电公司 山东菏泽 274000

 

 :针对由分布式发电接入配网引起的低压线路稳态电压的上升的问题,提出一种对自动功率因素和电压控制自适应的调节方法,这种新型的方法将调整分布式发电机于三种可能的设置点,功率因素设置(PFref),高或低电压相应的设置(VhVl),通过自动电压/功率因素的控制算法给出不同的电压控制方法,从而达到合理改善配网电压分布的目的,同时这种方法能使分布式发电以最大功率的方式接入配电网。仿真结果证明了该方法的有效性。

关键词:分布式发电;自动功率因素控制;最大功率

Capacity of distributed power access policy-based voltage regulator

Zang Guodong1,2

(1. College of Electrical and Information Engineering Changsha University of Science&Technology  Changsha  410114  China

2. State Grid Shandong Heze Power Company, Shandong 274000, China

Abstract: For the distributed generation (DG) access distribution network caused by low line voltage rises steady problem, a kind of automatic power factor and voltage control adaptive adjustment method, this new method will adjust DG machine in three possible set point, power factor setting (PFref), high or low voltage appropriate settings (Vh, Vl), give different voltage control method by the control algorithm automatically voltage / power factor, so as to achieve a reasonable improvement the purpose of distribution voltage distribution network, at the same time this method enables distributed generation to maximum power mode access to the distribution network. Simulation results show the effectiveness of the method

Key words: Distributed generation,; automatic power factor control;maximum power


0 引言

传统大多数配电系统都是根据在任何给定时间内每个单源配电线路的电压进行规划,设计和保护的。由于分布式发电(Distributed generationDG)并网使得配网由单电源供电变成多电源供电,配电网的结构和控制方式都在进行相应的改变。一方面考虑到配网的安全可靠运行,对DG接入配网提出很多限制性的要求,如DG接入配网馈线节点的位置和容量的大小。互联的DG配电系统和传统的配电系统的性质也大有不同。通过DG的连接,配电线路的单方向功率流动的性质将会改变,可能引起功率潮流反向从而使电压升高,相应电压的调节的问题也更加复杂。另一方面从经济性角度考虑,配网电压的不稳定将会大规模停电事故,从而造成严重的经济损失。对于一个稳定的配电网来说,大电网可以平衡长期的静态电压,而对偏远地区或特殊地方中弱的配电网,有的甚至以DG作为主要的供给电源,电压的瞬态变化对配网的影响较为严重。

分布式电源电网电能质量问题如电压控制问题是影响安装大量分布式发电的一个主要因素。对此,近年来许多学者进行了相应的研究,文献[1]综合分析了分布式发电滤波控制,大大改善了含分布式电源电网的电能质量。文献[2] 考虑了了一种基于比例谐振(PR)控制的分布式发电并网控制方法,,该方法可以使并网逆变器稳定的向电网输送电能。文献[3] 提出了一种改进的免疫-粒子群算法来优化配置电网中电能质量调节装置,该算法能够将电压,功率因素控制在规定的范围内。然而文献[1-3]都是着重于从分布式发电装置,并网逆变器内部来考虑控制配网电压的稳定,并未从电网系统侧研究DG接入配网后DG直接对电网的联系与影响,如DG的位置和容量选择问题。文献[4]则提出了DG应选在负荷较为集中处来抑制过电压的产生。文献[5] 给出了一种含分布式电源的三角形负荷分布模型,得出分布式电源出力及位置变化直接影响着配电系统电压水平。由于偏远地区经常连接于长的开放式径向配电馈线,这种线路的电阻R大,X/R比值低,所以这对于弱配电网的电压调节难度加大。文献[6]中考虑电压控制继电器在并网发电的应用,但继电器触点有限,使得继电器控制器系统的灵活性收到限制。文献[7]中阐述了对各种无功功率控制模式及其相互作用。然而很少有学者研究以功率因素和电压为整体综合来研究DG接入配网后电压的调节方法。本文提出了基于功率因素和电压控制的自适应控制方法,该方法能以最大功率的接入分布式电源。

1 DG接入的配电系统原理分析

如引言所述,接入DG后改变了原先配网设计所假设的电力潮流,结果将引起电压比正常值高,还可能超过电压限值。为了控制这种电压抬升,不得不对DG容量进行严格限制才允许其接入配网。因此有时不得不削减DG的输出功率,这样将会引起可接入DG容量减少,未充分利用合适的DG位置和新可再生发电容量不足。

1是以一种传统典型的五母线径向配电馈线来进行研究。其中分布式发电接在第4个节点上,)分别表示馈线节点上的负载功率。

1. 一种典型的径向配网

Figure 1. A typical radial distribution network

径向系统电压从馈线始端到末端降低,现有的

配电网络基础上连接的DG系统将影响功率流动和电压分布。配网的参数如下表1所示。其中阻抗的单位为欧姆,Ω,功率的单位兆瓦,MW

1. 配网参数

Table 1. Distribution network parameter

Z12

Z23

Z34

0.045+j0.04

0.14+j0.12

0.28+j0.2

Z45

PLn+jQLn

PDG

0.6+j0.4

1.6+j1.2

18+j12

为了输出功率,DG必须工作在比一次变电站更高的电压等级,除非它能吸收大量的无功功率。因此DG在连接点到馈线系统的电压将升高超出一次变电站的电压。电压过高或者过低将影响用电设备的正常运行。本文所讨论的电压限制是不超过母

线标准电压的±5,符合我国的额定电压标准。以母线数(n+1)对径向系统的电压作为研究对象,其计算公式如式1所示,图2则表明了没有分布式发电接入相应馈线的电压分布。

(1)

2. 分布式发电(DG)未接入的母线电压分布

Figure 2. The distributed generation (DG) is not connected to the bus voltage distribution

首先DG接入配电网引起母线电压抬升与分布式电源的位置有关。如图3所示如果DG所有容量连接在节点4母线上,将在该连接节点上电压上升越限。图4表明了如果在节点3母线上连接DG时电压上升将略高于限制但低于连接于节点4母线上的电压抬升。从图3和图4能够明显的看出DG连接到节点母线上电压上升得最多,另外可以看到DG连接点从馈线源端向末端变化时电压升高水平将会越来越高。

3. 分布式发电接入第四节点母线的电压分布

Figure 3. Distributed Generation Access fourth node bus voltage Distribution

4. 分布式发电接入第三节点母线的电压分布

Figure 4. Distributed generation access third node voltage distribution bus

为了缓解电压的上升的矛盾,文献[6-7]提出了可以参考的几种方法。一般普遍采用的技术之一是对接入DG有所限制的运行(减少输出功率容量)。图5表明当分布式发电以50的输出功率投入运行时母线电压变化情况。在这种情况下,电压虽然上升但低于电压限制±5%。但是这种发电方式减少了它的利用率,不利于对能源的消纳。

5. 50%的功率输出DG接入第四节点母线的电压分布

Figure 5. 50% of the power output voltage distribution Distributed generation access point fourth bus

2 自动电压(AVC/功率因素控制(APFC)方法

传统基于分布式发电的同步电机控制包括APFCAVC控制,目前第二种方法已经很少采用。一种实现APFC控制的方法是在励磁系统中有一个单独的控制模块,通过自动电压调压器设置运行电压来保持发电机端电压和电流的相位角不变。DG通过调节器调整增加速度,待同步之后发电机就立即加载运行。同时转变自动电压调压器从电压控制到功率因素的同步控制,直到调节器设置的负载限制为止,其有功功率和无功功率斜率的比值是一个常数。然而,发电机的端电压不是恒定的,将随着有功功率和无功功率的变化。端电压的波动对于一个弱的配电网所造成的影响是一个需要考虑的问题,DG将被要求限制功率或者必须关闭来减小这种变化。

APFC控制仅仅适用于当配网阻抗足够低时发电机可以输出全部功率,这时线路的端电压也并无显著的变化的情况。尽管APFC控制过去经常使用,为了给系统提供一些电压支撑,允许分布式发电机在AVC控制模式下运行。这种控制策略必须通过详细的评估,因为越来越多的分布式能源接入电网会影响变压器的自动电压控制。

3 结合自动电压和功率因素混合控制(AVPFC

在现有的配网中,通过极小化/减少电压越限来增加配网的容量是一个不错的选择。图6框图中所提出的混合控制系统结合了APFC控制和AVC控制两者的优点。这种方法能够改善电压分布并且有助于DG以最大功率的方式接入。待发电机同步后,分布式发电可以进入容量恒功率因素模式(位于它的恒功率因素线上),直到母线电压超过预先设定的阀值电压。基于此APFC控制可以取代AVC控制来改变励磁并且可以在恒压电路周围移动运行点一直到母线电压越限为止。增加本地负载和降低端电压让系统的无功功率需求增加使其回到APFC控制模式,在配网的阻抗变化也会产生这样的影响。该系统控制能够在负载很多时仍满足提供电压支撑的需求。

 

6. 自动电压/功率因素混合控制同步发电机框图

Figure 6. Automatic voltage / power factor synchronous generator hybrid control block diagram

当电压到略高于励磁系统的限制电压时,系统将再次转移到AVC控制工作模式下,以保持本地电压平衡。过电压以及过电流保护应当保护分布式发电机的励磁和控制系统。当AVC控制模式运行时,APFC控制模块分开;否则不为零的功率因素误差信号将饱和内部PID控制器中的积分器。

3.1 自适应的自动电压/功率因素控制(AVPFC)的模式选择方法

这种控制方法可以用来测试2母线径向馈线的配网,如图7所示,双母线系统参数:DG功率:SDG=10.5MW,负载有功功率:PLN=4.5MW,无功功率:QLN=3.5MVARR=0.12puX=0.1pu,基准电压:10KV。自动功率因素和电压控制参数:Uh =1.04puUl=0.98 pu,功率因素:0.9(滞后)。电压是在靠近DG连接点处加以调控(例如电压V2)。图6中的控制框图决定控制选择模式。这种方法将调节分布式发电机运行于三种可能设置点:功率因素设置PFref ,高或低电压相应的设置Uh Ul。表2所示为自动电压/功率因素的控制算法,参考值是控制中的每个电压和功率因素状态的结合。为了防止误动,死区周围存在在决定阀值

 

7.双母线系统

Figure 7. The dual bus system

2. AVPFC模式选择表

Table 2. AVPFC mode selection table

 

 

V2V1

V1V2Vh

VhV1

PFPFmin

V1

PFref

PFref

PfminPFPFmax

V1

PFref

Vh

PfmaxPF

PF

PFref

Vh

当电压在允许范围内时,DGAPFC控制模式并且尝试在PFref点设置功率因素。当电压高于

Vh被检测到,在此时功率因素等于或者高于PFmin ,控制器转换到AVC控制模式并且调整V2Vh。然而,如果功率因素低于Pfmin时控制器将

运行在APFC的状态下。这种方法是为了保证系统在任何时候不会闭锁。当端电压低于V1时其逆过程将发生。当检测到电压低于V1时,在此时功率因素等于或者低于Pfmax,控制器将转换到自动电压控制模式并且调整V2V1

3.2 DG在自适应的AVC/APFC控制下的性能

分别采用APFC控制,AVC控制和AVC/APFC混合控制方法对分布式发电机加载同步后的结果如图8 (a),(b)所示。正常情况下,应保证分布式发电接入前后配网母线电压不越限。在加载的初级阶段时,本地功率需求超过分布式发电输出,在这个时间段内,AVC控制将使电压保持在1.04pu的参考电压,而无功功率和功率因素的下降,分布式发电励磁保护设备将关闭发电机。AVC/APFC控制器将使电压固定在0.98pu。低电压功率因素将引起保护设备关闭发电机,这比AVC控制模式下的时间明显减少。

 

8 . 加载分布式发电的APFC控制,AVC控制和AVPFC混合控制方法

Figure 8. Load distributed generators APFC control, AVC control and hybrid control method AVPFC

如上图所示,当AVC/APFC混合控制发电机的电压达到1.04pu时,在AVC/APFC混合控制工作下有一个电压控制开关来维持电压稳定,在这时它的工作状态与AVC控制相同。仅在APFC模式下电压持续上升超过1.05pu,此时将在电压保护将在那一点上解列DG。这种混合控制方法适用于现实系统中连接DG时不同的输出容量。

AVC/APFC混合控制的结果在图9给出。从图中可明显的看出所提的AVC/APFC混合控制能够维持在连接点处电压等级低于电压限值,而在没有AVC/APFC混合控制模式下则将超过电压限值。对于这个径向馈线系统,仅仅当其工作在DG容量减少时,APFC控制或者AVC控制才能控制电压不越限。

9. 应用图1中径向系统的AVPFC控制下电压分布

Figure 9. Under a radial system AVPFC control voltage distributionApplication Diagram

 

4 结语

本文针对分布式发电接入配网系统,为了防止其稳态电压上升越限,给出了一种结合AVC控制和APFC控制混合法。文中的仿真结果表明与AVC控制比较,在有DG接入弱配电网中,AVC/APFC混合控制法能够改善配网的电压分布,当传输功率或者本地母线电压高时与AVC控制相比将减少输入或输出无功功率。然而,配网设计者应当事先讨论关于可采纳的AVC/APFC混合控制方案,因为发电机的设置将影响配网设备处于恒定电压模式下。利用这些新的控制方法可以让分布式发电项目更好的实施下去,而且在不超过电压限制的情况下能够允许进一步增加发电机容量。

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