计及新能源并网发电的配电网电能质量分析

王黄磊， 江涛， 吴玉玲， 王能胜

(国网安徽省电力有限公司庐江县供电公司，安徽 合肥 231500)

0 引 言

随着社会对能源需求的不断扩大和传统化石能源的不断枯竭，能源短缺和环境污染问题日趋严重，新能源发电技术获得了人们的广泛关注和重视[1]。新能源并网发电情况在配电网中越来越多，但新能源发电的出力具有间歇性和波动性等特征。而现有的配电网在其规划时一般并未考虑新能源发电的并网，导致电能质量在新能源并网发电后受到严重的影响[2]。为保证配电网运行的电能质量要求和促进新能源发电的发展，需对新能源并网发电带来的配电网电能质量影响进行深入研究。

针对新能源并网发电对配电网带来的影响，国内外学者做了一些研究工作。文献[3]对新能源光伏发电和风力发电的出力特性进行了分析，发现其具有波动性和随机性的特征。文献[4]研究发现，新能源并网发电后对配电网电压有一定的抬升作用。文献[5]分析表明，新能源光伏并网发电会造成配电网电压波动程度加重。文献[6]简要综述了新能源并网的电能质量问题，未进行深层次的理论分析和仿真计算。文献[7]在假设新能源发电出力为恒功率的前提下，对新能源并网发电后的配电网电压变化情况进行了分析。文献[8]建立了含光伏并网发电的配电网电能质量仿真模型，对并网点处的电能质量进行了计算研究，但其未考虑配电网非并网点的电能质量。

本文在对配电网电能质量影响原理和新能源风电出力特性理论分析的基础上，对新能源不同并网情况下的配电网电能质量进行了仿真分析，研究了配电网中新能源并网对电能质量的影响规律。

1 含新能源并网的配电网电能质量分析

1.1 配电网电能质量概念分析

电能质量是指电气设备正常运行所需的电气特性，电力企业向电力用户所提供的电能需满足相关的指标要求[9]。对于配电网而言，衡量电能质量的指标主要有电压偏差ΔU、电压波动d%和电压总谐波畸变率THDu。计算表达式分别为：

(1)

(2)

(3)

式中：Ux、UN分别为节点电压的实际值和额定值;Umax、Umin分别为电压方均根值曲线两相邻的电压最大值和最小值;Urms、U1rms分别为谐波电压和基波电压的有效值。

1.2 新能源并网发电后的配电网电能质量分析

为分析新能源并网发电前后的配电网电能质量，将配电网简化等效为图1所示的结构图。

图1 配电网简化等效结构图

(4)

(5)

当配电网存在新能源并网发电时，假设新能源并网节点为p，并网发电有功出力为PG，出力变化量为ΔP，等效分配到馈线k的阻抗功率为ΔPZk，则对于节点p上游的节点。节点电压Um及相邻节点的电压差ΔUm表达式为:

(6)

(7)

此时节点m的电压波动dm%为：

(8)

而对于节点p下游的节点而言，当不考虑线路无功的影响时，其节点电压Um及相邻节点的电压差ΔUm表达式为:

(9)

(10)

此时节点m的电压波动dm%为:

(11)

由以上分析可知：在无新能源并网发电或新能源出力较小时，各节点电压从前端到末端逐渐降低；而当新能源出力超过一定程度时，并网节点上游的各节点电压先降低后升高，并网节点上游的各节点电压则逐渐降低。新能源并网节点处的电压波动最大，且并网节点越靠近馈线末端，电压波动越大。

为分析新能源并网发电造成的谐波影响，可将新能源等效为谐波电流源，其中大部分由配电网主干线路流向公共系统，只有少部分流向负荷节点，且并网点越靠近系统末端，主干线路流过的谐波就越小[10]。新能源向配电网输入的谐波电流I为:

(12)

式中：IGh为新能源产生的谐波电流；Zeqsh、Zeqlh为系统侧和并网点后的等效谐波阻抗。

2 新能源风电出力特性分析

新能源风力发电主要是通过风机将风能转化为电能，新能源风力发电目前主要采用双馈风力发电机[11]。它具有最大风能追踪、变速恒频运行和出力平稳等优点，其结构图如图2所示。

风力发电机的出力Pw主要由风速v决定，两者之间的函数关系表达式为：

图2 双馈风力发电机结构图

(13)

(14)

(15)

图3 风电出力特性曲线图

式中：Pr、vr分别为风力发电机的额定功率值和额定风速大小;vci、vco为风机的切入风速和切出风速。

风力发电机的出力特性如图3表示。

根据相关统计数据分析发现，某一地区的风速大小是一个服从Weibull分布的随机变量[12]。风速v的概率密度函数f(v)的表达式为：

(16)

式中：k、c分别为Weibull分布函数形状参数和尺度参数；v0为风力发电机的位置参数。

根据式(13)和式(16)可得风力发电机出力概率密度函数f(Pw)，其表达式为：

(17)

3 配电网电能质量仿真分析

3.1 算例

本文以IEEE-33节点配电网系统为例,对电能质量进行计算分析[13]，图4为系统图，在PSCAD/EMTDC仿真环境中建立相应的仿真模型。并网的新能源为风力发电场DG，采用蒙特卡罗法对其典型日下的有功出力进行模拟。图5为模拟后获得的风电场有功出力曲线图。

图4 IEEE-33节点系统图

图5 风电场有功出力曲线图

3.2 电能质量仿真结果分析

假设并网的风电场额定出力为1 000 kW不变，在该配电网中选取合适的具有代表性的节点作为并网节点。本文选择的节点为3、10、16，分别代表该配电网的上游、中游和下游节点位置，然后分别进行配电网电压仿真计算，并选取具有代表性节点3、10、16、27来求取电压偏差、电压波动和电压总谐波畸变率的电能质量结果，如图6所示。

图6 配电网电能质量仿真计算结果

从图6的计算结果发现，新能源风电场并网后对配电网节点的电能质量有着很大的影响。电压得到抬升、波动程度增大以及谐波畸变加重，且影响的程度与风电场的并网位置有关。并网位置越靠近配电网馈线末端，并网后对电能质量的影响程度越大，而配电网节点越靠近并网位置，其电压受到的抬升作用越大，电压波动程度和电压总谐波畸变率也越大。其中新能源并网节点的电能质量受影响的程度最大。

为进一步研究新能源并网容量对电能质量的影响，在风电场并网节点固定为节点10的前提下，分别对并网容量为500 kW、1 000 kW和2 000 kW的配电网节点电压进行仿真计算，求取的电压偏差、电压波动和电压总谐波畸变率的电能质量结果，如图7所示。

图7 配电网电能质量仿真计算结果

根据图7的计算结果可知：配电网的电能质量会受到风电场并网容量大小的影响，并网容量越大，则电压被抬升越多、电压波动程度越大、电压总谐波畸变率越高，电能质量受影响的程度越大。为保证配电网的电能质量在合格范围内，需选择合适的新能源并网容量。

4 结束语

本文对新能源并网发电造成的配电网电能质量影响进行了理论分析和仿真计算。研究结果表明，新能源并网发电会使配电网节点电压得到抬升、波动程度增大、谐波畸变加重，且影响的程度与新能源并网发电的位置和容量相关。并网位置越靠近配电网馈线末端，并网发电容量越大，则配电网电能质量受到的影响程度越大。配电网节点越靠近新能源并网发电所在位置，该节点电能质量受影响的程度越大，其中新能源并网节点的电能质量受影响的程度最大。新能源并网发电对配电网电能质量有很大的影响，为保证配电网电能质量在合格范围内，需对新能源并网发电的位置及容量进行合理的规划。本文研究成果可为配电网电能质量的提高及新能源并网规划提供有效的技术指导和理论参考。