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类型低压微电网中的功率传输特性.pdf

  • 上传人:weiwoduzun
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    1、2010 年 7月 电 工 技 术 学 报 Vol.25 No. 7 第 25 卷第 7 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2010 低压微电网中的功率传输特性 陈达威 朱桂萍 (清华大学电机系电力系统国家重点实验室 北京 100084) 摘要 由于微电网的电压低、容量小以及其中的大多数微电源通过电力电子装置实现组网,因此微电网中功率在电源之间以及电源和负载之间的传输与高压输电网中的功率传输特性有很大区别,需要加以特别研究。首先通过理论推导,对比分析了在中高压输电网和低压微电网中功率传输特性的区别,给出了微电网中传输线路

    2、的有功功率P和无功功率Q的解析表达式。分析结果表明,由于传输线特性不同,功率的自然分布在两种电网中存在很大的区别;并通过仿真,定量分析了线路阻抗参数变化对功率分布的影响。接着讨论了微电源联网对电压源型逆变装置输出特性的要求,包括对逆变装置的输出电压的幅值、相位和频率的控制,并给出了仿真结果。最后以线路损耗最小为目标,对微电网中功率在各分布式电源间的分配做了优化仿真。 关键词:微电网 电压型逆变器 负荷分配 中图分类号:TM74; TM727.2 Power Transmission Characteristics of Low Voltage Microgrids Chen Dawei Zhu

    3、 Guiping ( State Key Lab of Power System Tsinghua University Beijing 100084 China) Abstract As the result of low voltage, small capacity and widely use of electronic-interfaced micro-sources, the power transmission characteristics of LV microgrids are very different from those of HV grids. In this p

    4、aper, these differences are compared and analyzed, and the analytical expressions of the active power P and reactive power Q in terms of the amplitudes and power angle between two micro-sources are obtained. The results show that, due to the different characteristics of transmission lines, the natur

    5、al power distribution in two kinds of grids is very different; and quantitative analytic results are given through simulation. Then the inverter output characteristics required by micro-sources interconnecting in microgrid are discussed. Simulation results of the inverter output voltage amplitude, p

    6、hase and frequency control are given. At the end, aiming for the smallest line power loss, active power optimization among the micro-sources in the microgrid is simulated. Keywords: Mircogrid, voltage source inverter, load distribution 1 引言 由多个储能装置和分布式电源组成的小容量、低压微电网因其环境友好、建设成本低等因素已经成为大电网的有益补充,得到越来越多

    7、的重视和研究。由于微电网的电压低、容量小以及大多数分布式电源通过电力电子装置实现组网,因此微电网中功率在电源之间以及电源和负载之间的传输与高压输电网中的功率传输特性有很大区别,需要加以特别研究。 本文首先以含有多个微电源 (如光伏电源、小型燃汽轮机、燃料电池和电池储能)的微电网为例,仿真分析了微电网中的功率传输特性。 目前常见的微电源包括光伏电池、燃料电池、小型燃汽轮机等。光伏电池和燃料电池的直接输出都是低压直流,而小型燃汽轮机的直接输出则是高国家自然科学基金( 50807030)和国家重点试验室专项基金( 50823001)资助项目。 收稿日期 2009-12-01 改稿日期 2010-03

    8、-20 118 电 工 技 术 学 报 2010 年 7 月 频交流,因此要实现这些微电源的联网,必须利用功率变换装置。综合考虑常见微电源的特性及微电网的自身特点,与电流型逆变器( Current Source Inverter, CSI)相比,电压型逆变器( Voltage Source Inverter, VSI)更适用作为微电源的联网接口1。 对逆变器的控制策略要同时兼顾微电源的特性和微电网稳定运行的需求。以光伏电池为代表的可再生能源,其输出功率受自然条件的制约,不可调度,且系统的电压和频率对其基本没有影响,在理想情况下应该保持最大功率输出;小型燃汽轮机的输出时间常数较大,不能很好地响应

    9、快速的负荷变化;燃料电池适应负荷变化的能力很强,在较大的负荷变化范围( 25% 100%)内,电池效率不受影响,但是相对于微电网中负荷的快速变化也存在着时间常数较大的问题2。因此,微电网需要有大容量、响应速度快的储能装置(如电池、超级电容、飞轮等)作为平衡节点来维持系统任意瞬间的功率平衡。基于这些考虑,本文中对微电源的功率变换装置采用了两种控制策略,分别是 VSI 控制(或称基于下垂特性的 V/f 控制3)和 PQ 控制,文中给出了具体的控制框图和微电源在并网连接点处的输出特性曲线。 与传统大电网相比,微电网的特性主要有两点不同:电源的输出特性复杂。传输线的损耗明显增大,必须加以考虑。很多微电

    10、源是利用可再生能源发电的,受自然条件影响大,功率输出不稳定,而从环保和节能的角度考虑,又应该让这类电源尽量最大功率输出;以本文讨论的 220V 等级的输电线为例,目前我国配电网常用的传输线的 R/X 约为5 至几十4,远远大于 110kV 以上电压等级的传输线的 R/X(一般小于 1)5。由于这两个原因,微电网中的负荷分配的优化问题不同于传统大电网。为简单起见,本文暂不考虑各微电源的耗量特性,仅以传输线的功率损耗最小为目标对微电网中的负荷进行优化分配。 2 低压微电网中功率传输的理论推导和仿真 记图 1a 中传输线的线路等效阻抗为 Z=R+jX,则从节点 A 注入的潮流 S=P+jQ 可以表示

    11、为 112 222( cos) sinURU U UX PRX+=+( 1) 112 222( cos) sinUXU U UR QRX=+( 2) 图 1 传输线潮流图和相量图 Fig.1 Power flow through a line and phasor diagram 在计算潮流时,一般认为线路两端的功角差 很小,即满足 sin 。 对于高压架空输电线,线路电抗远大于电阻( X R) ,分析时可以忽略电阻 R,认为 R 0,则式( 1)和式( 2)可以化简为 12UUP X= ( 3) 11 2()UU UQX= ( 4) 式( 3)和式( 4)表明:高压架空线路传输的有功功率 P

    12、 主要取决于线路两端的功角差 ,而无功功率 Q 则主要取决于电压差 U1U2。直观地表现为有功潮流从电压相角超前节点流向电压相角滞后节点;无功潮流从电压幅值高的节点流向电压幅值低的节点。 对于低压配电网,所采用的输电线路电阻要远大于电抗( R X) ,表 1 给出了我国电力系统中各电压等级常用传输线的参数。 表1 典型输电线路参数4-5Tab.1 Parameters of transmission lines R/( km1) X/( km1) R/XLJ-16 1.98 0.358 5.53绝缘导线( 16mm2)2.29 0.265 8.64低压输电网电力电缆( 16mm2)2.25 0

    13、.077 29.2中压输电网 LGJ-95 0.330 0.334 0.988高压输电网 LGJ-400 0.040 0.303 0.132因此,在分析低压配电网时,可以忽略电抗 X,认为 X 0,式( 1)和式( 2)可以化简为 11 2()UU UPR= ( 5) 12UUQ R= ( 6) 可以看出:在低压配电网中,线路传输的有功功率 P 主要取决于线路两端的电压差 U1U2,而无第 25 卷第 7 期 陈达威 等 低压微电网中的功率传输特性 119 功功率 Q则主要取决于线路两端电压的相位差 6。直观地表现为有功潮流从电压幅值高的节点流向电压幅值低的节点;无功潮流则从电压相角滞后节点流

    14、向电压相角超前节点。 上述分析表明,由于传输线特性不同,功率的自然分布在高压电网和低压电网中存在很大的区别。本文以 IEEE9 节点测试系统( IEEE 9 Bus Test System)7为算例,分析线路阻抗参数的改变对系统潮流分布的影响。原始的 IEEE9 节点测试系统网络电压等级为 230kV,功率基值 100MVA,为典型的高压架空输电系统。在此基础上构造对应的低压测试系统:在保持各支路的线路阻抗 Z 的模的标幺值不变的情况下,调整其 R/X,使线路阻抗符合低压输配电系统的典型值(见表 2) ,相应地取系统电压基值为 230V,功率基值为 100kVA。因为系统电 压等级较低,因此忽

    15、略传输线的充电电容。分析表 表2 高低压系统线路参数对比 Tab.2 Parameters of HV and LV system for simulation 线路 原始线路参数7低压线路参数 起点 终点 R(pu) X(pu) R/X R(pu) X(pu) R/XBus4 Bus5 0.0170 0.0920 0.1848 0.0933 0.0074 12.62Bus6 Bus5 0.0390 0.1700 0.2294 0.1743 0.0063 27.54Bus6 Bus7 0.0119 0.1008 0.1181 0.1004 0.0146 6.882Bus8 Bus7 0.008

    16、5 0.0720 0.1181 0.0717 0.0104 6.882Bus8 Bus9 0.0320 0.1610 0.1988 0.1638 0.0108 15.22Bus4 Bus9 0.0100 0.0850 0.1176 0.0847 0.0123 6.86明,调整后的系统符合低压输配电系统的特性,以标幺值表示的潮流计算结果,与原始 IEEE9 节点测试系统的相应计算结果具有可比性。 采用基于 Matlab 的 MatPower 软件包8对原始和调整后的 IEEE9 节点测试系统进行潮流计算。计算结果见表 3表 5。 表3 电源和负荷功率 Tab.3 Power of sources

    17、 and loads 原始高压系统 低压测试系统 P/MW Q/Mvar P/kW Q/kvar 发电机输出功率 353.40 98.11 374.16 164.06 节点恒定负荷功率 350.00 175.00 350.00 175.00 节点并联负荷功率 0.00 52.10 0.00 47.30 线路充电功率(容性) 0.00 72.50 总线路损耗(容性) 3.403 47.72 24.162 36.37 有功功率传输效率 99.04% 93.54% 表4 低压测试系统支路潮流数据 Tab.4 Branch power flow of LV test system 起始节点输入功率 终

    18、端节点输入功率 线路损耗 起始节点 终端节点 P/kW Q/kvar P/kW Q/kvar P/kW Q/kvar 4 5 51.15 26.57 48.15 26.33 3.006 0.24 5 6 41.85 4.32 45.15 4.44 3.301 0.12 表5 低压测试系统节点数据 Tab.5 Node voltage and power of LV test system 节点 电压幅值 /V 电压相角 /( ) 有功负载 /kW 无功负载 /kvar 4 233.68 3.861 5 222.41 2.635 90 40 6 239.89 2.914 表 4 给出的支路 Bu

    19、s4-Bus5、 Bus5-Bus6 的潮流计算结果验证了式( 5)和式( 6)的正确性,即有功潮流从电压幅值高的节点流向电压幅值低的节点;无功潮流则从电压相角滞后节点流向电压相角超前节点。 同时,通过对比表 3 中原始高压系统和调整后的低压系统的线路损耗和发电机输出功率可以发现:与高压输电系统相比,低压微电网的传输线损耗相对较大,在进行系统功率配置优化时必须加以考虑;在高压输电系统中,架空线路的充电电容能够为系统注入一定的容性无功功率,而在低压微电120 电 工 技 术 学 报 2010 年 7 月 网中传输线充电电容非常小,因此,需要由发电机或补偿装置向系统提供更多的无功。 3 用于微电源

    20、联网的电压源型逆变器的控制策略 微电网中采用的绝大多数微电源,如微型燃汽轮机、光伏、燃料电池等,都不能直接接入交流电网,必须通过电力电子变换装置实现联网。出于微电网运行的需要,用于微电源联网的逆变器的控制策略应当满足:能够在不修改现有设备的条件下向微电网中添加新的微电源;所有微电源的工作点能够独立设定;能够独立控制各微电源输出的有功功率和无功功率;微电网能够快速响应负荷的动态变化。 为了满足这些要求,并针对各种微电源的不同特性,文献中所提出的电压型逆变器的控制策略一般分为两类: VSI 控制和 PQ 控制9-13。这两种控制方法都只基于微电源本地的电压、电流信息进行控制,能够实现微电源的即插即

    21、用,快速响应负荷的变化。 采用 PQ 控制的微电源向微电网中注入指定的有功功率和无功功率,基本不受系统中负荷变化或其他电源出力变化的影响。出于经济性考虑,光伏电池等可再生能源型电源适合于应用 PQ 控制。 采用 VSI 控制的微电源模拟同步发电机的输出特性, 在并网连接点 ( Point of Interconnection, POI)处输出的电压、频率为 n Pffk= ( 7) n QUU k= ( 8) 式中, P 和 Q 为逆变器输出的有功功率和无功功率;kP和 kQ为对应曲线的斜率; fn和 Un为输出频率和电压的理想工作点。并网连接点处输出电压电流可以形象地表示为图 2 中的下垂特

    22、性曲线。 图 2 VSI 控制的 U/f 下垂特性 Fig.2 U/f droop characteristics of VSI control 采用 VSI 控制的微电源具有平衡系统电压、频率波动以及跟踪负荷快速变化的能力。因此,在微电网内必须配置一定数量的 VSI 控制电源,且这些微电源应该具有足够的功率密度、能量密度和较小的时间常数。像燃料电池或小型燃汽轮机这类的微电源, 由于其时间常数相对于系统的暂态过程较大,一般需要配合储能装置才能作为维持系统电压、频率稳定的主要电源。 在仿真研究采用电压型逆变器拓扑的微电源的联网特性时, 可以将各种微电源用直流电压源等效。由此,具有逆变器接口的微电

    23、源并网原理图如图 3所示。由于微电源的时间常数通常很大,在系统的扰动不大或电源侧有储能装置支撑时,可以认为等效直流电压源的电压保持恒定或者变化不大。 图 3 具有逆变器接口的微电源并网结构图 Fig.3 Diagram of microsource connected with microgrid 利用 Matlab对采用 VSI控制策略的微电源进行仿真,控制框图如图 4 所示。带有本地负载的微电源在 t =0.5s 时与无限大电网断开连接,在 t =1.5s 时恢复与电网的连接。仿真结果如图 5 所示。 图 4 VSI 控制流程图 Fig.4 Flow chart of VSI contro

    24、l 图 5 所示仿真结果表明:在孤岛状态时,采用VSI 控制的微电源能够使接入点的电压幅值和频率维持在额定值附近基本不变,为微电网孤岛状态运行时其他微电源的电压和频率控制提供基准。 采用 PQ 控制策略的控制框图如图 6 所示。当系统电压幅值波动时,对采用 PQ 控制策略的微电源的输出进行仿真,仿真结果如图 7 所示。 仿真结果表明: 在系统电压发生变化时, 采用 PQ控制的微电源的输出功率维持稳定,符合设计思路。 第 25 卷第 7 期 陈达威 等 低压微电网中的功率传输特性 121 ( a)输出功率 ( b)输出电压、电流 ( c)输出频率 图 5 采用 VSI 控制的微电源的输出特性 F

    25、ig.5 Output characteristics of microsource by VSI control 图 6 PQ 控制流程图 Fig.6 Flow chart of PQ control ( a)输出功率 ( b)电网电压 图 7 采用 PQ 控制的微电源输出特性 Fig.7 Output characteristics of microsource by PQ control 4 微电网中的负荷优化分配 与高压输电网相比,低压微电网中输电线的线路电阻起主导作用,线路损耗相对较大;同时,与大电网中火电等传统发电形式占主导地位不同,微电网中新能源发电所占的比例很大,电源输出功率的

    26、波动幅度相对较大;在联网模式和孤岛模式转换过程中,整个微电网的功率分布可能会发生非常大的变化。因此,如果只考虑对各个微电源自身的输出特性进行控制,可能会导致很大的线路损耗,或在系统的运行状态发生变化时导致系统电压和频率出现很大波动。因此,为了实现微电网的可靠、经济运行,动态地对微电网负荷在各个微电源间进行全局优化分配是必不可少的。 在本文中暂不考虑各微电源的耗量特性,仅以传输线的功率损耗最小为目标对微电网中的负荷进行优化分配。 仍然以 IEEE9 节点测试系统为例,采用表 2 所示低压线路数据,电源 Gen1 为系统的平衡节点,在各个节点负荷功率不变的情况下, 改变电源 Gen2和电源 Gen

    27、3 的输出有功,基于 Matlab 仿真研究系统线路损耗随电源 Gen2 和电源 Gen3 的有功功率变化情况,仿真结果如图 8 所示。 图 8 系统损耗随电源 Gen2、 Gen3 发出有功变化的情况 Fig.8 Network loss varied with the power of Gen2 and Gen3 通过图 8 仿真结果可以看到,微电网的网损随着各电源有功出力的改变而变化,且存在极小点。当各个微电源的工作点选取不恰当时,系统虽然能够稳定工作,但是系统的线路损耗会大大的增加。因此有必要合理分配负荷,保证系统的运行成本最小。本文中采用粒子群优化算法( Particle Swarm

    28、 Optimization, PSO)14-15求系统网损的极小值。 选择 PSO 的群体规模 Psize=30, 迭代次数 40 次,由图 9 的迭代过程可知,优化结果收敛。最终计算122 电 工 技 术 学 报 2010 年 7 月 结果为 PGen2=138.4kW, PGen3=85.94kW, Ploss=21.71kW。由计算结果可见,由于低压微电网传输线的电阻较大,系统的有功线路损耗很大。因此,在低压微电网中,不但要考虑无功源的配置问题,主要有功源的位置也需要进行优化配置,即有功功率的分配也应该遵循就近原则,负荷的有功需求尽量由附近的电源满足。 图 9 PSO 迭代过程 Fig.

    29、9 Iterative process of PSO 5 结论 由于微电网的电压低、容量小以及大多数分布式电源通过电力电子装置实现组网,因此微电网中功率在电源之间以及电源和负载之间的传输与高压输电网中的功率传输特性有很大区别。在低压微电网中,有功潮流从电压幅值高的节点流向电压幅值低的节点;无功潮流则从电压相角滞后节点流向电压相角超前节点。 基于低压微电网的这些特性,同时为了保证微电网在联网和孤岛状态都能够正常运行,本文给出了 PQ 和 VSI 两种逆变器控制策略及其仿真结果,应用于微电源的联网控制。 以 IEEE9 节点测试系统为基础, 经过参数改造,得到相应的低压测试系统,用粒子群优化算法对

    30、此系统中的负荷分配进行了优化仿真。根据仿真计算和分析,微电网中有功功率的分配应该遵循就近原则,使负荷的有功需求尽量由附近的电源满足。 参考文献 1 李胜 , 张建华 , 李春叶 , 等 . 微网( Microgrid)的并网运行方式探讨 J. 太原理工大学学报 , 2009, 40 (2): 184-187. Li Sheng, Zhang Jianhua, Li Chunye, et al. A discussion on the integrated operation mode of microgriesJ. Journal of Taiyuan University of Techno

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