潘漢廣
(國電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京211000)
微電網(wǎng)組成結(jié)構(gòu)中的微電源包括2類,一類是傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機,另一類是采用電力電子裝置與大電網(wǎng)相連的電源。其中,第2類電源又分為直流電源和高頻交流電源。
由于微電網(wǎng)的電源接在用戶側(cè),且微電源多采用電力電子裝置接入,其結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)電力系統(tǒng),因此,微電網(wǎng)實際應(yīng)用中必須考慮其自身的特殊性。只有通過研究微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點及運行模式,才能進行微電網(wǎng)電能質(zhì)量的相關(guān)分析。
從微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可以看出,微電網(wǎng)具有如下特點:
(1)一般微電網(wǎng)接入大電網(wǎng)的形式為單點接入,即從配電網(wǎng)側(cè)看,微電網(wǎng)可作為可控的負(fù)荷或發(fā)電單元。這種即插即用的形式,使微電網(wǎng)中各種分布式電源得到了充分的利用,減少了分布式電源直接接入對大電網(wǎng)造成的影響,有利于電網(wǎng)的管理與運行,同時減少了大型發(fā)電廠的備用容量,也能降低輸電線路的損耗。
(2)具有并網(wǎng)模式和孤島模式2種工作模式。并網(wǎng)運行時,配電網(wǎng)、微電網(wǎng)均能供電,微電網(wǎng)能夠與配電網(wǎng)實現(xiàn)能量交換。當(dāng)電能質(zhì)量不能滿足用戶要求或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,微電網(wǎng)與主網(wǎng)隔離,運行于孤島模式。
(3)由于微電網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等發(fā)電系統(tǒng)受天氣條件影響很大,因此,需要根據(jù)實際地理條件對分布式電源的位置進行選擇,實現(xiàn)因地制宜。
微電網(wǎng)主要有4種運行模式:2種穩(wěn)態(tài)運行模式(并網(wǎng)運行、孤島運行)以及2種過渡狀態(tài)。2種過渡狀態(tài)分為正常運行下的微電網(wǎng)與主網(wǎng)解列、并列以及采用黑啟動恢復(fù)時微電網(wǎng)從停運轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)的狀態(tài)。
正常運行狀況下,微電網(wǎng)工作在并網(wǎng)模式,即與低壓配電網(wǎng)并網(wǎng)運行;當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障或不能滿足電能質(zhì)量要求時,微電網(wǎng)將與大電網(wǎng)隔離,靜態(tài)開關(guān)斷開,即微電網(wǎng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣聧u運行模式,以確保對敏感負(fù)荷和重要負(fù)荷的不間斷供電。因此,靜態(tài)開關(guān)和微電源是微電網(wǎng)的2個關(guān)鍵元件。微電網(wǎng)中每個微電源出口都具備電壓控制器和功率控制器,因此,在大電網(wǎng)出現(xiàn)問題時,各微電源在能量管理系統(tǒng)或自身控制方式下,不斷對輸出電壓進行調(diào)整,減少系統(tǒng)中形成的無功環(huán)流。當(dāng)故障消失后,微電網(wǎng)重新并入大電網(wǎng)正常運行。
微電網(wǎng)可以與大電網(wǎng)互為補充,提高電力系統(tǒng)的供電可靠性,并滿足負(fù)荷對電能質(zhì)量多樣化的需求。但是隨著微電網(wǎng)的不斷發(fā)展,微電源種類和數(shù)量也不斷增多,微電網(wǎng)本身存在的電能質(zhì)量問題不容忽視。以下將對影響微電網(wǎng)電能質(zhì)量的因素進行分析。
造成微電網(wǎng)諧波問題的主要原因分為3類:微電源電力電子接口、配電網(wǎng)的諧波滲透以及微電網(wǎng)中非線性負(fù)荷。微電網(wǎng)中大多數(shù)微電源或儲能裝置經(jīng)電力電子裝置接入配電網(wǎng),由于所采用的電力電子元件不同,可能產(chǎn)生不同的諧波。微電網(wǎng)的高滲透率也會導(dǎo)致配電網(wǎng)諧波水平上升。另外,對于已具有較高諧波水平的配電網(wǎng)來說,并網(wǎng)模式下,低壓配電網(wǎng)中的諧波會由公共連接點滲透到微電網(wǎng)中,影響微電網(wǎng)正常運行,并可能導(dǎo)致并網(wǎng)失敗。此外,微電網(wǎng)中的非線性負(fù)荷會注入大量的電流諧波,如不及時進行治理,將可能導(dǎo)致公共連接點電壓波形發(fā)生畸變。
在傳統(tǒng)電網(wǎng)中電壓波動和閃變主要歸因于負(fù)荷無功功率的波動。而在微電網(wǎng)中,除了負(fù)荷的影響,自然因素也會影響光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的出力,最終引起電壓的波動。下面分析電壓波動產(chǎn)生的機理。
圖1為微電網(wǎng)并網(wǎng)運行等效電路圖。其中,U·1為微電源的出口電壓相量,U·2為配電網(wǎng)電壓相量,Z為線路阻抗。
圖1 微電網(wǎng)并網(wǎng)運行等效電路
令R為線路電阻,X為線路電抗,P為線路傳輸?shù)挠泄β剩琎為線路傳輸?shù)臒o功功率,S為線路傳輸?shù)目傄曉诠β?,則有如下公式:
取U·2與實軸重合,其相量圖如圖2所示。
圖2 微電網(wǎng)并網(wǎng)運行電壓相量圖
從圖2可以得到:
則電網(wǎng)電壓波動為:
微電源一般距離用戶較近,且傳輸線以低壓為主(R>>X),所以又存在公式(8):
通過上述分析可知,電壓波動主要與微電源輸出的有功功率和無功功率有關(guān),又由于微電源出力主要以有功功率為主,所以微電網(wǎng)并網(wǎng)電壓波動問題主要是由微電源輸出功率波動引起的。
電壓暫降是電力系統(tǒng)電能質(zhì)量下降中最為嚴(yán)重的問題。微電網(wǎng)電壓暫降的問題主要是由微電網(wǎng)和大電網(wǎng)2個方面所導(dǎo)致。
首先,微電網(wǎng)中微電源自身啟停以及輸出電能波動,都會影響配電網(wǎng)中用戶的電壓質(zhì)量。特別是可再生能源發(fā)電的微電源,它們受自然因素影響較大,通常情況下發(fā)電量不穩(wěn)定,甚至在一些特殊情況下會出現(xiàn)頻繁啟停,此時將會對配電網(wǎng)的電壓造成沖擊,直接影響到用戶的正常用電,使用戶遭受不必要的損失。
其次,微電網(wǎng)一般距離負(fù)荷比較近,位于配電網(wǎng)的末端,極易受到配電網(wǎng)暫態(tài)及其他擾動的影響。如只有主網(wǎng)電壓嚴(yán)重失衡時,微電網(wǎng)接入主網(wǎng)的靜態(tài)開關(guān)才會斷開;若主網(wǎng)失衡程度沒有嚴(yán)重到觸發(fā)靜態(tài)開關(guān)動作,微電網(wǎng)必然受到大電網(wǎng)的影響,導(dǎo)致公共連接點處出現(xiàn)不平衡電壓。不平衡電壓出現(xiàn)時,將會降低對用戶的供電可靠性以及電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
本文主要介紹了微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點以及運行方式,并針對微電網(wǎng)中可能影響電能質(zhì)量的因素進行了深入分析,希望能對微電網(wǎng)電能質(zhì)量的研究起到參考借鑒作用。
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