分布式新能源接入暫態過電壓機理及抑制方法綜述

牛嘉琪

(國網內蒙古東部電力有限公司通遼供電公司,內蒙古 通遼 028100)

0 引言

分布式能源主要是分布在用戶端的能源綜合利用系統,包括光伏發電、光熱發電和風力發電等多種形式。相對于集中式發電,分布式能源諸多優勢已經凸顯,如能效高、能源自足、可靠性高和環境污染小等[1-3],已經逐步成為成新型電力系統的重要組成部分。分布式儲能規模相對較小,接入位置分散、靈活,分層、分區配置可實現削峰填谷、提高供電可靠性、消納可再生能源、參與輔助服務、提供備用電源等豐富場景應用。在雙碳戰略目標下,分布式新能源的快速發展有力促進能源結構優化,有效減少了對傳統化石能源的依賴[4-5]。

大量高滲透率的分布式新能源并網所帶來的高隨機性和強波動性對配電網運行控制造成較大沖擊。同時,大規模新能源充電負荷的接入對配電電網供電容量、經濟性和可靠性的影響也將逐步增大。當高滲透率的分布式新能源無序接入配電網系統后,直接引發配電網的功率不平衡、諧波污染和電壓擾動等諸多問題,直接影響區域配電系統的供電安全,并影響著供電質量[6-7]。分布式新能源的輸出功率受制于外界環境,特別是高滲透率的新能源,不確定因素尤為復雜,功率波動和電壓擾動頻繁;配電網結構由向下輻射的單電源結構轉換為環狀、網狀和樹狀等形式的多電源結構,配網潮流隨機性直接上升[8-9]。

大量文獻主要圍繞分布式新能源運行方法,也有文獻注意到涉及接入暫態過電壓問題,并重點關注產生機理、抑制策略和優化運行等方面的研究[10-11]。在產生機理方面,新能源隨機變化和負荷的隨機擾動極易帶來復雜的暫態過電壓問題,復雜程度隨著分布式新能源的滲透率以及負荷接入的隨機性,所以研究接入暫態過電壓機理時,功率變化、工頻、諧振以及故障過電壓不再單一出現,而是高混淆式的復合型過電壓。在抑制策略方面,首先需要理清分布式新能源接入配電系統的特點,在此基礎上,梳理歸納所用過電壓抑制手段[12-13],包括配網母線調節、逆變器控制、通信時延控制和多節點復合儲能控制等手段,系統比對現有多種抑制手段的優缺點,需要綜合考慮電壓和功率的調控方式與實際需求效果之間的經濟性。

筆者以分布式新能源的接入暫態過電壓為主要綜述對象,著重暫態過電壓的產生機理,并對過電壓的抑制方法以及電壓的優化控制策略。暫態過電壓的產生機理方面,圍繞暫態過電壓的來源展開,包括功率變化、不對稱故障、工作頻率和諧振等因素;分布式暫態過電壓問題需要在電網規劃及運行階段給予重視,一般采用母線調節和逆變器控制等手段,本研究為有效地解決分布式新能源并網暫態過電壓難題提供了技術參考。

1 暫態過電壓機理綜述

大量分布式新能源并網所帶來的高隨機性和強波動性將引發配電網的暫態過電壓行為。分布式新能源接入電網的充電功率約為同電壓等級架空線路的10～15倍,這種高滲透率的新能源及雜亂隨機的負荷增加了局域配電網的電壓敏感性和功率的易變性,能源和負荷的隨機頻繁擾動極易帶來復雜的暫態過電壓問題,引起配電設備故障頻繁發生,大量過電壓行為甚至造成主網配電系統電壓失穩,引發災難級別的電網事故。因此,有必要分析分布式新能源接入電網產生暫態過電壓的機理,并總結存在的問題。

1.1 功率變化和不對稱故障引起的過電壓

新能源接入系統暫態過電壓,較為常見的是功率變化引起的過電壓和不對稱故障引起的過電壓[14],特別是分布式新能源,受環境的影響,功率變化復雜。對于功率變化引起的過電壓,文獻[14]采用了圖1中的兩機等值系統,詳細論述了功率變化引起的3種典型故障,以及分布式新能源暫態過電壓變化過程,這些故障包括直流系統閉鎖故障、直流系統換相失敗以及新能源近區交流側故障;對于不對稱故障引起的過電壓,文獻[14]分析了分布式新能源接入引發的不對稱故障電壓抬升因素,見圖2。

圖1 兩機等值系統

圖2 單相短線故障期刊斷開點電壓[14]

分布式新能源匯聚的微電網吸納并整合多種分布式能源,采用柔性控制元件一定程度提升了微電網的穩定性。功率變化引起的分布式新能源接入過電壓難題,首先需要構建分布式新能源接入過電壓的數學模型能否準確描述功率變化的控制元器件端電壓動態變化過程。這些參數包括新能源系統的阻抗參數、逆變器參數和控制元件參數等。減小新能源的功率調整量、減低新能源發電端的功率和調整功率變化速率可抑制功率變化引起的過電壓。在不對稱故障暫態過電壓機理分析過程中,需要重點考慮這些控制元器件的建模,分析新能源接入過程注意多種新能源的特點,以此作為不對稱故障暫態過電壓的條件。

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1.2 工作頻率變化引起的過電壓

工頻過電壓是輸配電工程常見的一種過電壓,產生原因復雜[15-17]。對于新能源接入過程中,較長線路接入,引發電容效應和電網的運行方式突變,容易引起的工頻過電壓。新能源的線路接入的長度相對有限,這種方式引發的過電壓持續時間相對較長,但過電壓倍數相對較低,因而相對威脅不是很大;新能源交流測的單相短路或者兩相不對稱短路時,也會引發非故障相暫態電壓,該過電壓值會達到比較高的水平,從而引發直流側的過電壓問題。

分布式新能源負荷瞬間變化直接引發的工頻過電壓,特別是高滲透率的分布式新能源。隨著滲透率的升高,新能輸送功率較大時,新能源側的電勢要比母線電壓高,電壓支撐的效果相對提高,新能源的滲透率過高時,配電網各節點電壓偏移過高,會導致電壓波動過大[18],這種情況,配電節點的負荷出現瞬間變化時,特別負荷側的甩負荷過程,系統將出現暫態過電壓。

配電網的工頻過電壓產生機理相對復雜,分布式新能源大量接入,配電網結構由單向電源組成的向下輻射結構轉為多種互動式電源供電結構[19-20]。新能源配電網這種新結構增加工頻過電壓的復雜程度,引發了因接入配電網過電壓而導致新能源滲透率降低的問題、微電網離網瞬間過電壓的問題,以及非計劃孤島狀態微電網并網轉離網暫態過電壓問題等[21]。這些問題的解決均需要從新能源運行結構出發,充分考慮風電、太陽能和儲能的特點,以及用電負荷的實際需求[22]。

1.3 諧振變化引起的過電壓

新能源諧振過電壓有多種來源,分布式新能源大量接入過程中,新能源本體容性元件、接入的纜線電容性元器件和線路電感元件的參數直接產生的諧振過電壓,或者新能源的大量電子元器件與線路產生的諧振過電壓等。分布式新能源配網解列過程形成了孤島電網,新能源的電抗、孤網系統中大量非線性電感、孤島電網系統的補償電容之間引發各種形式的諧振過電壓。分布式新能源配網與主網發生解列,形成孤島電網的異步發電機可能會發生自激過電壓[23]。

電磁式電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓,該過電壓來源于非線性勵磁電感與線路的對地電容發生的鐵磁諧振。根據兩者的回路參數和外界激發的差異性,可能造成分頻、工頻和高頻等多種諧振過電壓[24]。隨著分布式新能源的大量引入,出現大量電壓互感器并聯行為,這種并聯引發勵磁電抗變小,且新能源接入為鐵磁諧振過電壓提供了大量諧波能量,當單相接地或快速合閘時易引鐵磁諧振的暫態過電壓問題。

單相接地故障是分布式新能源配網的諧振過電壓最為常見的故障類型。特別是分布式新能源接入配電網后,大量負荷隨機性接入,交流側線路極易發生單相接地故障,分布式新能源的電抗將與系統的補償電容產生了諧振過電壓[25]。

異步發電機具有投入運行方便、迅速和可靠性高,常被用于分布式能源并入電網運行中,提升系統安全性。發電機、分布式新能源與主網脫離后形成孤島網絡,如果無功補償足夠而負荷不足,發電機會自激產生諧振過電壓[23]。

諧振過電壓造成的事故較多,已成為系統內普遍關注的問題,直接影響著分布式新能源的縱深發展。新能源諧振過電壓持續時間相對較長,需要重點抑制。分布式新能源的系統設計,需重點優化系統設計布置,以降低諧振過電壓;合理的運行策略:制定分布式新能源系統運行控制策略,減少分布式新能源對系統的諧波影響,包括新能源功率、頻率控制和電壓分布等;遵守相應的新能源接入要求,確保分布式新能源接入符合電力系統的規則,包括電壓、頻率和諧波等。

2 暫態過電壓抑制方法

新能源電網已成新型電力系統中大電網的重要組成,大量的研究工作集中在高比例新能源的電壓及頻率的調控,以及暫態過電壓抑制等方面[26-29]。分布式新能源比例日益攀升,形成的新型電力系統收納了大量隨機性用電負荷,這種發電/負荷瞬時變化,導致的暫態過電壓復雜多變,需要在電網規劃做好節點梳理,運行階段采用多種手段,理清分布式新能源的有功與容量之間的關系,如圖3所示[30-31],一般采用母線調節和逆變器控制等手段[32]。

圖3 分布式電源的有功出力與容量的關系[30]

2.1 暫態過電壓配網母線調節方法

通過調節配網母線來電壓方法包括無功補償、配電網饋線重構和有功功率削減等方式。

分布式新能源直流外送系統暫態壓升可能會傳遞到直流送端近區,而分布式新能源高壓耐受能力差,分布式新能源電壓極易超過允許高壓上限值,導致分布式新能源脫網事故發生,有必要在分布式新能源直流外送系統送端加裝動態無功補償裝置,如圖4所示,常用的無功補償裝置有靜止無功補償器、靜止同步補償器等,或者安裝電容器,可以根據系統感性或容性無功變化,動態精準補償系統所需無功[26],但受限于補償裝置的耐壓能力、電流承受能力[33-34],以及電容器的容量和安裝位置[35-36]等。

圖4 無功補償裝置的工作原理[26]

采用重構配電網的饋線結構,并優化饋線參數,來優化配電網母線的電壓性能。通過增加饋線截面積或增加新并聯饋線來緩解配電網母線的過電壓水平[37]。也有將配網的徑向拓撲結構改為環形拓撲結構,但改變了潮流流向[38]。這些均可有效解決分布式新能源的過電壓問題,會引起負載高峰時電壓下降幅度,且投資成本過高。

通過削減逆變器的有功功率減小配網母線的過電壓水平。采用儲能設備來儲存過剩的分布式新能源,可有效削減有功功率,但頻繁動作增加了儲能設備的磨損水平[39],在這基礎上,采用光伏逆變器和常規儲能設備組合,以及電容器和常規儲能設備組合,以及飛輪儲能和儲能設備均可削減有功功率,但這些均需要協調優化無功功率補償以及有功功率削減,來達到優化減小配網母線過電壓水平[40-42]。

2.2 過電壓逆變器控制方法

配電網同一母線上不同光伏逆變器的饋線阻抗差異直接導致電壓偏差及功率均分偏差等問題,進而影響配網母線電壓的調節[32]。采用分布式新能源的逆變器來控制配網母線過電壓,主要包括分散控制及協調控制等。

在分散控制方面,采用虛擬阻抗,通過補償光伏逆變器饋線阻抗的差異來消除電壓及功率均分偏差[43-44];采用泛微網區域自治-協同控制方法來降低高滲透分布式能源并網的配電網過電壓[45];或者優化下垂控制特性,通過輸出光伏逆變器電壓無差控制來改善電壓及功率均分偏差[46],有關采用分散控制分布式新能源的逆變器來抑制配網母線過電壓,方法較多。

在協調控制方面,通過優化現有電壓自適應控制方法,可減小光伏逆變器間的電壓及功率均分偏差,并可提高電壓的瞬時響應速度及穩態控制精度[47-48];基于母線光伏逆變器的輸出變量信息,采用一致性算法實現了電壓的二次協調控制[49];協調控制方法需要交互通信網絡信息,采用優化控制來實現分布式能源的協調運行,從而實現電壓的優化及穩定[50]。

2.3 過電壓分攤方法

過電壓分攤方法,以分布式新能源網絡電能質量的保險機制為前提,以市場為導向,是一種管理手段為驅動的方法。

通過計算分析新能源系統內各新能源發電組、母線電壓及母線聯絡線的有功/無功與系統穩定的正負相關性,來分析暫態過電壓故障原因,為配網系統的過電壓分攤提供依據[51];利用新能源功率傳輸轉移分布因子和電壓靈敏度矩陣的新能源接入點倒送功率配額分配方法來抑制過電壓,該法利用了功率配額分配來分攤過電壓,如果分布式新能源主體功率的倒送值大于配網系統所分配配額,從而導致配電網發生過電壓,則分析配網過電壓程度的負載加權電壓偏差,進而計算主體分攤的過電壓責任[52]。分布式新能源大量接入配電系統中,系統電壓的穩定運行受到接入新能源各主體的共同影響,這種影響一定程度可以等效成新能源各主體合作博弈模型,并利用該模型對過電壓進行分攤,該分攤優于傳統比例分攤方法,更有利于電力系統安全穩定運行[53]。

過電壓分攤方法以新能源主體承擔的責任量化為依據,但過電壓責任依據相對薄弱,與市場、政策以及分攤方法均有關,這種方法首先明確各新能源主體需承擔的過電壓責任,為后續制定分布新能源分攤規則提供依據。

2.4 暫態過電壓抑制方法存在的問題

新能源已經成為了新型電力系統的重要組成[54-55],大型新能源基地已司空見慣,并且新能源比例將不斷攀升,高比例的新能源并網暫態過電壓問題相當棘手[56-60],一直是新能源發展的技術難題。分布式高滲透率的新能源已經成為了新能源產業的重要支柱,暫態過電壓問題無可避免[61-62],除了母線調節和逆變器控制這些手段外,通信時延控制[63-65]、多節點復合儲能控制[65-66]等亦是重要的手段,主要問題及可能解決手段如下:

1)采用新能源母線調節,并且分散控制方法相對可靠性較高,可減少通信網絡的成本,隨著分布式高滲透率的發電及負載的高隨機性,采用局部電壓優化,難以保證母線電壓質量及功率均分精度,可結合多節點復合儲能控制和通信時延,進行區域自治方式進行解決[67-69]。

2)采用逆變器控制方法進行二次協調控制[70],所得母線電壓功率的精度較高,且可全局優化電壓及功率,但依賴通信網絡,通信約束問題增加了逆變器電壓控制的風險,可采用通信分層管理控制,將微電網的通信網絡分解區域設備層及母線層,從而減輕通信網絡。

3)實際運行中的分布式新能源相對復雜,應該根據實際情況,有的放矢選擇較為合理的調控方式,如采用復合儲能方式調節,則需要綜合考慮復合儲能的經濟性與實際需求效果之間的優化,這些需要進行多目標優化。

3 展 望

1)分布式新能源高滲透率化不可避免,并網過程中帶來的高隨機性和強波動性已成為配電網運行重要難題,大量負荷隨機性接入已經成為常態,這些均對配電電網供電容量、經濟性和可靠性的影響也將逐步增大,應該根據實際情況,有的放矢選擇較為合理的調控方式。

2)分布式能源生產與負荷隨機接入將滲透率進一步碎片化,暫態過電壓機理復雜程度進一步上升,研究暫態過電壓機理時,功率變化、工頻、諧振以及故障過電壓將夾雜出現,需分層考慮過電壓行為,從而更合理選擇過電壓調控方法。

3)實際運行中的分布式新能源相對復雜,需要綜合考慮調控方式與實際需求效果之間的經濟性優化,這種優化以市場導向的過電壓分攤為原則,在這個基礎上,優選母線調節、逆變器控制、通信時延控制和多節點復合儲能控制等,進行組合安排,獲得最佳效果的電壓調控方法。