分布式新能源接入暂态过电压机理及抑制方法综述

牛嘉琪

(国网内蒙古东部电力有限公司通辽供电公司,内蒙古 通辽 028100)

0 引言

分布式能源主要是分布在用户端的能源综合利用系统,包括光伏发电、光热发电和风力发电等多种形式。相对于集中式发电,分布式能源诸多优势已经凸显,如能效高、能源自足、可靠性高和环境污染小等[1-3],已经逐步成为成新型电力系统的重要组成部分。分布式储能规模相对较小,接入位置分散、灵活,分层、分区配置可实现削峰填谷、提高供电可靠性、消纳可再生能源、参与辅助服务、提供备用电源等丰富场景应用。在双碳战略目标下,分布式新能源的快速发展有力促进能源结构优化,有效减少了对传统化石能源的依赖[4-5]。

大量高渗透率的分布式新能源并网所带来的高随机性和强波动性对配电网运行控制造成较大冲击。同时,大规模新能源充电负荷的接入对配电电网供电容量、经济性和可靠性的影响也将逐步增大。当高渗透率的分布式新能源无序接入配电网系统后,直接引发配电网的功率不平衡、谐波污染和电压扰动等诸多问题,直接影响区域配电系统的供电安全,并影响着供电质量[6-7]。分布式新能源的输出功率受制于外界环境,特别是高渗透率的新能源,不确定因素尤为复杂,功率波动和电压扰动频繁;配电网结构由向下辐射的单电源结构转换为环状、网状和树状等形式的多电源结构,配网潮流随机性直接上升[8-9]。

大量文献主要围绕分布式新能源运行方法,也有文献注意到涉及接入暂态过电压问题,并重点关注产生机理、抑制策略和优化运行等方面的研究[10-11]。在产生机理方面,新能源随机变化和负荷的随机扰动极易带来复杂的暂态过电压问题,复杂程度随着分布式新能源的渗透率以及负荷接入的随机性,所以研究接入暂态过电压机理时,功率变化、工频、谐振以及故障过电压不再单一出现,而是高混淆式的复合型过电压。在抑制策略方面,首先需要理清分布式新能源接入配电系统的特点,在此基础上,梳理归纳所用过电压抑制手段[12-13],包括配网母线调节、逆变器控制、通信时延控制和多节点复合储能控制等手段,系统比对现有多种抑制手段的优缺点,需要综合考虑电压和功率的调控方式与实际需求效果之间的经济性。

笔者以分布式新能源的接入暂态过电压为主要综述对象,着重暂态过电压的产生机理,并对过电压的抑制方法以及电压的优化控制策略。暂态过电压的产生机理方面,围绕暂态过电压的来源展开,包括功率变化、不对称故障、工作频率和谐振等因素;分布式暂态过电压问题需要在电网规划及运行阶段给予重视,一般采用母线调节和逆变器控制等手段,本研究为有效地解决分布式新能源并网暂态过电压难题提供了技术参考。

1 暂态过电压机理综述

大量分布式新能源并网所带来的高随机性和强波动性将引发配电网的暂态过电压行为。分布式新能源接入电网的充电功率约为同电压等级架空线路的10～15倍,这种高渗透率的新能源及杂乱随机的负荷增加了局域配电网的电压敏感性和功率的易变性,能源和负荷的随机频繁扰动极易带来复杂的暂态过电压问题,引起配电设备故障频繁发生,大量过电压行为甚至造成主网配电系统电压失稳,引发灾难级别的电网事故。因此,有必要分析分布式新能源接入电网产生暂态过电压的机理,并总结存在的问题。

1.1 功率变化和不对称故障引起的过电压

新能源接入系统暂态过电压,较为常见的是功率变化引起的过电压和不对称故障引起的过电压[14],特别是分布式新能源,受环境的影响,功率变化复杂。对于功率变化引起的过电压,文献[14]采用了图1中的两机等值系统,详细论述了功率变化引起的3种典型故障,以及分布式新能源暂态过电压变化过程,这些故障包括直流系统闭锁故障、直流系统换相失败以及新能源近区交流侧故障;对于不对称故障引起的过电压,文献[14]分析了分布式新能源接入引发的不对称故障电压抬升因素,见图2。

图1 两机等值系统

图2 单相短线故障期刊断开点电压[14]

分布式新能源汇聚的微电网吸纳并整合多种分布式能源,采用柔性控制元件一定程度提升了微电网的稳定性。功率变化引起的分布式新能源接入过电压难题,首先需要构建分布式新能源接入过电压的数学模型能否准确描述功率变化的控制元器件端电压动态变化过程。这些参数包括新能源系统的阻抗参数、逆变器参数和控制元件参数等。减小新能源的功率调整量、减低新能源发电端的功率和调整功率变化速率可抑制功率变化引起的过电压。在不对称故障暂态过电压机理分析过程中,需要重点考虑这些控制元器件的建模,分析新能源接入过程注意多种新能源的特点,以此作为不对称故障暂态过电压的条件。

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1.2 工作频率变化引起的过电压

工频过电压是输配电工程常见的一种过电压,产生原因复杂[15-17]。对于新能源接入过程中,较长线路接入,引发电容效应和电网的运行方式突变,容易引起的工频过电压。新能源的线路接入的长度相对有限,这种方式引发的过电压持续时间相对较长,但过电压倍数相对较低,因而相对威胁不是很大;新能源交流测的单相短路或者两相不对称短路时,也会引发非故障相暂态电压,该过电压值会达到比较高的水平,从而引发直流侧的过电压问题。

分布式新能源负荷瞬间变化直接引发的工频过电压,特别是高渗透率的分布式新能源。随着渗透率的升高,新能输送功率较大时,新能源侧的电势要比母线电压高,电压支撑的效果相对提高,新能源的渗透率过高时,配电网各节点电压偏移过高,会导致电压波动过大[18],这种情况,配电节点的负荷出现瞬间变化时,特别负荷侧的甩负荷过程,系统将出现暂态过电压。

配电网的工频过电压产生机理相对复杂,分布式新能源大量接入,配电网结构由单向电源组成的向下辐射结构转为多种互动式电源供电结构[19-20]。新能源配电网这种新结构增加工频过电压的复杂程度,引发了因接入配电网过电压而导致新能源渗透率降低的问题、微电网离网瞬间过电压的问题,以及非计划孤岛状态微电网并网转离网暂态过电压问题等[21]。这些问题的解决均需要从新能源运行结构出发,充分考虑风电、太阳能和储能的特点,以及用电负荷的实际需求[22]。

1.3 谐振变化引起的过电压

新能源谐振过电压有多种来源,分布式新能源大量接入过程中,新能源本体容性元件、接入的缆线电容性元器件和线路电感元件的参数直接产生的谐振过电压,或者新能源的大量电子元器件与线路产生的谐振过电压等。分布式新能源配网解列过程形成了孤岛电网,新能源的电抗、孤网系统中大量非线性电感、孤岛电网系统的补偿电容之间引发各种形式的谐振过电压。分布式新能源配网与主网发生解列,形成孤岛电网的异步发电机可能会发生自激过电压[23]。

电磁式电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压,该过电压来源于非线性励磁电感与线路的对地电容发生的铁磁谐振。根据两者的回路参数和外界激发的差异性,可能造成分频、工频和高频等多种谐振过电压[24]。随着分布式新能源的大量引入,出现大量电压互感器并联行为,这种并联引发励磁电抗变小,且新能源接入为铁磁谐振过电压提供了大量谐波能量,当单相接地或快速合闸时易引铁磁谐振的暂态过电压问题。

单相接地故障是分布式新能源配网的谐振过电压最为常见的故障类型。特别是分布式新能源接入配电网后,大量负荷随机性接入,交流侧线路极易发生单相接地故障,分布式新能源的电抗将与系统的补偿电容产生了谐振过电压[25]。

异步发电机具有投入运行方便、迅速和可靠性高,常被用于分布式能源并入电网运行中,提升系统安全性。发电机、分布式新能源与主网脱离后形成孤岛网络,如果无功补偿足够而负荷不足,发电机会自激产生谐振过电压[23]。

谐振过电压造成的事故较多,已成为系统内普遍关注的问题,直接影响着分布式新能源的纵深发展。新能源谐振过电压持续时间相对较长,需要重点抑制。分布式新能源的系统设计,需重点优化系统设计布置,以降低谐振过电压;合理的运行策略:制定分布式新能源系统运行控制策略,减少分布式新能源对系统的谐波影响,包括新能源功率、频率控制和电压分布等;遵守相应的新能源接入要求,确保分布式新能源接入符合电力系统的规则,包括电压、频率和谐波等。

2 暂态过电压抑制方法

新能源电网已成新型电力系统中大电网的重要组成,大量的研究工作集中在高比例新能源的电压及频率的调控,以及暂态过电压抑制等方面[26-29]。分布式新能源比例日益攀升,形成的新型电力系统收纳了大量随机性用电负荷,这种发电/负荷瞬时变化,导致的暂态过电压复杂多变,需要在电网规划做好节点梳理,运行阶段采用多种手段,理清分布式新能源的有功与容量之间的关系,如图3所示[30-31],一般采用母线调节和逆变器控制等手段[32]。

图3 分布式电源的有功出力与容量的关系[30]

2.1 暂态过电压配网母线调节方法

通过调节配网母线来电压方法包括无功补偿、配电网馈线重构和有功功率削减等方式。

分布式新能源直流外送系统暂态压升可能会传递到直流送端近区,而分布式新能源高压耐受能力差,分布式新能源电压极易超过允许高压上限值,导致分布式新能源脱网事故发生,有必要在分布式新能源直流外送系统送端加装动态无功补偿装置,如图4所示,常用的无功补偿装置有静止无功补偿器、静止同步补偿器等,或者安装电容器,可以根据系统感性或容性无功变化,动态精准补偿系统所需无功[26],但受限于补偿装置的耐压能力、电流承受能力[33-34],以及电容器的容量和安装位置[35-36]等。

图4 无功补偿装置的工作原理[26]

采用重构配电网的馈线结构,并优化馈线参数,来优化配电网母线的电压性能。通过增加馈线截面积或增加新并联馈线来缓解配电网母线的过电压水平[37]。也有将配网的径向拓扑结构改为环形拓扑结构,但改变了潮流流向[38]。这些均可有效解决分布式新能源的过电压问题,会引起负载高峰时电压下降幅度,且投资成本过高。

通过削减逆变器的有功功率减小配网母线的过电压水平。采用储能设备来储存过剩的分布式新能源,可有效削减有功功率,但频繁动作增加了储能设备的磨损水平[39],在这基础上,采用光伏逆变器和常规储能设备组合,以及电容器和常规储能设备组合,以及飞轮储能和储能设备均可削减有功功率,但这些均需要协调优化无功功率补偿以及有功功率削减,来达到优化减小配网母线过电压水平[40-42]。

2.2 过电压逆变器控制方法

配电网同一母线上不同光伏逆变器的馈线阻抗差异直接导致电压偏差及功率均分偏差等问题,进而影响配网母线电压的调节[32]。采用分布式新能源的逆变器来控制配网母线过电压,主要包括分散控制及协调控制等。

在分散控制方面,采用虚拟阻抗,通过补偿光伏逆变器馈线阻抗的差异来消除电压及功率均分偏差[43-44];采用泛微网区域自治-协同控制方法来降低高渗透分布式能源并网的配电网过电压[45];或者优化下垂控制特性,通过输出光伏逆变器电压无差控制来改善电压及功率均分偏差[46],有关采用分散控制分布式新能源的逆变器来抑制配网母线过电压,方法较多。

在协调控制方面,通过优化现有电压自适应控制方法,可减小光伏逆变器间的电压及功率均分偏差,并可提高电压的瞬时响应速度及稳态控制精度[47-48];基于母线光伏逆变器的输出变量信息,采用一致性算法实现了电压的二次协调控制[49];协调控制方法需要交互通信网络信息,采用优化控制来实现分布式能源的协调运行,从而实现电压的优化及稳定[50]。

2.3 过电压分摊方法

过电压分摊方法,以分布式新能源网络电能质量的保险机制为前提,以市场为导向,是一种管理手段为驱动的方法。

通过计算分析新能源系统内各新能源发电组、母线电压及母线联络线的有功/无功与系统稳定的正负相关性,来分析暂态过电压故障原因,为配网系统的过电压分摊提供依据[51];利用新能源功率传输转移分布因子和电压灵敏度矩阵的新能源接入点倒送功率配额分配方法来抑制过电压,该法利用了功率配额分配来分摊过电压,如果分布式新能源主体功率的倒送值大于配网系统所分配配额,从而导致配电网发生过电压,则分析配网过电压程度的负载加权电压偏差,进而计算主体分摊的过电压责任[52]。分布式新能源大量接入配电系统中,系统电压的稳定运行受到接入新能源各主体的共同影响,这种影响一定程度可以等效成新能源各主体合作博弈模型,并利用该模型对过电压进行分摊,该分摊优于传统比例分摊方法,更有利于电力系统安全稳定运行[53]。

过电压分摊方法以新能源主体承担的责任量化为依据,但过电压责任依据相对薄弱,与市场、政策以及分摊方法均有关,这种方法首先明确各新能源主体需承担的过电压责任,为后续制定分布新能源分摊规则提供依据。

2.4 暂态过电压抑制方法存在的问题

新能源已经成为了新型电力系统的重要组成[54-55],大型新能源基地已司空见惯,并且新能源比例将不断攀升,高比例的新能源并网暂态过电压问题相当棘手[56-60],一直是新能源发展的技术难题。分布式高渗透率的新能源已经成为了新能源产业的重要支柱,暂态过电压问题无可避免[61-62],除了母线调节和逆变器控制这些手段外,通信时延控制[63-65]、多节点复合储能控制[65-66]等亦是重要的手段,主要问题及可能解决手段如下:

1)采用新能源母线调节,并且分散控制方法相对可靠性较高,可减少通信网络的成本,随着分布式高渗透率的发电及负载的高随机性,采用局部电压优化,难以保证母线电压质量及功率均分精度,可结合多节点复合储能控制和通信时延,进行区域自治方式进行解决[67-69]。

2)采用逆变器控制方法进行二次协调控制[70],所得母线电压功率的精度较高,且可全局优化电压及功率,但依赖通信网络,通信约束问题增加了逆变器电压控制的风险,可采用通信分层管理控制,将微电网的通信网络分解区域设备层及母线层,从而减轻通信网络。

3)实际运行中的分布式新能源相对复杂,应该根据实际情况,有的放矢选择较为合理的调控方式,如采用复合储能方式调节,则需要综合考虑复合储能的经济性与实际需求效果之间的优化,这些需要进行多目标优化。

3 展 望

1)分布式新能源高渗透率化不可避免,并网过程中带来的高随机性和强波动性已成为配电网运行重要难题,大量负荷随机性接入已经成为常态,这些均对配电电网供电容量、经济性和可靠性的影响也将逐步增大,应该根据实际情况,有的放矢选择较为合理的调控方式。

2)分布式能源生产与负荷随机接入将渗透率进一步碎片化,暂态过电压机理复杂程度进一步上升,研究暂态过电压机理时,功率变化、工频、谐振以及故障过电压将夹杂出现,需分层考虑过电压行为,从而更合理选择过电压调控方法。

3)实际运行中的分布式新能源相对复杂,需要综合考虑调控方式与实际需求效果之间的经济性优化,这种优化以市场导向的过电压分摊为原则,在这个基础上,优选母线调节、逆变器控制、通信时延控制和多节点复合储能控制等,进行组合安排,获得最佳效果的电压调控方法。