分布式稳压电网络拓扑构建及数值仿真研究

发布时间：2016-05-11 13:42

1绪论

1.1课题研究背景
随着近些年气候变化反常及极端天气等自然灾害的频繁出现,对于环境问题的关注己渐趋全球化。许多国家已经起草空气污染立法草案以期到2020年将发电业的碳排放减少20%,而一些国家也通过了若干新法规并制订了进一步降低传统非可再生能源发电所占比例的计划⑴。在注重环境保护与低碳化的全球性主题背景下,我国的工业发展走入了战略转型的关键阶段,如未来一段时期内经济保持平稳增长,全国发电装机容量有望在2020年达到约15亿千瓦[2]。显而易见的是供电电源系统存在着比较巨大的开发潜能;而另一方面,过去的许多年里电力基础设施建设得益于自由化的进程而相对放开,化石能源及其供应安全在未来仍具有较大不确定性。因此,为了改善电源体系格局,落实节能减排以及清洁发展,可再生能源发电的研究及并网应用成为不容规避的电力技术革新之路。可再生能源发电在配电网等级的分布式渗透,能够为电力系统和用户带来多方面的收益。例如,在停电事故发生时保证用户的用电可靠性、用户电能自产自用从而降低用电成本;为电网延缓了系统网络扩充的投资,尤其是在传统集中式发输电能力相对薄弱的受电区域[3]。此外,除了具有上述的诸多运行便利及经济方面的效益,从更为长远和更高格局的角度来看,风能、太阳能等可再生能源分布式接入发电,能够有效利用分散于全国各地充裕的清洁能源,不仅减轻了对储量渐少的化石能源的依赖度,而且在环境保护与可持续发展方面也有所裨益。清洁能源被纳入发电系统有望减少碳排放,减轻环境压力,有益改善日益恶化的气候条件。提高未来电网中可再生能源发电所占份额,大量开发利用可再生能源建设分布式的智能网络以供给电能,为实现脱碳发电提供了可行的途径。
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1.2国内外研究概况
针对可再生能源和分布式发电的特点及其给电力系统运行稳定性带来的困扰,提高系统对间歇性扰动源的有效接纳能力是该课题的技术难点。国内外的研究重点放在电能存储技术方面。通过分布式储能系统的综合控制与有效调控,电力系统能够改善繁杂多样的能源资源的整合程度,稳定由可再生能源供电造成的间歇性扰动丨19]。储能装置在消除系统扰动方面的作用主要体现为:1)能量存储装置可以适时吸纳及释放风能、太阳能和其它可再生能源发电受外界因素干扰的输出功率波动,以确保电能供应的持续与可靠;2)能量存储装置的应用是提高电力系统电压和频率保真度的有效方式,改善了系统的电能质量;3)含分布式可再生能源发电的系统需要有应急电源支持等服务,一些分布式可再生能源发电由于受到外部条件因素的制约,使系统难以拟定具体的发电计划,而有了能量存储装置,就能够很合时宜地提供所需功率,无需关注扰动源在某一时刻的即时发电功率,可依旧按预先设定的计划发电[20]。综合考虑储能技术的应用,可将其归纳为:1)配置在电力供应端,稳定输出扰动,按照调度规划输出,以达到套利操作,增加可再生能源发电的可预见性,改善系统运行经济性;2)配置在电力网络侧,以达到峰谷平衡、用电跟踪、压频调控、双机热备和电能质量管理等效用,使系统的自我调节能力大幅提升;3)配置在用户端,可以运用电动汽车储能构成参与分布式可再生能源调节的虚拟电源.
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2分布式稳压拓扑结构的分析设计

2.1电压扰动分析
电力系统中的大部分工业用电负荷如各式各样的电机基本上要依据法拉第定律运行,在其运转时需要维持交变的电场与磁场,这就涉及到了能量的转换,即瞬时功率在不同的能量形式间来回交换。但是根据在电路原理中的推导,这部分未经耗损的功率会在供电点与感性或容性负载间循环往复,并不能转化为电磁能以外的能量而消耗,即不对外界做功,亦即能量在某元件及与其连接的外部系统间以周期性的等量交换(一个具体周期中功率的进出保持等量)作为存在形式,因而这种无法定义为有功功率(可有效转变成其他形式能量而被利用)的功率表现形式被称作无功功率[29]。由于系统网络中除了纯阻性的等效元件之外,还存在着许多感性的或容性的设备设施,常见的有诸如上述的异步电机,以及输配电网中传输变换电能的各种电压等级的架空线路、电缆与各种容量变电站中的变压器等,因而在系统正常运行时会有大量的无功电流在各元件中流动,存在着无功功率交换。
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2.2补偿位置选择

类似于对分布式电源接入位置及其相应效果的研究结论,相同容量的无功补偿装置接入在不同位置时所造成的电压分布管理效果有较大差别。补偿点越接近系统末端节点对线路电压分布的影响越大,而越接近上游的变电站母线对线路电压分布的影响越小;补偿装置集中在同一节点,对电压的支持效果要弱于分布在多个节点上。在一般情况下,很容易调节电气距离远离刚性电压源(如上游的中压腐压网络系统)节点位置上的电压[33]。若无功补偿器远离上游的中高压网络,其所承受的负担会降低,而且相比装设于上游的补偿器,其所需要的无功补偿功率也更少。这可以通过分析图1中所示的简单电路来解释说明。现有的STATCOM补偿器能够在所装设的系统上游节点调节连接点的电压,但负荷母线下游仍会有天然的电压降落,因而系统末端电压仍然可能较低,即使在STATCOM母线上的电压标么值被稳定在1.0。STATCOM作为集中式电压控制器,通常装设于MV/LV系统馈线的PCC点处,所以如果STATCOM停止运行整个下游系统馈线易受影响。综上所述,在达到相同电压调节效果的条件下,补偿点位于远离上游刚性电压源系统的补偿器将比位于MV/LV系统馈线处的集中式补偿器(如STATCOM)需要更少的无功功率;集中式单点补偿器能够调节连接点的电压,但无法改变该点下游系统的电压自然降落;集中式单点补偿器若运行异常,其补偿点下游的整个网络将受到影响。因而,采用分布式的小容量补偿器对于用户侧低压系统的电压管理有着明显的优势。

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3控制策略与实现方案设计......39
3.1可控逆变的控制原理......39
3.2逆变电流源的控制方法与策略......40
3.3逆变电压源的控制方法与策略......42
3.4本章小结......45
4分布式稳压拓外的仿真分析......47
4.1 仿真软件介绍......47
4.2稳压拓扑的模型介绍......48
4.2.1 ES的仿真模型及参数设置......48
4.2.2改进型拓扑的仿真模型及参数设置......50
4.3 仿真分析......52
4.4本章小结......63
5 结论与展望......65
5.1 结论......65
5.2展望......66

4分布式稳压拓扑的仿真分析

4.1仿真软件介绍
MATLAB是Matrix laboratory (矩阵实验室)的简称,该仿真软件是由MathWorks Corporation于1980年代所开发的一种数学计算与工程应用仿真软件。它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像功能处理等为一体。具有编程效率高、图形功能强等优点。目前,它己是适合多学科、多种工作平台的功能强大的仿真软件。而SIMULINK则是Math works Corporation开发的配套MATLAB仿真环境的、与其同步推出的多用途多功能的动态系统建模及多种工程应用的通用型离线仿真平台。此平台内添加了丰富的基本功能模块库和众多专业领域的工具箱,其中电力系统的模块库集为Power System Blockset(PSB),里面含有电源、元器件等众多模块库,可以用来进行电力系统方面的建模仿真。SIMULINK作为MATLAB软件特有的一种仿真系统,其本身自带有电力系统中的各种元件模型,任意搭建用户所需的各种模型,通过设置各个元件模型的参数或者改变模型的结构来模拟各种情况从而得到各种想要的结架。相对于MATALAB, SIMULINK比较突出的特点是用户不用通过语言编程,而是通过直接搭建各种模型就可以得到仿真结果。模型化图形输入是SIMULINK独有的特点和优势,是指用直接搭建模型来代替语言的编程,这样一来就使得仿真变得非常简单,不再仅限制于编程人员能使用,更适用于各种初学者,不需要了解每个元件模型的内部结果以及如何用语言实现,只需要通过搭建模型,简单调整模型中的元件参数,就可以在最短的时间内得到理想的仿真的效果。
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结论

随着风力发电、太阳能发电等清洁电能的发展与应用,对平衡清洁能源发电并网扰动、改善可再生电力电能质量的技术也提出了较高的要求,因而为储能与无功补偿等需求求侧管理技术提供了有利的发展契机。本文以分布式稳压拓扑结构的分析构建为主线,紧紧围绕其运行机制、数学模型、控制策略和实现方式展开了详细的分析介绍。针对需求侧管理领域的热点问题,即分布式补偿系统无功扰动的方案,进行了大量分析,并通过MATLAB/SIMULINK仿真软件提供的仿真平台搭建了 ES与改进型拓扑的系统模型,对文中的理论分析做了仿真验证。全文的研究内容和所得成果如下:
1)对可再生能源发电接入造成的电压扰动进行分析,得出扰动主要是由于间歇性可再生能源的发电功率,特别是无功功率的注入以及在系统中的分布得不到合理的管控而造成的;继而对于稳定电压所需要接入补偿装置的有效补偿位置进行了讨论,采用理论分析与公式推导,说明了在远离系统主要网络架构的低压配电网下游末端进行补偿所具有的优势,以及分布式接入补偿装置对比单点集中式补偿所具有的优越性,得出了分布式稳压方案的合理性;
2)对最近提出的分布式稳压技术ES作了详细的原理分析,说明了其各种工作模式与运行条件,并指出了 ES在实际运行条件下存在的局限性,如补偿点处两类负荷所占的比例不同对ES补偿能力的限制以及ES所串接负荷的端电压耐受能力存在一定的限额。基于ES的局限性提出了一种改进型的拓扑,说明了该拓扑的运行机理,并对构成该拓扑的主要元件结构作了介绍,最后详细分析了该拓扑的基本器件及相应的参数范围。
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参考文献(略)

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本文编号：44006