智能配电系统分区电压控制技术的研究

发布时间：2016-08-20 06:10

第一章　绪论

1.1 研究背景及意义 
电力系统近一百年来在规模和电压等级两个维度上持续保持着高速发展的势头，其面貌已发生翻天覆地的变化。然而仅在这两个维度上的发展已经不能满足当今社会对于电力系统高安全性和高稳定性的要求，必须在开放发展的电网中集成更为精准的控制和管理技术，而智能电网正是人们对未来电网发展形态研究取得的共识。智能电网技术旨在大幅度提高电网运行水平、促进电网与自然环境的和谐发展，智能电网将带来电力系统运行形态的一场深刻的变革[1-4]。 智能电网（Smart Grid）的概念在 2003 年 6 月美国“未来能源联盟智能电网工作组”发表的报告中首次出现。该报告将智能电网定义为“集成了传统的现代电力工程技术、高级传感和监视技术、信息与通信技术的输配电系统，具有更加完善的性能并且能够为用户提供一系列增值服务。”伴随着近十几年对于智能电网相关技术的研究及工程实践，智能电网的定义有了进一步的明确：智能电网是使用数字技术和其他先进技术对来自所有发电源的电力输送进行监测和管理以满足终端用户不同电力需求的电力网络，是一种电源、用户和其他设备智能自组织的电网形态，适应了科学技术的发展，社会经济的发展以及环境保护的要求，具有控制、监测、通讯、自愈等先进的功能。智能电网协调所有发电企业、电网运营商、终端用户和电力市场利益相关者的需求和能力，以尽可能实现系统各个部分的有效运行，使成本和环境影响最小化，使系统可靠性、弹性和稳定性最大化[5,6]。 电力系统由发电、输配电和用电三层结构组成，智能电网作为电力系统发展的新型形态，同样是智能发电系统、智能输电系统、智能配电系统和智能用电等组成的完整系统[6,7]。智能输电系统和智能配电系统作为现代电力网络的主体，是智能电网发展的重中之重。智能输电系统旨在利用先进的技术解决能源资源分布地域广、经济发展不均衡，提高电网输送能力，实现远距离大容量输电，提升调度控制的灵活性和冗余度；智能配电系统旨在提高供电质量和可靠性，通过先进的大数据分析提高用电侧自动化水平，降低系统运行损耗，改善系统的资产利用率，解决分布式能源分散化接入的问题。
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1.2 智能配电系统的发展概述 
解决 DG 在配电系统的集成问题方法有很多，这些方法的共同目的都是将现有的被动的配电系统转化为主动的配电系统。本节首先介绍几种在智能配电系统发展过程中出现的电网构架的概念，继而指出主动配电网将会成为未来智能电网体系中最为重要的一个组成部分。微网的概念是随着分布式发电的发展而提出的，是目前智能电网技术应用最成熟的电网结构。微网是由 DG 和负载构成的独立可控、最接近用户的电网形态，其基本要求是保证用户安全、优质、可靠的供电。美国、欧洲和日本对于微网相继提出了各自的定义标准[26,27]。美国和日本将微网定义为一种自治供电系统，提供用户可靠的供电，本质是服务于用户；欧洲将微网定义为可以推广至整个电网承担电网支撑功能的电网单元，是服务于电网和用户双方的。中国配电系统薄弱，微网作为一种小型的局域发配电系统，通过分布式能源发电技术、储能及电力电子控制技术的集成，不仅能解决我国偏远地区和可再生能源丰富地区的用电问题，同时可以强化配电网稳定性，提高我国的电网运行水平。因此中国的微网也应该是同时服务于用户和电网的[28,29]。目前我国对于微网还没有形成统一的标准和定义，对微网的特征比较公认的认识是：①  支持多种新能源分布式并网发电，节能环保、绿色低碳；②  能够实现快速隔离，对大电网无影响；③  具备安全、稳定、智能和即插即用的运行能力，能够提供用户高质量的电能；④  可灵活的实现并网和孤网运行并在两种状态无缝切换；⑤  支持削峰填谷，可以承担部分电网支撑任务；⑥  包含多类型能源，是高效的能量传递和供给系统，具备综合能源管理能力；⑦  微网对外变现为一可控负荷，无需改变现有的电网运行方式即可并入电网，适应目前的电力管理体制[8,30-33]。 
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第二章　配电系统电压质量问题分析及控制措施的研究 

2.1 概述 
配电系统中接入的工业、商业负荷和城市居民负荷的随机波动，以及可能出现的对称或不对称故障，导致配电系统长期存在较为严重的电压问题。而越来越多的 DG 接入配电系统，使得配电系统电压问题变得更加突出和复杂。为解决这些电压问题以满足用户对供电质量和安全可靠性的要求，而大力改造和升级配电系统，在技术和资金上都存在较大的困难。 智能配电系统中以“集中　分散”的形式大规模接入的 DG 主要分为同步机型 DG 和逆变型 DG 两类，从经济性和技术可实现性的角度考虑，充分利用逆变型 DG 高度可控的优点，构成基于具有灵活发电功能的逆变型 DG 的分布式电压控制体系，是解决配电系统电压问题的有效途径。所谓灵活发电分布式电源（flexible DG，FDG），是指基于多功能并网逆变器同时实现并网发电和电能质量主动控制的新型可定制型电源[87]。从技术可实现性看，一方面，并网逆变器和电能质量专用治理装置如有源滤波器（active  power  filter，APF）等具有相同的主电路结构，仅需调整并网逆变器的控制策略即可实现和电能质量专用治理装置一样的功能，在应用中更加灵活方便，能更好地适应智能配电系统电压控制的需求；另一方面，逆变型 DG 的设计容量一般为其额定发电容量的两倍以上，工作在单位功率因数运行模式，具有可观的剩余容量，具备进行电能质量主动控制的潜力。从经济性看，依靠 FDG 辅助智能配电系统电压控制，无需增加额外补偿设备，在用户侧电网推广的阻力更小。因此，充分利用 FDG 在并网发电和电能质量控制上的优势，不仅能够实现综合的智能配电系统电压控制，而且无需额外的专用设备的投资，提高了逆变型 DG 的利用率，是有效利用可再生能源，提高用户电能质量，提高用电效率，实现智能配电系统动态电压控制的关键。 
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2.2 配电系统常见电压质量问题分析 
电压质量问题是配电系统中突出的电能质量问题，主要包括电压偏移，电压暂升、暂降，电压畸变、三相不平衡、电压波动和闪变等。而电压暂降、电压不平衡和电压波动是配电系统突出的电压质量问题： （1）电压暂降：电压暂降指的是电压的有效值在半周期到几秒钟内的变化，通常源于故障或负荷的突然投入等。 （2）电压不平衡：电压不平衡是指电力系统中三相电压幅值不一致，且幅值差超过规定范围的现象。 （3）电压波动：电压波动是指电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象，其变化周期大于工频周期（20ms）。
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第三章　基于灵活发电分布式电源的微网分区电压控制 ........ 43
3.1 概述 ............ 43
3.2 微网分区电压控制方案 .......... 43
3.3 多灵活发电分布式电源协同进行分区电压控制存在的问题 .......... 46
3.4 适用于微网分区电压控制的灵活........ 49
3.5 分区电压控制实施方案 .......... 53
3.6 算例验证 .... 56
3.7 本章小结 .... 61
第四章　微网安全防御体系下的分区协调电压控制 ...... 63
4.1 概述 ............ 63
4.2 微网安全防御体系下的分层控制框架 ...... 63
4.3 微网安全防御体系下的分区协调电压控制方案 .......... 65
4.4 微网分区协调电压控制的实现 ........ 71
4.5 算例验证 .... 72
4.6 本章小结 .... 81
第五章　主动配电网两阶段分区电压控制 ............ 83
5.1 概述 ............ 83
5.2 主动配电网分区电压控制设备的选择和电压分区方案 ........ 84
5.3 主动配电网两阶段分区电压控制策略 ...... 86
5.4 分区电压控制 ...... 88
5.5 算例验证 .... 94
5.6 本章小结 .... 99

第五章　主动配电网两阶段分区电压控制 

5.1 概述 

中高压配电系统中 DG 的渗透率伴随着分布式发电技术的不断发展而大幅提高，在某些地区电网中 DG 在配电网的接入已达可观的规模。以德国为例，其太阳能发电、风力发电、生物质能发电、地热发电、水力发电五项可再生能源的发电量截止 2012 年已达全国发电总量的 16.8%，预计在 2020 年可再生能源发电量占电力消费总量能达到 50%[152]。DG 在配电系统的规模化接入和运行极大程度上改变了配电系统的潮流分布以及电压水平，而这些因素在传统中高压配电系统的设计阶段是没有考虑到的，所以 DG 在传统中高压配电系统的渗透率增长存在瓶颈。消除这个瓶颈，关键在于提升配电系统对 DG 的控制和管理能力，因而出现了主动配电网（active  disteibuted  neweork，ADN）的概念。ADN 是充分利用数据分析和控制管理技术的发电、配电和用电三者协同工作的互动网络，能够主动消纳各种类型的可再生能源实现多源多级综合利用，是智能配电系统发展的高级阶段[19,153]。潮流在传统的中高压配电系统中自变电所单向流向用户，电压调整问题主要出现在馈线末端；而在 ADN 中，大规模分散接入的间歇性 DG，导致 ADN 出现了严重的电压波动问题，并且这种波动问题可能发生在馈线的任何位置，给电压控制带来了更加严峻的挑战[154,155]。因此，需要在第三、第四章的微网电压控制研究的基础上，研发 ADN 电压控制技术，综合形成智能配电系统自上而下的电压控制体系，提高智能配电系统整体的电压质量。 本章首先基于对微网和主动配电网电压控制思路的区别和联系的分析，对主动配电网分区电压控制设备进行了比较和选择。继而针对 ADN 提出一种基于设备响应速度的分层、分阶段电压协调控制框架。重点研究分区控制层中静止同步补偿器（distribution static synchronous compensator，DSTATCOM）和逆变型 DG协调配合的两阶段分区电压控制（two-stage zonal-voltage control，TSZVC）策略，包含一种考虑区内相邻潮流的 DSTATCOM 电压控制策略，以及 DSTATCOM 和逆变型 DG 平滑转移无功的协调控制方法。TSZVC 有效的避免了不同的电压控制设备和电压控制策略之间的相互干扰影响，解决了 ADN 动态电压控制的需求，无需复杂的通信即可实现 ADN 区域电压综合控制。 

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结论 

智能配电系统正经历由系统外单一电源供电向系统内多电源分布式供电的转变。分布式电源的大规模接入，形成了智能配电系统独特的“集中-分散”供电运行方式。然而，智能配电系统对分布式电源多采用被动式的管理策略，不仅使配电系统面临严重的潮流不确定、电压快速波动等运行难题，还制约着分布式电源渗透率的进一步提高。对分布式电源进行主动管理提升智能配电系统电压控制能力是解决这些问题的有效途径。智能配电系统多采用分层电压控制的方法，其中的分区电压控制层是提高系统电压水平、提升系统电压调节速度、保障系统电压稳定的中坚环节，同时也是连接中央电压控制和本地电压控制的关键环节。目前的智能配电系统分区电压控制没有有效利用分布式电源大量“集中-分散”接入的结构优势，这阻碍了智能配电系统电压控制速度的提升和分布式电源渗透率的提高。因而，充分利用 DG 大量“集中-分散”接入智能配电系统的供电结构对 DG 采取主动控制，研究集成动态电压控制功能的智能配电系统分区电压控制方案，对提升系统电压控制速度，进一步提高 DG 渗透率有重要的意义。 本文针对智能配电系统分区电压控制展开相关的研究，以提高分区电压控制速度和区域电压控制效果为目标，在微网和主动配电网两个层面提出完善的动态调节速度快、静态调节精度高的智能配电系统分区电压控制方案，同时针对电压控制和保护的配合的特殊问题提出相应的解决方案，主要的成果如下：在对配电系统电压暂降和电压不平衡产生的原因，以及 DG 大量渗透配电系统后带来的复杂电压波动问题产生的原因的分析的基础上。本文提出了一种可以解决正序和负序电压控制问题的灵活发电分布式电源及其结构，灵活发电分布式电源主要由输入系统和输出系统组成。 
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参考文献(略)

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本文编号：98573