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摘要：我国能源行业面临着常规化石能源可持续供应能力不足、大量的煤炭开采和利用带来严重环境污染等一系列问题，威胁到能源安全和生态环境，不利于我国经济与社会的可持续发展。因此，寻找并大力发展安全、经济、高效、清洁的能源资源成为能源行业的首要课题，其中，以风能、太阳能等为代表的可再生能源为破解上述难题提供了新思路。但是，由于新能源发电功率的时空随机性、电力系统运行方式的复杂性、负荷变化的随机性等，仅仅通过研究电路的拓扑关系往往很难直接寻找到这两者在时空上的确切函数关系，而基于数理统计的方法可以观察并总结它们之间存在的某种规律性。相关性分析就是对两种或多种事物是否相关，测度事物间统计关系强弱(或变量之间线性相关程度强弱)，反映事物(或数据)之间的趋同关系的一种十分常用的手段和工具。目前，相关性原理及其分析方法已经被运用到多个领域。基于此，本文主要对新能源发电功率与电压偏差的相关性进行分析探讨。
关键词：新能源；发电功率；电压偏差；相关性
1、前言
众所周知，系统节点的电压方均根值也与注入功率密切相关。因此，研究新能源注入功率与并网后电网电能质量的影响关系就显得越来越有必要。作为一种探索，本文将把相关性的分析方法应用到影响电能质量因素的研究中，基于MATLAB的仿真平台分析新能源接入下功率与电网节点电压质量之间的相关性，藉此分析电网节点电压质量受影响的关键因素，从而为并网节点的电能质量预估与怎样选择并网节点提供依据。
2、新能源接入下功率与电压偏差的相关性分析
2.1仿真模型
以风电场为例，本文对风电场接入点的有功功率、无功功率与电压偏差的相关性进行了仿真研究。风电场仿真模型如图1所示，33台1.5MW双馈电机构成的风电场模型经过等效的三回电力线路接入到35kV配电网，然后经变压器与110kV主系统相联。该配电网降压后供给10kV负荷，一个为40MW的三相线性负载，另一个为18MW左右的六脉动整流负载。在风电场接入系统母线处设置监测点，即图中的M处，35kV母线短路容量为260MW。
图1风电场仿真模型
通常风电场平均风速在8～10m/s之间，仿真中控制风速在8.5～15m/s之间变化。本研究将系统电压分别设定为110kV和115kV，并对六脉动整流负载投运前后的情况分别加以仿真对比。测量采集量为风电场注入系统的有功功率和无功功率和35kV母线电压。本研究设定风电在不同的有功功率或无功功率发出条件下，评估并网节点的电压偏差△U，并分析发出有功功率、无功功率与电压偏差的相关性。
2.2相关性系数计算
由仿真结果发现，当风速V>12.5m/s时，风电场发出的有功功率P几乎维持在一个恒定值42MW左右，而△U也基本维持在一个恒定值不变;在有功功率P<0.9PN(额定功率)时，功率因风速而变化，并与电能质量参数呈现较好的线性关系。由此可见，当P接近额定功率时，风电场输出功率变化不大，其与电压质量的关系呈现弱相关性，此时的相关性系数对本研究的意义不大。因此本文将主要讨论功率P因风速而呈现较大变化范围内的(P<0.9PN)相关性。
表1所示为P<0.9PN时不同仿真情况下的有功功率和无功功率与35kV母线处电压偏差的相关性系数。由表1可知，加入六脉动负载和设置系统电压较高时都会减小并网节点处注入功率与电压偏差之间的相关性系数。
表1监测点有功功率/无功功率与电压偏差相关性系数
2.3新能源并网节点处电压偏差影响因素分析
2.3.1不同情况下有功功率与电压偏差的关系
图2所示为考虑到系统的实际电压水平和负载
情况不同时的并网节点处电压偏差与有功功率的比较图。其中，曲线1为系统电压为110kV且不加入六脉动整流器时P与△U曲线，直线为线性拟合函数;曲线2为系统电压为110kV且加入六脉动整流器时P与△U曲线，直线为线性拟合函数;曲线3为系统电压为115kV且加入六脉动整流器时P与△U曲线，直线为线性拟合函数。
图2不同情况下电压偏差与有功功率描点连线图
由图2可以发现，三条曲线△U的大小均随着风电场并网功率的增大而存在变化，但变化幅度不大;但是对比三条曲线发现，系统电压为标称电压，曲线1情况下的电压正偏差最小，其次为曲线2，而曲线3情况下节点的电压正偏差最大。也就是说，系统电压升高提高了并网节点处的电压水平，负载的接入降低了节点处的电压水平。
因此可知，配电网的并网节点的电压偏差程度关键还是由系统电压运行水平与负荷大小(有功和无功负荷)来共同决定的。在系统正常运行条件下，无风电并网时，由系统条件确定了节点的电压水平。在此条件下，并入风电，随着并网功率的变化，电压水平会有所变化。下一节将进一步分析此背景条件下并网功率与电压偏差的相关程度。
2.3.2风电场有功功率与电压偏差的关系
一般，在忽略电压降横分量对电压损失的影响时，把电压降总分量近似看作电压损失，即:ΔU≈（PR+QX）/U
式中P、Q为线路始端有功功率和无功功率，此处线路始端即为系统电源处;R、X为系统电源处到并网节点的电阻和电抗。本文以电源电压为110kV、不加入六脉动负载时风电场的有功功率与电压偏差的相关性分析为例，如图3所示。
图3电源电压110kV时并网节点有功功率与电压偏差描点图
由图3可观察到，风电机输出有功功率较小时，其输出功率对负荷的供给减少了由系统供给的有功和无功功率，因此线路上的ΔU减小，从而提高了并网节点的电压，因此电压偏差随着有功功率的增加而增加。根据仿真测试数据，风电场的并联无功补偿及滤波装置对并网节点输出的无功功率伴随着有功功率的增大而降低(风电场自身无功功率需求增大)，当风电场输出有功功率增加到一定值时，由于系统电源对负荷的无功供给增大，使得ΔU从总体上体现为随着有功功率的增加而增加，因此并网节点处的电压水平将随之降低。如图3中当输出有功功率增加到22.5MW时，电压偏差将随着有功功率的增加而降低。由此可知，在系统运行水平和负荷水平不变的条件下，并网节点的电压偏差由风电场输出有功功率和无功功率共同决定。
2.3.3不同因素对风电注入有功功率与电压偏差的相关性影响分析
上面分析出系统电压的运行水平与其他负载的接入都会影响到风电场并网节点的电压偏差，下面将研究这两个因素对节点电压偏差与有功功率的线性相关性带来的具体影响。图2中，曲线与直线交织在一起，曲线为实际测量值P与△U描点图连接的曲线，直线为P与△U的线性拟合函数。由图2的实际曲线与线性拟合函数的比较可以发现，在不考虑系统电压偏差和其他非线性负载时的P与△U的实际曲线与线性拟合直线的贴合度，要优于只考虑加入六脉动整流器时的线性程度，也要优于同时考虑这两者时的线性贴合程度，而通过相关性系数的计算也验证了这一规律。
由此可知，系统电压偏离标称值引起的电压偏差和六脉动整流器负荷接入引起的电压偏差都会减弱风电场并网节点电压偏差与有功功率的线性相关程度，并且由图2和计算三个相关性系数可知，这种对线性相关性减弱的程度是较为明显的。从而进一步验证了节点处系统运行水平和负荷大小对电压偏差的重要影响。
3、结语
基于上述结论，本文从电压偏差的角度，还讨论了风电接入配电网选择并网节点的方法，既能充分利用新能源，又可以保证新能源接入电网后电压偏差满足要求。
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