分布式電源接入對配電網(wǎng)電壓變化的分析

陳 芳，王 瑋，徐麗杰，姜復亮，遲作為，李華順

（1.北京交通大學電氣工程學院，北京100044；2.吉林電力有限公司吉林供電公司，吉林132001）

由于越來越多的分布式能源滲透在配電系統(tǒng)基礎設施中，要求未來配電系統(tǒng)具有新的靈活的可重構的網(wǎng)絡拓撲、新的保護方案、新的電壓控制和新的測量方法[1，2]。如文獻[3]研究了多個分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)無功優(yōu)化算法，這對于減少網(wǎng)絡功率損耗和提高電壓質量有一定的作用。一般認為，分布式發(fā)電DG（distributed generation）指為滿足終端用戶的特殊需求、接在用戶側附近的小型發(fā)電系統(tǒng)[4]。文獻[5]指出分布式發(fā)電可以包含任何安裝在用戶附近的發(fā)電設施。當DG 接入配電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，在某些情況下會對配電網(wǎng)產生一定的影響，對需要高可靠性和高電能質量的配電網(wǎng)來說，分布式發(fā)電的接入必須慎重[6，7]。

一直以來，DG 接入對配電網(wǎng)電能質量的影響是討論的熱點[8]。DG 接入在給電能質量帶來積極影響的同時，也會給電能質量帶來消極的影響[9～11]。本文針對一種典型的負荷分布模型，即三角形模型，并且基于電路的疊加定理，對所建模型進行電壓分布計算研究，通過分析研究分布式電源出力變化，接入位置變化造成的配電系統(tǒng)電壓變化，正確評估分布式電源對配電系統(tǒng)帶來的影響，從而使配電系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定運行。

1 含DG 的配電網(wǎng)負荷分布模型

1.1 分布式發(fā)電系統(tǒng)

對于可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)，是一套多電源互相獨立的發(fā)電系統(tǒng)，它采用直流總線，由發(fā)電單元、儲能單元、控制單元和模擬負載單元組成，整個系統(tǒng)的結構[12，13]如圖1所示。

圖1 基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)結構圖Fig.1 Diagram of distributed generation system based on renewable energy

1.2 含分布式電源的負荷分布模型

配電網(wǎng)的基本單元是饋線，我國饋線電壓等級大多是10kV，每條饋線上線路成樹狀分布，圖2為含DG 的簡單配電網(wǎng)放射式接線方式。

圖2 含DG 的簡單配電網(wǎng)放射式接線方式Fig.2 Connection mode of simple radial distribution network with DG

為了分析含分布式電源的配電網(wǎng)電壓分布情況，采用一種典型的負荷分布模型，即三角形模型，由于負荷均勻分布模型對于線路上負荷分布嚴重不均勻的情形，會帶來較大的誤差，而事實上線路上的負荷分布很少是均勻的，故采用三角形模型，以三角形面積表示負荷大小，以此來減小誤差，如圖3所示。假設饋線長度為m，在k處接入分布式電源，負荷總的有功和無功分別用PL、QL表示，圖中三角形的面積表示負荷總的功率，單位長度的電阻、電抗分別用r、x 表示，d 為配電線路中任意一點。

圖3 含分布式電源的三角形負荷分布模型Fig.3 Triangle load distribution model with distributed power

當配電線路中只有系統(tǒng)電源單獨作用時，d點之前、之后的有功無功負荷分別用P0－d、Q0－d、Pd－m、Qd－m表示，則有：

2 電壓分布計算

依據(jù)圖3所建模型，設線路始端A 點電壓為U0，線路額定電壓為UN，d 為線路任意一點，則d點的電壓為

圖3所建模型是含分布式電源的簡單配電線路，基于電路的疊加定理[14]，分別考慮系統(tǒng)電源和DG 電源對配電線路的作用，所以電壓損耗ΔU 包括兩部分ΔUsd和ΔUDG，其中ΔUsd是系統(tǒng)電源單獨作用引起的，包括兩部分內容，ΔUsd1是由于d點之后等效綜合負荷引起，ΔUsd2是由于d 點之前以三角形形式分布的負荷引起；ΔUDG是DG 單獨作用時引起的。

2.1 系統(tǒng)電源單獨作用

定義負荷密度ρ，且ρ＝Kλ，其中K 為負荷密度系數(shù)，K ＝k1＋j k2。從0點到m 處的總負荷為

解方程（4），可得負荷密度系數(shù)：

則

2.2 DG 單獨作用

當在k點處接入分布式電源，其容量為PDG＋j QDG，配電線路中只有DG作用時，則d點前后電壓損耗分以下兩種情況進行討論：

情況1 0＜d ≤k

情況2 k＜d ≤m

對于k點之后的線路，DG 對其是沒有直接影響的，但是因其對k 點電壓的提高，間接影響了k點之后的電壓，所以k點之后的電壓損耗為

2.3 含DG 的配電網(wǎng)電壓損耗

情況1 0＜d ≤k

根據(jù)式（2）、（3）、（5）、（6）可得在情況1下d點的電壓：

同理，可分析情況2，結果計算如下。

情況2 k＜d ≤m

當網(wǎng)絡參數(shù)，負荷參數(shù)給定，DG 容量已知時，d 點的電壓便可計算出來。

2.4 負荷成均勻分布的配電網(wǎng)電壓損耗

根據(jù)以上電壓分布計算原理，當負荷均勻分布時，各點電壓計算公式如下：

情況1 0＜d ≤k

情況2 k＜d ≤m

3 算例分析

依照圖3所示含DG的配電線路模型，一條10 kV 的配電線路，線路長度為m ＝12km，總負荷數(shù)為12，電阻r＝0.082Ω／km，x＝0.247Ω／km，配電線路始端電壓Uo＝1.05（標幺值），額定電壓UN＝1.0（標幺值），功率基值為10MVA，電壓基值為10kV，線路總負荷為：PL＝5 MW，QL＝3 Mvar。DG 有功PDG＝3 MW，功率因數(shù)cosφ ＝0.9（滯后）。

算例中各節(jié)點負荷數(shù)據(jù)見表1。

表1 節(jié)點負荷數(shù)據(jù)Tab.1 Loads data

3.1 模型驗證

基于以上數(shù)據(jù)分別對以三角形負荷分布模型和以均勻負荷分布模型的配電網(wǎng)進行電壓分布計算，公式分別為（8）、（9）和（10）、（11），將所得計算結果與嚴格的潮流計算比較來驗證方法的正確性和有效性，圖4為沒有DG 作用的驗證圖，圖5為6號節(jié)點接入DG 的驗證圖。

圖4 無DG 的模型驗證圖Fig.4 Model validation without DG

圖5 DG 在節(jié)點6處的模型驗證圖Fig.5 Model validation of DG at node 6

通過上圖分析可知，基于三角形負荷模型的電壓分布計算結果與嚴格潮流計算結果較為一致，而且要遠遠優(yōu)于均勻負荷分布模型的電壓分布計算結果，由此驗證了三角形負荷分布模型算法在含DG 的配電網(wǎng)電壓分析中的正確性和有效性。

3.2 DG 出力變化對電壓分布的影響

同樣的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和負荷，DG接入6號節(jié)點，按照DG出力的0、30%、65%、100%四種方案進行測試，根據(jù)文中所給的算法計算電壓分布，結果見圖6，出力數(shù)據(jù)見表2。

表2 DG 接入方案及出力數(shù)據(jù)Tab.2 Access scheme of DG and output data

圖6 DG 出力變化引起電壓分布變化曲線Fig.6 Voltage profiles according to the change of DG output

以上結果表明，在不改變分布式電源接入位置的情況下，電壓支撐由分布式電源的出力決定，出力越多，電壓支撐就越大，整體電壓水平就越高。

3.3 DG 位置變化對電壓分布的影響

保持DG出力不變，為100%出力，只改變它在網(wǎng)絡中的位置，依據(jù)表3給出的方案進行電壓分布計算，結果見圖7。

從圖7可以看出，DG 出力不變，改變接入位置，則電壓會有相應的變化，越靠近負荷側，電壓變化幅度就越明顯，方案4中電壓水平明顯高于方案1、2、3的電壓水平，方案4中DG 位置靠近負荷側，方案1中DG 位置靠近母線，可見，DG 的接入位置越靠近線路末端，對電壓的影響越大。

表3 DG 接入方案Tab.3 Access scheme of DG

圖7 DG 位置變化引起電壓分布變化曲線Fig.7 Voltage profiles according to the change of DG interconnecting location

3.4 DG 的電壓調節(jié)作用

由于分布式發(fā)電的發(fā)電機具有勵磁系統(tǒng)，可在一定程度上調節(jié)無功功率，從而具有電壓調節(jié)能力。實際運行時，當DG 遠離變電站時，對變電站母線電壓的調節(jié)能力就很弱，如圖7中方案4就說明了這一點；有些發(fā)電機采用感應電機（如風力發(fā)電機），可能還要吸收無功，而不適用于電壓調節(jié)，在這種情況下，就要有相應的無功補償設備；當大容量的DG 接入時，必須將有關信號和信息傳到配電系統(tǒng)調度中心，以進行調度和控制的協(xié)調。

4 結論

本文針對鏈式配電網(wǎng)絡，采用含DG 的三角形負荷模型算法進行了電壓分布計算，研究結果說明分布式發(fā)電對配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓分布的影響，并得出如下結論：

1）對配電網(wǎng)進行簡化建模和分析的方法中三角形負荷分布模型要優(yōu)于負荷均勻分布模型，而且文中也驗證了三角形負荷分布模型算法的有效性。

2）一定容量的DG接入配電網(wǎng)絡，的確會對饋線上的電壓分布產生重大影響，影響程度與DG 總容量的大小、接入位置有很大的關系。

3）DG 是否具有電壓調節(jié)作用與DG 的類型、容量等有關，要根據(jù)實際運行狀況確定具體的調壓方案。

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