分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響

雷敏，楊萬里，李丹，張駿杰

（1. 湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007；2. 株洲電力勘測(cè)設(shè)計(jì)科研有限責(zé)任公司，湖南株洲412000）

分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響

雷敏1，楊萬里1，李丹1，張駿杰2

（1. 湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007；2. 株洲電力勘測(cè)設(shè)計(jì)科研有限責(zé)任公司，湖南株洲412000）

針對(duì)分布式電源并網(wǎng)問題，定量分析了分布式電源DG對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損和電壓產(chǎn)生的影響。簡(jiǎn)述了DG的類型和潮流計(jì)算模型，以及各種潮流計(jì)算模型的處理方法；應(yīng)用PSASP軟件對(duì)IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算，定量分析DG的位置和容量對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損和電壓產(chǎn)生的影響。仿真結(jié)果表明：分布式電源并網(wǎng)位置相同時(shí)，并網(wǎng)容量越大，對(duì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓和有功網(wǎng)損的影響越大；分布式電源并網(wǎng)容量相同時(shí)，并網(wǎng)位置越靠近系統(tǒng)末端，對(duì)系統(tǒng)電壓的提升作用越明顯，且對(duì)并網(wǎng)位置及其附近處的電壓支撐作用最強(qiáng)。

分布式電源；配電網(wǎng)；潮流計(jì)算

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人類對(duì)能源的需求越來越大。傳統(tǒng)化石能源的不可再生性和日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，使人們開始把目光轉(zhuǎn)向新型清潔能源。將水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等新型能源與分布式發(fā)電技術(shù)、電網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了電力系統(tǒng)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)——分布式電源并網(wǎng)。隨著國(guó)家智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，分布式電源并網(wǎng)成為了智能電網(wǎng)的重要技術(shù)特征。分布式電源（distributed generation，DG）一般是接在用戶側(cè)附近的小型發(fā)電機(jī)組或發(fā)電及儲(chǔ)能的聯(lián)合系統(tǒng)，可以滿足某些用戶的特殊要求。隨著用戶對(duì)供電量和供電安全可靠性要求的提高，迫切需要改善配電網(wǎng)的供電質(zhì)量。由于DG具有投資省、建設(shè)周期短、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，因此，受到廣泛關(guān)注。但是，DG并網(wǎng)改變了配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，對(duì)原配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性均產(chǎn)生了重大影響[4-6]，主要包括：配電網(wǎng)電壓波動(dòng)、閃變，配電網(wǎng)網(wǎng)損增大，繼電保護(hù)動(dòng)作可靠性低，配電網(wǎng)諧波增大等。

綜上所述，本文從配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性角度考慮，定量分析分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響，揭示分布式電源對(duì)配電網(wǎng)的電壓和有功網(wǎng)損的影響規(guī)律。這對(duì)分布式電源的應(yīng)用具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 分布式電源潮流計(jì)算模型

目前，分布式電源主要有：風(fēng)力發(fā)電[7]、光伏發(fā)電[8]、燃料電池[9]、微型燃?xì)廨啓C(jī)[10]、生物質(zhì)能發(fā)電、小水電等。由于用途不同，分布式電源的分類方法也不盡相同。根據(jù)并網(wǎng)類型，其可分為：直接并網(wǎng)型DG和間接并網(wǎng)型DG（通過逆變器并網(wǎng)的DG）。

不同類型的DG并網(wǎng)可能對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生不同的影響，因此，在對(duì)含DG的配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí)，需要建立合適的DG模型[11]。通常，DG并不參與系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)，因此，本文將DG的有功功率P按恒定輸出來考慮。

1.1 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常有2類：一類是異步雙饋發(fā)電機(jī)組；一類是永磁同步發(fā)電機(jī)組。異步雙饋發(fā)電機(jī)組使用較為廣泛，技術(shù)也較為成熟。由于其本身沒有勵(lì)磁裝置，并網(wǎng)后需要從電網(wǎng)或電容器中吸收無功功率來建立磁場(chǎng)，其吸收的無功功率Q隨機(jī)端電壓U的變化而變化，二者之間的關(guān)系式為

式中：xm為激磁電抗；為漏抗。

由式（1）可知，異步雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率為恒定，無功功率由機(jī)端電壓決定。因此，將其潮流模型處理為PQ(U)節(jié)點(diǎn)，即

式中：P(s)表示有功功率P是轉(zhuǎn)差率s的函數(shù)；f(U)表示無功功率Q是機(jī)端電壓U的函數(shù)。

在潮流計(jì)算時(shí)，可在下一次迭代計(jì)算之前，根據(jù)式（1）計(jì)算出無功功率Q。下一次迭代計(jì)算時(shí)可以認(rèn)為無功功率Q恒定，再將PQ(U)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點(diǎn)處理。

1.2 光伏發(fā)電

光伏電池是一種直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電的裝置，其并網(wǎng)需要通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻同相的交流電。光伏逆變器通常有電流控制型和電壓控制型2種。對(duì)于電流控制型逆變器，其注入電流和輸出有功功率恒定，此時(shí)，電網(wǎng)注入無功功率Q可由下式計(jì)算得到，

式中：I為電網(wǎng)的注入電流； e, f分別為DG并網(wǎng)電壓的實(shí)部和虛部。

在潮流計(jì)算中，將每次迭代得到的電壓實(shí)部和虛部代入式（3）中，得到其注入無功功率，進(jìn)而可將其轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。

電壓控制型逆變器的輸出有功功率和電壓均為恒定值，因此，可將其作為PV節(jié)點(diǎn)處理。當(dāng)注入電流越界后，則可將其轉(zhuǎn)化為電流控制型來處理。

1.3 燃料電池

與光伏電池類似，燃料電池也是一種輸出直流電能裝置，其并網(wǎng)發(fā)電是經(jīng)過逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電。燃料電池的輸出有功功率P和無功功率Q可表示為：

式中：UFC為燃料電池輸出的直流電壓；Us為并網(wǎng)母線電壓；XT為變壓器的等效阻抗；m,為參數(shù)。

從式（4）可知，可將燃料電池的潮流計(jì)算模型處理為PV節(jié)點(diǎn)；如果并網(wǎng)的無功功率越限，則將其處理為PQ節(jié)點(diǎn)。

1.4 微型燃?xì)廨啓C(jī)

與普通同步發(fā)電機(jī)的工作原理類似，微型燃?xì)廨啓C(jī)也有調(diào)速和勵(lì)磁系統(tǒng)，其產(chǎn)生的高頻交流電需先經(jīng)過整流器，再經(jīng)逆變器，轉(zhuǎn)換成工頻交流電后，才能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。其輸出的有功功率可以根據(jù)負(fù)荷水平由調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，其輸出電壓由勵(lì)磁系統(tǒng)和電力電子裝置進(jìn)行控制。因此，其潮流計(jì)算模型可以處理為PV節(jié)點(diǎn)；如果在潮流計(jì)算中出現(xiàn)無功功率越限，則可將其處理為PQ節(jié)點(diǎn)。

2 潮流算法

與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算方法不同，含DG的配電網(wǎng)不僅包含傳統(tǒng)集中式電源，還可能同時(shí)包含不同類型的DG。DG的潮流計(jì)算模型與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的計(jì)算模型也不完全相同。由于DG的特殊性，有時(shí)會(huì)基于不同方面的要求對(duì)DG的節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。根據(jù)電力系統(tǒng)狀態(tài)變量的不同，可將算法分為：節(jié)點(diǎn)法和支路法，如Newton法、Newton-Raphson法、P-Q分解法等均屬于典型的節(jié)點(diǎn)法，前推回代法[12]、回路阻抗法等則屬于支路法。

DG并網(wǎng)后，可能會(huì)出現(xiàn)多電源環(huán)網(wǎng)或多類型DG并存等傳統(tǒng)配電網(wǎng)潮流算法較難處理的問題，因此，需要對(duì)傳統(tǒng)的配電網(wǎng)潮流算法進(jìn)行改進(jìn)。Newton-Raphson法具有二階收斂性，在收斂速度和迭代次數(shù)方面具有較大優(yōu)勢(shì)，且具有編程簡(jiǎn)單、多電源處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，本文采用Newton-Raphson法進(jìn)行潮流計(jì)算。算法模型如下：

式（5）～（7）中：ΔP, ΔQ為潮流方程的殘差；Δ,ΔU為母線電壓的修正量；Gij, Bij分別為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間支路電導(dǎo)和支路電納；Vi, Vj分別為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j的電壓幅值；ij為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j的電壓相角差；J為雅可比矩陣；為電壓相角；U為電壓幅值。

3 算例分析

為定量分析DG并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的網(wǎng)損和電壓的影響及其規(guī)律，本文以PSASP 6.26為仿真平臺(tái)，對(duì)IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。在IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，基準(zhǔn)容量取100MVA，計(jì)算精度為=10-4。圖1為IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[13]。

圖1 IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig.1IEEE 30 node system

3.1 DG并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損影響

本文以PQ型DG為例，對(duì)IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分別分析并網(wǎng)DG的容量和位置對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響，以下是具體的分析過程。

1）DG容量對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響

本文將DG容量按IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)總負(fù)荷（總負(fù)荷為2.834+j1.262，采用標(biāo)幺值表示）的0.4, 0.8, 1.0, 1.2, 2.0, 2.4進(jìn)行配置，再分別將其并入節(jié)點(diǎn)6, 9, 22, 25, 28進(jìn)行仿真。不同容量DG并網(wǎng)的網(wǎng)損仿真結(jié)果如表1所示。

表1 不同容量DG并網(wǎng)的網(wǎng)損Table1The power loss for different capacity DG

由表1可知：當(dāng)并網(wǎng)位置相同時(shí)，0.4倍DG容量并網(wǎng)的網(wǎng)損最??；隨著DG容量的增加，系統(tǒng)網(wǎng)損隨之增大。由此可知，并網(wǎng)DG容量與系統(tǒng)負(fù)荷的相對(duì)值對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)損的變化有重要影響。

2）DG位置對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響

本文將DG容量按總負(fù)荷的0.4, 0.8, 1.0, 1.2, 2.0, 2.4的比例進(jìn)行配置之后，分別將其并入節(jié)點(diǎn)6, 9, 22, 25,28進(jìn)行仿真。DG在不同位置并網(wǎng)的網(wǎng)損仿真結(jié)果如表2所示。從表2可以看出：并網(wǎng)DG容量相同時(shí)，在節(jié)點(diǎn)6處系統(tǒng)網(wǎng)損最小，而隨著并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)號(hào)的增大（即并網(wǎng)位置越靠近系統(tǒng)末端），系統(tǒng)網(wǎng)損呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)；與無DG并網(wǎng)相比，當(dāng)并網(wǎng)容量為0.4倍總負(fù)荷時(shí)，DG在節(jié)點(diǎn)6, 9, 22, 28處并網(wǎng)均能有效降損，當(dāng)并網(wǎng)容量超過04.倍總負(fù)荷時(shí)，并網(wǎng)網(wǎng)損雖然都增大了，但網(wǎng)損增加的幅度依然受并網(wǎng)位置的影響。由此可知，DG并網(wǎng)位置對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)損有較大影響，而能否有效降損不僅與并網(wǎng)位置有關(guān)，還與并網(wǎng)容量有較大關(guān)系。

表2 DG在不同位置并網(wǎng)的網(wǎng)損Table2The power loss of DG at different grid-connected position

3.2 DG并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電壓影響

本文以PQ型DG為例對(duì)IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，從DG容量和位置2個(gè)方面分析DG并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響。

1）DG容量對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響

定量分析了DG容量對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響，分析方法與上節(jié)方法類似。將DG容量按總負(fù)荷的0.4, 0.8, 1.0, 1.2, 2.0的比例進(jìn)行配置，然后分別將其并入節(jié)點(diǎn)6, 9, 22, 25, 28進(jìn)行仿真。不同容量DG并網(wǎng)的電壓仿真結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，在DG并網(wǎng)位置相同時(shí)，并網(wǎng)容量越大，對(duì)系統(tǒng)電壓的提升作用越明顯，對(duì)系統(tǒng)電壓的支撐能力越強(qiáng)。

表3 不同容量DG并網(wǎng)的電壓Table3The voltage of different capacity DG gird-connected

2）DG位置對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響

本文將DG容量按總負(fù)荷的0.4, 0.8, 1.0, 1.2, 2.0, 2.4的比例進(jìn)行配置之后，分別將其并入節(jié)點(diǎn)6, 9, 22, 25, 27, 28進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)DG容量與節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系曲線Fig.2The relative curve of node voltage and grid-connected DG capacity

從圖2可以看出：當(dāng)DG并網(wǎng)容量相同時(shí)，DG的并網(wǎng)位置越靠近系統(tǒng)末端，對(duì)系統(tǒng)電壓的提升作用越明顯，而且越靠近DG并網(wǎng)位置的節(jié)點(diǎn)，其電壓提升越明顯，且對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)本身的電壓提升最大。

4 結(jié)論

本文通過定量分析DG并網(wǎng)的容量和位置對(duì)配網(wǎng)網(wǎng)損和電壓產(chǎn)生的影響，得出如下結(jié)論：

1）不同容量DG接入配電網(wǎng)的相同位置時(shí)，容量較大的DG并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓和有功網(wǎng)損的影響較大。

2）相同容量DG接入配電網(wǎng)的不同位置時(shí)，DG的并網(wǎng)位置越靠近系統(tǒng)末端，對(duì)系統(tǒng)電壓的提升作用越明顯，而且越靠近DG并網(wǎng)位置的節(jié)點(diǎn)，其電壓提升越明顯，且對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)本身的電壓提升最大。

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（責(zé)任編輯：鄧彬）

Effect of Distributed Generation Grid-Connection on Distribution System

Lei Min1，Yang Wanli1， Li Dan1，Zhang Junjie2
（1. School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. Zhuzhou Electric Power Survey and Design Research Co. , Ltd. ，Zhuzhou Hunan 412000，China）

In view of distributed generation grid-connected problems, analyzed the impact of distributed generation on active power loss and voltage. Described DG type and power flow calculation model and introduced the methods about various flow calculation models. Calculated power flow in IEEE 30 node system by PSASP software and analyzed the impact of DG position and capacity on active power loss and voltage. The simulated results showed that when the distributed generation in the same position interconnected, the larger capacity of distributed generation has a relative larger influence on active power loss and the node voltage; when the distributed generation in the same capacity interconnected, the gridconnected position is closer to the end of the system, the system voltage promoting is more obvious and the enhancing for voltage is highest in the gird-connected position and its vicinity.

distribution generation；distribution network；power flow calculation

TM74

A

1673-9833(2014)05-0068-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.05.014

2014-07-02

雷敏（1973-），女，湖南株洲人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論及其在電網(wǎng)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用等方面的研究，E-mail：13607331653@163.com