金昌錦,李少綱,陳端航

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

分布式電源對(duì)弱環(huán)配電網(wǎng)電壓分布影響分析

金昌錦,李少綱,陳端航

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

由于傳統(tǒng)前推回代法無(wú)法處理含弱環(huán)網(wǎng)的配電系統(tǒng)，基于疊加原理的改進(jìn)型前推回代法對(duì)含分布式電源的弱環(huán)配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算。以IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)為算例，研究分析接入分布式電源對(duì)輻射狀配電網(wǎng)和弱環(huán)配電網(wǎng)電壓分布的不同影響，并總結(jié)了分布式電源接入位置，出力大小對(duì)弱環(huán)配電網(wǎng)電壓支撐的程度。

分布式電源；弱環(huán)配電網(wǎng)；潮流計(jì)算；電壓分布

1 引言

分布式發(fā)電是指功率在幾十千瓦到幾十兆瓦范圍內(nèi)分布在負(fù)荷附近的清潔環(huán)保發(fā)電,設(shè)施能夠經(jīng)濟(jì)、高效、可靠地發(fā)電。分布式發(fā)電是區(qū)別于傳統(tǒng)集中發(fā)電，遠(yuǎn)距離傳輸，大互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電形式。分布式電源的原動(dòng)機(jī)可以是燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、風(fēng)輪機(jī)、太陽(yáng)能光伏、燃料電池儲(chǔ)能等多種形式的能源轉(zhuǎn)換裝置。中小容量的分布式電源接入配電網(wǎng)絡(luò)后，極少正面參與電壓調(diào)節(jié)。

傳統(tǒng)的的配電網(wǎng)主要是閉環(huán)設(shè)計(jì)，開(kāi)環(huán)運(yùn)行。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，越來(lái)越多的配電網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)包含有弱環(huán)網(wǎng)并且有大量分布式電源接入，在配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行和優(yōu)化計(jì)算時(shí)，需要計(jì)算分段開(kāi)關(guān)和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的弱環(huán)網(wǎng)潮流，同時(shí)分布式電源的接入與弱環(huán)網(wǎng)同時(shí)存在會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生多種影響[1]。分布式發(fā)電的引入使得配電系統(tǒng)從放射狀無(wú)源網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榉植加兄行⌒碗娫吹挠性淳W(wǎng)絡(luò)，也對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損、電壓的分布及有功功率和無(wú)功功率的數(shù)量及傳輸方向均有很大影響。

分布式電源接入配電網(wǎng)后會(huì)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生影響，潮流計(jì)算是量化分析其影響的基本手段之一，文獻(xiàn)[1]結(jié)合分布式電源出力變化接入位置變化以及與線路電壓調(diào)節(jié)配合的試驗(yàn)全面總結(jié)了分布式電源在配電網(wǎng)中接入位置出力限制等方面的運(yùn)行規(guī)律；文獻(xiàn)[2]引入風(fēng)力-太陽(yáng)能混合發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)的隨機(jī)潮流計(jì)算進(jìn)行研究，建立了隨機(jī)潮流分析模型，把風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)處理為PQ節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。文獻(xiàn)[3]將常見(jiàn)的各種分布式電源歸結(jié)為PV 節(jié)點(diǎn)、PI 節(jié)點(diǎn)或PQ(V)節(jié)點(diǎn)，提出了基于牛頓法的配電網(wǎng)三相潮流計(jì)算方法。文獻(xiàn)[4]針對(duì)含有PV型分布式電源的弱環(huán)網(wǎng)提出了基于靈敏度阻抗矩陣的無(wú)功補(bǔ)償量計(jì)算方法來(lái)處理PV節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]在對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池、蓄電池、高頻微型燃?xì)廨啓C(jī)及工頻熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行和控制性能詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，建立各種分布式電源潮流計(jì)算模型，考慮配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)問(wèn)題，提出了改進(jìn)型的前推回代法。但以上文獻(xiàn)都沒(méi)有對(duì)分布式電源接入弱環(huán)網(wǎng)時(shí)不同因素對(duì)電壓分布的影響情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

本文運(yùn)用基于疊加原理的改進(jìn)型前推回代法對(duì)含分布式電源的弱環(huán)配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算，具體研究了分布式電源接入容量，接入位置對(duì)弱環(huán)網(wǎng)電壓抬升情況，總結(jié)了分布式電源接入對(duì)弱環(huán)配電網(wǎng)的影響。

2 計(jì)及DG的弱環(huán)配電網(wǎng)潮流算法

本文基于前推回代法，采用能處理弱環(huán)網(wǎng)和分布式電源的潮流計(jì)算方法[6]。運(yùn)用基于疊加定理的改進(jìn)型前推回代法處理弱環(huán)網(wǎng)：將弱環(huán)配電網(wǎng)在合環(huán)點(diǎn)處分解為兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)環(huán)運(yùn)行的純輻射狀網(wǎng)絡(luò)和僅有環(huán)路的純環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)。純輻射狀網(wǎng)絡(luò)采用傳統(tǒng)前推回代法計(jì)算，純環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)采用回路電流法計(jì)算。配電網(wǎng)中一般只包含平衡節(jié)點(diǎn)和給定有功功率P和無(wú)功功率Q的節(jié)點(diǎn)，本文為便于研究采用恒功率靜態(tài)模型來(lái)表示饋線上各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷。同時(shí)假設(shè)負(fù)荷三相對(duì)稱(chēng)，因電壓等級(jí)較低，配電線路長(zhǎng)度較短，三相線路間的互感也不予考慮，所有線路阻抗均折合到系統(tǒng)電壓等級(jí)。

3 基于疊加原理的改進(jìn)型前推回代法實(shí)現(xiàn)

本文算法計(jì)算步驟如下：

(1)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，選取解環(huán)節(jié)點(diǎn)及環(huán)網(wǎng)所包含的節(jié)點(diǎn)，各個(gè)DG接入節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

(2)初始化開(kāi)環(huán)電壓V0和環(huán)路電流Il為0,各節(jié)點(diǎn)電壓初始值設(shè)為根節(jié)點(diǎn)電壓。計(jì)算環(huán)路總阻抗Z。

(3)計(jì)算包含DG節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)注入電流。

(4)回推計(jì)算各節(jié)點(diǎn)電流，將環(huán)路電流疊加到各個(gè)環(huán)網(wǎng)支路，前推求解節(jié)點(diǎn)電壓。

(5)檢查開(kāi)環(huán)點(diǎn)電壓差及前后兩次迭代計(jì)算中節(jié)點(diǎn)電壓差是否滿(mǎn)足收斂判據(jù)，滿(mǎn)足則迭代結(jié)束，不滿(mǎn)足則更新環(huán)路電流Il返回步驟2繼續(xù)迭代。

4 仿真與算例分析

本文對(duì)含有弱環(huán)網(wǎng)及分布式電源的33 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算，該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[6]，原系統(tǒng)中有五處聯(lián)絡(luò)線，可以形成五個(gè)環(huán)網(wǎng)。本文選擇選擇其中的1號(hào)，2號(hào)和4號(hào)環(huán)網(wǎng)為例，并在環(huán)網(wǎng)內(nèi)設(shè)置分布式電源。功率基準(zhǔn)值取S=10MVA，線電壓基準(zhǔn)值U=12.66kV。分布式電源出力以及位置信息如表1所示，IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)如圖1。

表1 分布式電源的出力和位置信息[1]

圖1 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)

4.1 DG接入對(duì)輻射狀配網(wǎng)電壓分布影響

自殺是一種復(fù)雜的社會(huì)現(xiàn)象，研究者可以從多個(gè)方面來(lái)理解和考察。在進(jìn)化心理學(xué)的框架下，de Catanzaro(1991)提出的適應(yīng)器理論激發(fā)了眾多的研究，值得感興趣的研究者予以關(guān)注。不過(guò)，這一理論依然還需要更多研究的檢驗(yàn)，而感興趣的研究者可以在未來(lái)著重考慮以下幾個(gè)方面。

將33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)中的聯(lián)絡(luò)線開(kāi)關(guān)全部打開(kāi)，網(wǎng)絡(luò)為無(wú)環(huán)網(wǎng)的純輻射狀配電網(wǎng)。接入分布式電源，分布式電源容量及位置情況如表1所示。分布式電源接入對(duì)電壓分布的影響如圖2。

圖2 并入DGS前后饋線的電壓分布

從圖2可以看出DGS接入對(duì)輻射狀配電網(wǎng)饋線電壓起到了很大的抬升作用，最低的電壓節(jié)點(diǎn)值從0.9132 p.u.上升到了0.9501 p.u.。

4.2 含環(huán)網(wǎng)未接入DG時(shí)電壓分布

分別將網(wǎng)絡(luò)中1號(hào)，2號(hào)和4號(hào)聯(lián)絡(luò)線支路的開(kāi)關(guān)閉合形成環(huán)網(wǎng)，進(jìn)行潮流計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

從圖中可以看出閉合環(huán)網(wǎng)1和2對(duì)電壓抬升作用較大，閉合環(huán)網(wǎng)4對(duì)電壓抬升作用不明顯，在合環(huán)點(diǎn)甚至出現(xiàn)電壓略微下降。這和合環(huán)點(diǎn)兩端電壓差密切相關(guān)，合環(huán)會(huì)把電壓水平拉至兩個(gè)原始合環(huán)節(jié)點(diǎn)電壓的中間值。因此恰當(dāng)?shù)倪x擇合環(huán)點(diǎn)對(duì)改變電壓分布十分重要。

0,1,2,4對(duì)應(yīng)所閉合的聯(lián)絡(luò)線

4.3 分布式電源出力變化對(duì)環(huán)網(wǎng)電壓分布影響

以?xún)H接入環(huán)網(wǎng)2為例，其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和負(fù)荷不變，分布式電源安裝位置不變，對(duì)接入的所有DG分別在0,33%,66%,100%出力時(shí)電壓分布情況如圖4所示。

0%，33%，67%，100%表示DG出力

從圖中可以看出DG出力大小直接影響?zhàn)伨€電壓分布，出力越大對(duì)饋線的電壓支撐作用越大。同時(shí)對(duì)于環(huán)網(wǎng)所在的1-11，18-21節(jié)點(diǎn)，DG接入容量越大，電壓變化越平穩(wěn)，電壓降越小。若DG接入容量過(guò)大則可能導(dǎo)致電壓越限。

4.4 分布式電源位置變化對(duì)環(huán)網(wǎng)電壓分布影響

同樣以環(huán)網(wǎng)2為例，其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和負(fù)荷不變，DG出力不變，只改變DG在網(wǎng)絡(luò)中的位置。試驗(yàn)的位置信息如表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果如圖5，圖6所示。

從圖5可以看出，總出力相同的分布式發(fā)電源分布在不同的位置組合，得到的電壓分布有著較大的差異，當(dāng)大容量DG安裝位置遠(yuǎn)離母線的時(shí)候，對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓提升很大，甚至超過(guò)了1p.u.，從電壓支撐角度來(lái)看，曲線2的電壓支撐效果最好。

表2 DGS位置變化的信息

1,2,3對(duì)應(yīng)表2中的編號(hào)

1,4,5對(duì)應(yīng)表2中的編號(hào)

從曲線4可以看出大容量DG接入環(huán)網(wǎng)可以減少電壓抬升，使饋線整體電壓分布趨于平穩(wěn)。在不恰當(dāng)?shù)奈恢媒尤隓G的電壓支撐會(huì)使得某些節(jié)點(diǎn)的電壓高于額定電壓(曲線5)。分布式發(fā)電的總?cè)萘吭酱?，則接入節(jié)點(diǎn)的電壓越高，甚至高于送端系統(tǒng)母線電壓此時(shí)末節(jié)點(diǎn)的分布式發(fā)電退出運(yùn)行線路末端的電壓變化幅度將過(guò)大。通常電壓極值點(diǎn)出現(xiàn)在線路首端，但當(dāng)DG容量較大時(shí)，如曲線5所示，電壓極值也會(huì)出現(xiàn)在線路中部的接入節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)環(huán)網(wǎng)解環(huán)形成輻射狀配網(wǎng)且大容量分布式電源同時(shí)退出運(yùn)行，環(huán)網(wǎng)和DG產(chǎn)生的電壓支撐同時(shí)消失，也會(huì)造成電壓驟降，對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。

5 結(jié)論

本文基于弱環(huán)配電網(wǎng)絡(luò)，分布式恒功率靜態(tài)負(fù)荷結(jié)合多個(gè)仿真試驗(yàn)說(shuō)明分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓分布的影響并得出如下結(jié)論：

(1)輻射狀配電網(wǎng)閉合聯(lián)絡(luò)線形成弱環(huán)網(wǎng)會(huì)對(duì)形成環(huán)網(wǎng)部分節(jié)點(diǎn)電壓起抬升作用。合環(huán)點(diǎn)電壓差越大，合環(huán)后對(duì)電壓較低的節(jié)點(diǎn)電壓提升越多。

(2)在環(huán)網(wǎng)存在的情況下，線路長(zhǎng)度仍對(duì)電壓降有較大影響，線路長(zhǎng)度較長(zhǎng)的環(huán)網(wǎng)，電壓降仍舊較大。

(3)分布式電源對(duì)弱環(huán)網(wǎng)和輻射狀電網(wǎng)的電壓分布都有相當(dāng)?shù)挠绊?，影響程度與分布式電源接入容量，位置，功率因數(shù)密切相關(guān)。

(4)弱環(huán)網(wǎng)對(duì)分布式電源帶來(lái)的電壓抬升有一定抑制作用，當(dāng)較大容量分布式電源接入時(shí)可以考慮接入環(huán)網(wǎng)中以減小電壓升。

(5)弱環(huán)網(wǎng)解環(huán)時(shí)要考慮環(huán)內(nèi)是否存在大容量的分布式電源，否則解環(huán)的同時(shí)分布式電源解列，會(huì)導(dǎo)致電壓瞬間驟降，影響電網(wǎng)穩(wěn)定性。

[1] 王志群,朱守真,周雙喜,等.分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004,28(16):56-60.

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Analysis of the Distributed Power Supply to Weak Loop Distribution Grid Voltage Infuence

JINChang-jin，LIShao-gang，CHENDuan-hang

(College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China)

Because traditional back/forward sweep power flow calculation are not applicable to the weakly meshed distribution network，this paper calculated based on the superposition principle of improved back/forward sweep power flow calculation.IEEE33 node distribution system as an example，research and analysis of the different voltage profile between radial distribution network and weakly meshed distribution network，and summarizes distributed dower access locations，output power size influence the grid voltage.

distributed generation；weak meshed distribution system；flow calculation；voltage distribution

1004-289X(2015)03-0091-04

TM72

B

2014-05-05

金昌錦(1988-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榉植际侥茉磁c配電網(wǎng)； 李少綱(1962-)，男，副教授，碩導(dǎo)，研究方向建筑電氣； 陳端航(1989-)，男，碩士研究生，研究方向新能源應(yīng)用。