分布式電源接入配電網(wǎng)最佳方式的研究

胡英龍，李 巖

（1.國網(wǎng)南平供電公司，福建 南平353000；2.國網(wǎng)開封供電公司，河南 開封475000）

隨著全球溫室效應(yīng)的加劇，急需一種新能源作為電能的補充，以減少二氧化碳排放.可再生能源發(fā)電以其高效、靈活、低碳的特點引起了人們的廣泛關(guān)注［1－2］.高效、可靠的可再生能源以分布式電源（distributed generation，簡稱DG）方式引入配電網(wǎng)中.分布式電源的引入給配電網(wǎng)的潮流、電壓質(zhì)量、功率損耗和可靠性帶來一定的影響.為了充分利用可再生能源，減少分布式電源引入對配電網(wǎng)的影響，必須要一個合理的接入點和最佳容量［3－4］.近年來，國內(nèi)外已有學(xué)者對分布式電源選址、定容及其對配電網(wǎng)的影響進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)［5－6］僅從配電網(wǎng)年運行費用最小的角度來對分布式電源的位置和容量進(jìn)行研究，文中沒有考慮配電網(wǎng)的電壓變化及網(wǎng)損.文獻(xiàn)［7］用概率方法確定了分布式電源的接入點應(yīng)為負(fù)荷中心區(qū)域.文獻(xiàn)［8］僅從分布式電源對配電網(wǎng)電壓的影響來確定其接入位置和選擇容量，文中沒有從網(wǎng)損和經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行分析.文獻(xiàn)［9］利用等效網(wǎng)損微增率來確定分布式電源的位置，從有功損耗和電壓改善程度來確定分布式電源容量，文中沒有考慮無功功耗、反向潮流和其自身功率因數(shù)對配電網(wǎng)的影響.

作者針對日負(fù)荷曲線中最大負(fù)荷和最小負(fù)荷的瞬時性，選取加權(quán)最大負(fù)荷、加權(quán)最小負(fù)荷兩種運行方式，根據(jù)潮流計算中配電網(wǎng)電壓的變化，確定配電網(wǎng)中需要電壓改善的區(qū)域；然后根據(jù)分布式電源能夠提高配電網(wǎng)電壓水平，以反向潮流次數(shù)最小和網(wǎng)損最小為目標(biāo)，結(jié)合分布式電源自身功率因數(shù)和類型，確定該分布式電源在該區(qū)域中的最佳接入點和最佳容量.算例采用河南省某地區(qū)35kV配電網(wǎng)進(jìn)行仿真計算.

1 配電網(wǎng)中典型日負(fù)荷曲線和分布式電源的處理

1.1 日負(fù)荷曲線的最大、最小負(fù)荷分析

電力系統(tǒng)日負(fù)荷曲線是某個地區(qū)全部用電負(fù)荷的日變化曲線.日負(fù)荷曲線跟電力系統(tǒng)規(guī)模、季節(jié)、用電負(fù)荷變化有關(guān)，最大負(fù)荷、最小負(fù)荷具有瞬時性.為了更加準(zhǔn)確地分析負(fù)荷高峰期和低谷期配電網(wǎng)電壓變化和網(wǎng)損情況，不能簡單地將日負(fù)荷曲線中最大、最小負(fù)荷相加作為負(fù)荷高峰期和低谷期的負(fù)荷.鑒于此，該文采用加權(quán)最大負(fù)荷、加權(quán)最小負(fù)荷來分析負(fù)荷高峰期和低谷期的負(fù)荷情況.

1.2 加權(quán)最大負(fù)荷、加權(quán)最小負(fù)荷分析

選取日負(fù)荷曲線中負(fù)荷高峰期、負(fù)荷低谷期進(jìn)行加權(quán)，設(shè)負(fù)荷低谷期時段為t1－t2，加權(quán)最小負(fù)荷為Pmin（J），負(fù)荷高峰期時段為t3－t4，加權(quán)最大負(fù)荷為Pmax（J）.圖1為日負(fù)荷曲線.

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)加權(quán)最大負(fù)荷Pmax（J）比最大負(fù)荷Pmax小，加權(quán)最小負(fù)荷Pmin（J）比最小負(fù)荷Pmin大.加權(quán)最小負(fù)荷為Pmin（J）、加權(quán)最大負(fù)荷為Pmax（J）的定義如下

其中：P（t）為時刻t的負(fù)荷大小.

1.3 分布式電源的節(jié)點

分布式電源通常發(fā)出較高的有功功率，很少用來調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)電壓，因此把它所連接的節(jié)點歸為PQ節(jié)點［10－12］.但是有一些分布式電源，它們有中央控制系統(tǒng)，能夠提供實時的無功補償，此時這種發(fā)電機組就可看作PV節(jié)點［13］.

2 分布式電源對配電網(wǎng)的影響

圖2為含分布式電源的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型圖.城鄉(xiāng)配電網(wǎng)大多以放射狀鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)為主，對于每條主干路都可以簡化為該圖所示的結(jié)構(gòu).假設(shè)配電網(wǎng)饋線上有N個負(fù)荷，依次編號為1，2，…，N，功率為Si＝Pi＋jQi，每段線路阻抗為Ri＋jXi（1≤i≤N），U1為首節(jié)點，DG從k（1＜k＜N）點接入.

2.1 分布式電源對配電網(wǎng)潮流的影響

首端功率為P′1，首端電壓為U1，各節(jié)點功率滿足

由公式（4）可知，隨著分布式電源容量的增加，即當(dāng)（P′i＋Pi－PDG）≤0時，配電網(wǎng)潮流反向，其具體關(guān)系如下：

由上可知，隨著分布式電源容量的增加，配電網(wǎng)反向潮流次數(shù)增加.

2.2 分布式電源對配電網(wǎng)電壓的影響

根據(jù)電壓偏移方法可得與各節(jié)點電壓Vj有關(guān)參量如下

根據(jù)公式（5）～（7）可知，分布式電源接在k點之前和之后時，傳輸功率減小會導(dǎo)致節(jié)點電壓增加.分布式電源接在k點時，可以通過調(diào)度k點的節(jié)點電壓來使得k點前后的節(jié)點電壓也升高，所以分布式電源的接入總體上提高了配電網(wǎng)的電壓水平.

2.3 分布式電源對配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響

配電網(wǎng)總網(wǎng)損大小為

由式（8）可知：接入分布式電源后的網(wǎng)損依賴于分布式電源的接入點和接入容量，故需要在接入點與最佳接入容量上進(jìn)行合理選擇才能獲取最佳效益.

3 分布式電源最佳方式的確定

該文不考慮分布式電源受自然條件的影響，只從電路上考慮，分布式電源自身容量及其接入點、注入容量對配電網(wǎng)電壓、網(wǎng)損及反向潮流次數(shù)的影響.

3.1 最佳接入點的確定

根據(jù)配電網(wǎng)在加權(quán)最大負(fù)荷、加權(quán)最小負(fù)荷兩種運行方式下配電網(wǎng)電壓分布的特點，確定配電網(wǎng)需要改善電壓的區(qū)域，然后將其接入配電網(wǎng)該區(qū)域中的各個節(jié)點，以該區(qū)域中節(jié)點電壓改善（ΔU1max%）最佳、網(wǎng)損P′loss最小和反向潮流次數(shù)m最小為目標(biāo)，來確定分布式電源的最佳接入點［14］.目標(biāo)函數(shù)如下

其中：Vj為節(jié)點電壓；Vje為DG未接入配電網(wǎng)前該點電壓；m1為加權(quán)最小運行方式下不同節(jié)點處反向潮流次數(shù)；m2為加權(quán)最大運行方式下不同節(jié)點處反向潮流次數(shù).DG接入配電網(wǎng)會對配電網(wǎng)的運行和穩(wěn)定產(chǎn)生影響［11］，所以必需對其進(jìn)行一些約束，其約束條件如下

其中：PGi、QGi為節(jié)點的有功功率和無功功率；cosφDG為分布式電源的功率因數(shù).

3.2 最佳容量的確定

作者同時考慮分布式電源容量和功率因數(shù)對配電網(wǎng)電壓的影響.不斷改變分布式電源容量，以改善配電網(wǎng)電壓水平（ΔU2max%）、網(wǎng)損P″loss最小和反向潮流次數(shù)m3最小為目標(biāo)，來確定分布式電源的最佳容量，目標(biāo)函數(shù)如下

其中：PA、PB分別為分布式電源在加權(quán)最大、最小負(fù)荷運行方式時的極限容量；m3為不同容量DG在加權(quán)最小負(fù)荷運行方式時的反向潮流次數(shù).

4 算 例

4.1 算例系統(tǒng)簡介

該算例用河南省某地區(qū)35kV配電網(wǎng)作為研究對象，該配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其基準(zhǔn)功率為100MVA，電壓基值為37kV.

4.2 分布式電源最佳接入點

圖4為配電網(wǎng)在兩種運行方式下各節(jié)點電壓分布.由圖4可知，節(jié)點2、3、4所在饋線電壓處于較低的水平，尤其是節(jié)點4電壓在加權(quán)最大負(fù)荷運行方式處于越限狀態(tài).

根據(jù)該地區(qū)可再生能源條件，選取分布式電源最大容量為2.4MW，其接入點為PQ節(jié)點，將其分別接入饋線1、2、3、4.

表1為加權(quán)最大負(fù)荷運行方式下DG接入不同節(jié)點處的反向潮流次數(shù)，表2為加權(quán)最小負(fù)荷運行方式下DG接入不同節(jié)點處反向潮流次數(shù).表1、2表明最大容量時分布式電源接入不同節(jié)點處的反向潮流次數(shù)為0.

表1 加權(quán)最大負(fù)荷運行方式下DG接入不同節(jié)點處的反向潮流次數(shù)Tab.1 The numbers of reverse trend of the different nodes that DG is connected under the maximum weighted load

表2 加權(quán)最小負(fù)荷運行方式下DG接入不同節(jié)點處反向潮流次數(shù)Tab.2 The numbers of reverse trend of the different nodes that DG is connected under the minimum weighted load

表3為DG接入不同接入點時配電網(wǎng)節(jié)點電壓分布，由表3可知分布式電源可以提高配電網(wǎng)電壓水平，而且接入點越接近配電網(wǎng)末端時，電壓改善效果越好.表4為DG接入不同接入點時配電網(wǎng)網(wǎng)損，由表4可知分布式電源還可以降低配電網(wǎng)網(wǎng)損，而且接入點越接近配電網(wǎng)末端，網(wǎng)損越小.節(jié)點4處于配電網(wǎng)的末端，電壓處于越限狀態(tài)，分布式電源接入該點電壓改善最好，沒有潮流反向，網(wǎng)損最小，所以該配電網(wǎng)中分布式電源的最佳接入點為節(jié)點4.

表3 DG接入不同接入點時配電網(wǎng)節(jié)點電壓分布Tab.3 The node voltage distribution of distribution network when DG is connected to different access point

表4 DG接入不同接入點時配電網(wǎng)網(wǎng)損Tab.4 The distribution network loss when DG is connected to different access point

4.3 分布式電源最佳容量

已求出節(jié)點4為最佳接入點，因此在求該系統(tǒng)的最佳容量時，選節(jié)點4作為接入點.根據(jù)配電網(wǎng)中分布式電源高功率因數(shù)的要求，選取分布式電源功率因數(shù)為0.9.

圖5為不同容量DG在加權(quán)最大負(fù)荷運行方式下電壓的變化.由圖5可知，在加權(quán)最大負(fù)荷運行方式下，分布式電源注入容量為29.9MW時，節(jié)點4的電壓越限.圖6為不同容量DG在加權(quán)最小負(fù)荷運行方式下電壓的變化.由圖6可知，加權(quán)最小負(fù)荷運行下分布式電源的注入容量為15.6MW時，節(jié)點4的電壓越限，因此要使配電網(wǎng)在日負(fù)荷曲線下正常運行，分布式電源容量應(yīng)小于15.6MW.

表5為不同容量DG在加權(quán)最小負(fù)荷運行方式下的潮流反向次數(shù).由表5可知，分布式電源的容量不大于4.22MW時，反向潮流次數(shù)最小為0次；另根據(jù)PDG小于6.89MW，結(jié)合配電網(wǎng)在日負(fù)荷曲線下正常運行的分布式電源容量小于15.6MW，以及配電網(wǎng)損耗隨分布式電源容量增加而降低特點，可知分布式電源的最佳容量為4.22MW，此時配電網(wǎng)有功功率損耗為2.76MW，無功功率損耗為7.43Mvar.

表5 不同容量DG在加權(quán)最小負(fù)荷運行方式下的潮流反向次數(shù)Tab.5 The change of reverse trend numbers with DG different capacities under the minimum weighted load

5 結(jié)束語

（1）分布式電源在加權(quán)最大、最小負(fù)荷運行方式下的最佳方式，能滿足其在日負(fù)荷曲線下正常運行，并且網(wǎng)損和反向潮流次數(shù)最小，電壓改善最佳.

（2）分布式電源可以提高配電網(wǎng)電壓水平，而且分布式電源接入點越接近配電網(wǎng)末端，配電網(wǎng)電壓升高效果越好.

（3）分布式電源接入配電網(wǎng)可以減少配電網(wǎng)的網(wǎng)損，而且接入點越接近配電網(wǎng)的末端，網(wǎng)損越小，提高了經(jīng)濟(jì)效益.

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