分布式電源對主動配電網(wǎng)的電壓潮流分析

山西大學 ■ 薛太林 賀文彪 魏敏

0 引言

分布式電源(DG)作為國家電網(wǎng)能源來源的組成部分，以無污染、安裝方便等優(yōu)勢獲得迅速的發(fā)展并走進大眾生活。但DG的大量接入改變了傳統(tǒng)無源配電網(wǎng)單一潮流流動方式，改變了配電網(wǎng)的電壓水平、提高了配電網(wǎng)的短路容量、增加了繼電保護策略的復雜度、影響了電網(wǎng)供電的可靠性，以及加劇了電能質(zhì)量的惡化等[1,2]。由于配電網(wǎng)尚不能完全解決規(guī)模化DG帶來的穩(wěn)態(tài)電壓和潮流分布的問題，于是在2008年，CIGRE和C6.11項目組提出了主動配電網(wǎng)(ADN)。ADN是可綜合控制分布式能源(DG、柔性負載和儲能)的配電網(wǎng)，可通過靈活的網(wǎng)絡技術實現(xiàn)潮流的有效管理，分布式能源在其合理的監(jiān)管環(huán)境和接入準則基礎上對配電網(wǎng)系統(tǒng)承擔一定的支撐作用[3]。因此，在并網(wǎng)模式下，DG需根據(jù)ADN的系統(tǒng)要求，自主參與調(diào)節(jié)，這使DG的消納水平提升，有利于配電網(wǎng)安全可靠的運行[4]和環(huán)境問題的改善。

當大量DG接入配電網(wǎng)后，會使配電網(wǎng)的支路潮流[5]、節(jié)點電壓等發(fā)生變化，在不合理的位置接入容量不合適的DG可能會對電壓質(zhì)量等產(chǎn)生不利影響，因此需要分析DG對ADN穩(wěn)態(tài)電壓分布及網(wǎng)損變化的影響。

1 含DG的ADN潮流

隨著各種DG加入配電系統(tǒng)，出現(xiàn)了新的節(jié)點類型，使潮流計算變得更加復雜，導致傳統(tǒng)配電網(wǎng)中的潮流計算方法在含有高滲透率DG的ADN中并不適用，需要進行改進。潮流計算的方法主要有前推回代法、牛頓拉夫遜法、直接法、支路計算法、母線潮流計算法等[6,7]。由于牛頓拉夫遜法具有收斂更快、迭代次數(shù)更少等特點，在ADN的潮流計算中得到持續(xù)運用。

基于牛頓拉夫遜法的含DG的ADN潮流算法迭代步驟如圖1所示。

圖1 潮流算法迭代步驟

可由式(1)、式(2)求修正方程的常數(shù)項ΔPi(0)、ΔQi(0)：

式中，ψij為節(jié)點間角度相位差；ΔPi、ΔQi為潮流方程的差相量；Pi、Qi分別為各節(jié)點有功和無功功率；Ui、Uj為節(jié)點電壓；Gij、Bij分別為節(jié)點間互導納的實部和虛部；i、j為節(jié)點號(i、j=1 ···10，i≠j)。

修正量ΔUi(0)、Δψi(0)可由式(3)求得：

式中，Δψi、ΔUi分別為電壓的相位、幅值修正量；J為雅克比矩陣。

修正各節(jié)點的電壓向量可由式(4)求得：

式中，Ui(0)、ψi(0)為節(jié)點電壓向量的初值。

2 簡單配電網(wǎng)的穩(wěn)定電壓分布

未接入DG的輻射狀ADN中饋線潮流方向單一，不存在功率分點，隨著潮流的方向節(jié)點電壓逐步下降。接入DG后，對其所在配電網(wǎng)的潮流會產(chǎn)生一定影響，這不僅會改變線路有功功率和無功功率的大小，有時甚至會改變部分支路的潮流方向。相應的，各節(jié)點電壓同樣會有一定程度的改變，如圖2所示。

圖2 DG對潮流和電壓分布的影響

為研究支路上各點電壓在接入DG后受到的影響程度，亦可采用電壓變化率ΔU來進行分析：

式中，為節(jié)點i處接入DG后的節(jié)點電壓；Ui為DG接入前的節(jié)點電壓。

ΔU越大，說明接入DG后該點電壓受到的影響越大。

3 仿真分析

本文為IEEE 10節(jié)點配電系統(tǒng)，通過改變接入地點與容量來反映分布式電源對電壓分布及線路損耗的影響，如圖3所示。支路編號1～10與該支路的受端節(jié)點號①～⑩保持一致。支路參數(shù)和母線負荷的配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)見表1，節(jié)點⑩在某天的負荷變化情況見表2。對系統(tǒng)進行潮流計算和電壓計算，得出穩(wěn)態(tài)電壓分布及網(wǎng)損的變化。

圖3 IEEE 10節(jié)點配電系統(tǒng)

表1 IEEE 10配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)

表2 節(jié)點⑩日負荷變化表

3.1 并網(wǎng)情況下DG對ADN電壓及網(wǎng)損的影響

需進行兩種試驗來判斷DG對ADN電壓及網(wǎng)損的影響。1)DG容量不變，觀察DG接入位置的改變對ADN穩(wěn)態(tài)電壓及網(wǎng)損的影響；2)DG位置不變，觀察DG容量的改變對ADN穩(wěn)態(tài)電壓及網(wǎng)損的影響。

3.1.1 DG位置變化對ADN電壓的影響

并網(wǎng)情況下，DG容量標幺值取0.5。為了反映規(guī)律，不改變DG的容量，分別在節(jié)點⑤、⑦、⑩處接入DG，觀察對整個配電網(wǎng)電壓的影響。各節(jié)點的電壓變化如圖4所示。

由圖4可知，未接入DG時，節(jié)點③、⑤、⑦處電壓很低，處于安全運行的臨界位置；相反，接入DG后，大部分節(jié)點的電壓有所抬高，各節(jié)點電壓都有明顯改善。因此，接入DG能提高ADN的電壓水平。

3.1.2 DG位置變化對ADN線路網(wǎng)損的影響

在并網(wǎng)情況下，選取DG容量標幺值0.5，取節(jié)點⑤、⑦、⑧、⑩。DG接入位置改變時線路網(wǎng)損分布曲線仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，網(wǎng)損的變化與DG的接入位置有關。仿真結(jié)果表明，在DG容量不變的情況下，網(wǎng)損的多少取決于DG的位置，距離平衡節(jié)點(節(jié)點①)越遠網(wǎng)損越少。

圖4 接入DG容量不變、接入位置改變后的電壓變化

圖5 接入DG容量不變、接入位置改變后的網(wǎng)損變化

3.1.3 DG容量變化對ADN電壓的影響

并網(wǎng)情況下，將DG安裝在節(jié)點⑨，對DG的出力進行隨機變動，分別取標幺值0.2、0.4、0.6、0.8、1.0。DG容量改變時電壓分布曲線仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 接入位置不變、DG容量改變后的電壓變化

由圖6可知，在DG接入位置不變的情況下，穩(wěn)態(tài)電壓變化取決于DG的容量。DG的容量越大，對電壓的改善能力就越強，ADN整體電壓水平就越高。

3.1.4 DG容量變化對ADN線路網(wǎng)損的影響

在并網(wǎng)情況下，將DG安裝在節(jié)點⑩，對DG的出力進行隨機變動，分別取標幺值0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6。DG容量改變時線路網(wǎng)損分布曲線仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 接入位置不變、DG容量改變后的網(wǎng)損變化

由圖7可知，網(wǎng)損隨DG容量增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化。在不改變DG接入位置的情況下，網(wǎng)損取決于DG的容量，但并不是DG容量越大越好。

3.2 DG的接入位置及容量確定方法

3.2.1 確定DG接入位置

在9個節(jié)點接入相同容量的DG，確定24 時段里支路出現(xiàn)最小網(wǎng)損的次數(shù)，仿真數(shù)據(jù)見表3。

表3 支路網(wǎng)損最小次數(shù)

在節(jié)點⑤⑥⑦⑧⑩都有網(wǎng)損最小次數(shù)，其中節(jié)點⑩出現(xiàn)12次網(wǎng)損最小次數(shù)。

圖8為達到網(wǎng)損最小時各節(jié)點24時段的線路損耗的變化曲線，可知在節(jié)點⑩各時段的線路損耗都較低。由于節(jié)點⑩出現(xiàn)最小網(wǎng)損的次數(shù)最多，因此確定節(jié)點⑩為DG的接入位置。

3.2.2 確定DG接入容量

DG接入配電網(wǎng)的容量影響網(wǎng)損的大小，隨著DG容量的增大，網(wǎng)損先減小后增大。圖7可知，接入容量標幺值為0.3時網(wǎng)損達到最小。

圖8 節(jié)點接入DG的24時段網(wǎng)損變化曲線

4 結(jié)論

本文基于IEEE 10節(jié)點配電系統(tǒng)，利用MATLAB仿真軟件，并結(jié)合多個仿真試驗，得出DG的接入對ADN穩(wěn)態(tài)電壓分布和網(wǎng)損的影響，即：

1)在并網(wǎng)狀態(tài)下，電壓支撐取決于DG的容量和接入位置。DG越靠近線路末端，節(jié)點電壓變化越大，對線路電壓分布影響也越大。DG的容量越大，對電壓的改善能力就越強，ADN整體電壓水平就越高。

2)在并網(wǎng)狀態(tài)下，網(wǎng)損的變化與DG的位置和容量有關。在不改變DG容量的情況下，網(wǎng)損取決于DG的位置，距離平衡點越遠，網(wǎng)損越??；同時，網(wǎng)損的變化隨DG容量增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化，但并不是DG容量越大越好。

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