分布式電源滲透率對10 kV配電網(wǎng)運行的影響研究*

王漢華，陳小明

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，廣東韶關(guān) 512028）

0 引言

當(dāng)前，全球化石能源日趨枯竭，環(huán)境污染問題日益嚴峻，推進風(fēng)電、光伏等可再生能源的應(yīng)用是實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。隨著電力政策的放開，分布式電源(Distributed Generation，DG)以其投資成本低、發(fā)電方式靈活、綠色清潔等特點，受到了國內(nèi)外廣泛關(guān)注[1-2]。

DG的應(yīng)用主要以接入配電網(wǎng)運行為主，這樣既便于可再生能源的就地利用，又可以減少傳輸電能的損耗和延緩配電網(wǎng)的升級改造。DG的接入使單電源放射型的傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)，變成多電源分散分布的有源網(wǎng)絡(luò)，使得配電網(wǎng)的潮流分布更加復(fù)雜多變，對配電網(wǎng)電壓質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)損耗和繼電保護等造成影響[3-4]。隨著DG接入容量的增大，配電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟和可靠性受到了威脅[5-7]。文獻[8]在Digsilent平臺上仿真分析了分布式風(fēng)電和分布式光伏接入對配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響；文獻[9]研究了分布式光伏接入后配電網(wǎng)網(wǎng)損的變化規(guī)律；文獻[10]基于威布爾—馬爾科夫模型進行了分布式電源多運行狀態(tài)的配電網(wǎng)可靠性分析。DG配電網(wǎng)的影響與其接入容量密切相關(guān)，文獻[11]以滲透率描述DG接入容量與系統(tǒng)負荷的關(guān)系，并研究DG滲透率對電壓的影響。上述研究往往通過仿真分析得到DG對配電網(wǎng)的影響規(guī)律，鮮有從機理上分析DG對配電網(wǎng)的影響。

因此，本文引入DG滲透率的概念，從機理上分析DG接入對配電網(wǎng)、電流和網(wǎng)絡(luò)損耗的影響，并以典型10 kV配電線路進行仿真，研究DG滲透率對配電網(wǎng)運行參數(shù)的影響規(guī)律，最后提出提升配電網(wǎng)DG消納能力的措施。

1 DG接入對配電網(wǎng)影響機理分析

如圖1所示，為DG接入10 kV配電網(wǎng)的簡化示意圖，其中，配電線路共有n個節(jié)點，節(jié)點i上的負荷為PLi+jQLi,；線路Li上的阻抗為Ri+jXi；饋線首端為該網(wǎng)絡(luò)的平衡節(jié)點，電壓幅值為V0，節(jié)點i的電壓幅值為Vi；DG接入節(jié)點為p，其輸出功率為PDG+jQDG。下面將從機理上分析DG接入對配電網(wǎng)電壓、電流和網(wǎng)損的影響。

圖1 DG接入配電網(wǎng)的簡化示意圖

1.1 對電壓的影響

配電網(wǎng)兩節(jié)點間電壓相角相差很小，因此忽略電壓降落橫分量，第m-1個和第m個節(jié)點的電壓降落縱分量為：

由式（3）可知，DG接入后對配電網(wǎng)電壓有抬升作用，DG接入容量越大，配電網(wǎng)電壓抬升效果越明顯。

1.2 對電流的影響

DG接入前線路Lm的電流為：

DG接入后線路Lm的電流為：

由式（5）可知，DG接入配電網(wǎng)后，對于DG接入節(jié)點后的線路電流沒有影響；對于DG接入節(jié)點前的線路，隨著DG接入容量的增大，線路電流逐漸減小，當(dāng)DG接入容量足夠大，線路電流出現(xiàn)反向，并可能超過線路最大載流量。

1.3 對網(wǎng)損的影響

DG接入前，配電網(wǎng)的總有功損耗為：

由式（7）可知，隨著DG接入容量的增大，配電網(wǎng)線路總有功損耗先減小后增加：當(dāng)DG接入容量較小時，DG接入配電網(wǎng)有利于減小有功損耗；當(dāng)DG接入容量過大，DG接入配電網(wǎng)會增大配電網(wǎng)的有功損耗。

2 DG滲透率對配電網(wǎng)影響仿真分析

本文以一條實際配電線路仿真分析不同DG接入容量對配電網(wǎng)電壓、電流和網(wǎng)損等運行參數(shù)的影響。該配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主干線總長度為10.5 km，配變總?cè)萘科骄萘繛?00 kVA，配變負載率為35%，負荷平均功率因數(shù)為0.85。

本文采用滲透率描述DG接入容量的大小，滲透率定義為：DG總裝機容量與配電線路最大負荷的百分比，具體如式(8)所示：

式（8）中：δ為配電線路滲透比，PDGi為第i個DG的裝機容量，PLm為配電線路最大負荷。

隨著接入DG滲透率的變化，配電網(wǎng)的電壓、線路電流和網(wǎng)絡(luò)損耗等指標也呈現(xiàn)出特定的變化規(guī)律。本文利用在Matlab軟件調(diào)用Matpower工具箱進行潮流計算，設(shè)置DG滲透率分別為0%、10%、40%、70%、100%和130%，研究不同DG滲透率對配電網(wǎng)電壓、線路電流和網(wǎng)絡(luò)損耗等指標的影響。

圖2 典型10 kV配電線路結(jié)構(gòu)

2.1 不同DG滲透率對電壓的影響

當(dāng)DG在配電線路末端接入，DG滲透率為0%、10%、40%、70%、100%和130%不同情況下，配電線路主干沿線的電壓分布如圖3所示。

圖3 不同DG滲透率下配電網(wǎng)電壓分布情況

由圖3可見，無DG接入時，配電線路沿線電壓從饋線首端往線路末端逐漸減低，線路末端電壓偏低，存在電壓越下限的風(fēng)險。DG接入配電網(wǎng)，對配電網(wǎng)電壓有抬升作用，DG滲透率越高，抬升效果越顯著。當(dāng)無DG接入時對應(yīng)線路沿線電壓最低，當(dāng)DG滲透率為130%時對應(yīng)線路沿線電壓最高。同時，隨著DG滲透率的增大，從饋線首端到線路末端沿線電壓分布存在三種情況：

①沿線節(jié)點電壓逐漸降低；

②沿線節(jié)點電壓先下降后上升；

③沿線節(jié)點電壓逐漸上升。

因此，當(dāng)DG滲透率過大時，線路電壓從饋線首端到線路末端逐步升高，饋線末端成為電壓最高點，將最先面臨越上限的風(fēng)險。

2.2 不同DG滲透率對線路電流的影響

當(dāng)DG在配電線路末端接入，DG滲透率為0%、10%、40%、70%、100%和130%不同情況下，配電網(wǎng)最大的線路電流及其對應(yīng)的線路如表1所示。

表1 不同DG滲透率下配電網(wǎng)線最大路電流變化情況

由表1可見，當(dāng)無DG接入時，配電網(wǎng)最大線路電流為244 A，對應(yīng)線路為L1，這是因為配電網(wǎng)所需功率均由變電站提供，功率流動方向從饋線首端向線路末端單向流動，即電流方向從饋線首端流向末端，此時最大線路電流位置位于饋線首端與第一個節(jié)點之間的線路L1；當(dāng)DG接入配電網(wǎng)后，DG滿足部分負荷所需的功率，饋線首端下送功率減小，此時線路的最大線路電流有所下降，最大電流對應(yīng)的線路仍為L1；當(dāng)DG滲透率增大時，DG所發(fā)功率除了平衡負荷所需功率外，還將向饋線首端倒送功率，由于DG主要發(fā)有功功率，有功電流從DG接入節(jié)點向饋線首端流動，此時最大線路電流對應(yīng)線路為DG節(jié)點與其相鄰上游節(jié)點之間的線路L31；隨著DG滲透率進一步增大，最大線路電流大于無DG接入時的情況，甚至可能超過線路的最大載流量，配電網(wǎng)存在電流過載的風(fēng)險。

2.3 不同DG滲透率對有功損耗的影響

當(dāng)DG在配電線路末端接入，DG滲透率為0%、10%、40%、70%、100%和130%不同情況下，配電網(wǎng)有功損耗變化情況如圖4所示。

圖4 不同DG滲透率下配電網(wǎng)網(wǎng)損變化情況

由圖4可見，隨著DG在配電線路中滲透率的提升，線路網(wǎng)損呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，這是由于容量較小的DG接入配電網(wǎng)，能滿足部分負荷所需的功率，線路流動功率減小，因此有功損耗降低；隨著DG滲透率持續(xù)上升，DG將向饋線首端倒送功率，線路流動功率增多，因而有功損耗逐漸上升。由圖4可知，配電線路存在最佳DG滲透率，在該滲透率下，配電網(wǎng)的有功損耗最低，節(jié)能降損效果最好。

通過上述分析可知，當(dāng)DG滲透率較小時，DG接入可以改善配電網(wǎng)的運行狀況，體現(xiàn)為電壓升高、最大線路電流和有功損耗減??；當(dāng)DG滲透率較大時，DG接入會惡化配電網(wǎng)的運行狀況，存在電壓越上限和電流過載的風(fēng)險，系統(tǒng)安全性面臨威脅，而且有功損耗增加，系統(tǒng)運行經(jīng)濟性變差。

3 分布式電源消納能力提升措施

隨著DG滲透率提高，配電網(wǎng)的運行面臨安全風(fēng)險，運行的經(jīng)濟性也將下降。這是限制配電網(wǎng)DG消納能力的主要因素。通過線路改造、安裝又在調(diào)壓變壓器和儲能裝置、對DG進行主動控制等措施，可有效提高配電網(wǎng)DG消納能力。

（1）線路改造

配電網(wǎng)一些老舊的配電線路，其導(dǎo)線截面積較小，電阻和電抗較大，載流能力較弱，極大地限制了DG的消納。可以通過改造部分線路，將鋼/鋁絞線等更換成電纜線路，加大導(dǎo)線截面積，提高線路的傳輸能力，降低功率倒送引起的電壓抬升，從而提高配電網(wǎng)DG消納能力。

（2）安裝有載調(diào)壓變壓器

過電壓問題是限制DG應(yīng)用的主要因素之一。通過合理的調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器的抽頭，控制其二次側(cè)電壓，可使配電網(wǎng)電壓保持在規(guī)定范圍內(nèi)，從而解決DG接入容量過大引起的過電壓問題，有效提高配電網(wǎng)DG消納能力。

（3）安裝儲能裝置

DG出力具有隨機性和波動性，其接入給配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來嚴重的危害。儲能裝置可以通過充發(fā)電實現(xiàn)電能的跨時段轉(zhuǎn)移，進行“削峰填谷”：在DG出力大、負荷小時，進行充電，降低配電網(wǎng)電壓和電流過載風(fēng)險；在DG出力小，負荷大時，進行放電，改善配電網(wǎng)的低電壓問題。

（4）對DG進行主動管理

部分DG具有無功輸出能力，通過對DG輸出無功功率的主動控制，當(dāng)DG有功出力過大、負荷較小時，控制DG吸收無功功率；當(dāng)DG有功輸出較小、負荷較大時，控制DG發(fā)出無功功率。這樣，可協(xié)調(diào)控制配電網(wǎng)的電壓，使配電網(wǎng)運行在最優(yōu)狀態(tài)。此外，當(dāng)DG的無功輸出不足以解決其并網(wǎng)引起的過電壓時，可通過主動削減DG的有功出力，將電壓維持在安全范圍內(nèi)?？梢?，通過對DG進行無功輸出控制和有功削減等主動管理措施，可以提高配電網(wǎng)DG消納能力。

4 結(jié)語

（1）合理的DG滲透率對電壓有抬升作用，可以減小線路電流和網(wǎng)絡(luò)損耗，但過大的DG滲透率會引起電壓越限、電流過載和網(wǎng)損增加等問題，這成為限制配電網(wǎng)DG消納能力的主要因素。

（2）結(jié)合DG滲透率對配電網(wǎng)運行參數(shù)的影響規(guī)律，提出了配電網(wǎng)DG消納能力提升措施，可以指導(dǎo)配電網(wǎng)更加合理地進行DG規(guī)劃和管理。

參考文獻：

［1］程杉，陳民鈾，黃薏宸.含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)多目標無功優(yōu)化策略研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（10）：45-50.

［2］肖遠兵，程浩忠，楊衛(wèi)紅，等.含光伏隨機出力的配電網(wǎng)兩階段無功優(yōu)化［J］.現(xiàn)代電力，2016，33（04）：38-43.

［3］葉琳浩，黃偉，張勇軍.分布式光伏發(fā)電接入對配電網(wǎng)諧波特性影響研究［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報，2016，44（4）： 84-90.

［4］陳旭，張勇軍，黃向敏.主動配電網(wǎng)背景下無功電壓控制方法研究綜述［J］.電力系統(tǒng)自動化，2016，40（1）：143-151.

［5］裴瑋，盛鹍，孔力，等.分布式電源對配網(wǎng)供電電壓質(zhì)量的影響與改善［J］.中國電機工程學(xué)報，2008，28（13）：152-157.

［6］沈鑫，曹敏.分布式電源并網(wǎng)對于配電網(wǎng)的影響研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2015（s1）：346-351.

［7］李京平，李鳳珍，曾繁華，等.分布式電源對配電網(wǎng)設(shè)備利用率的影響及提高措施［J］.機電工程技術(shù)，2016（4）：102-106.

［8］鮑虎.分布式電源接入對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性影響的研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2015.

［9］寇鳳海.分布式光伏電源對配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2011，27（11）：62-68.

［10］李蕊，李躍，郭威，等.分布式電源接入對配電網(wǎng)可靠性影響的仿真分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2016，40（07）：2016-2021.

［11］Mandis A C，Manoloiu A，Stefananeagoe A G，et al.Impact of distributed generation on steady state of electri?cal networks［C］.//International Symposium on Funda?mentals of Electrical Engineering.IEEE，2015：1-5.