分布式發(fā)電系統(tǒng)接入對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響分析

邢曉敏，張 萌，商國(guó)敬，劉曼曼

(1．東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012;2．大唐東北電力試驗(yàn)研究所有限公司，吉林長(zhǎng)春010020;3．國(guó)家電網(wǎng)吉林供電公司，吉林吉林132300)

隨著全球能源危機(jī)的日益加劇和人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，清潔和可再生能源備受青睞，新能源發(fā)電的相關(guān)問(wèn)題也隨之成為電力領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)者們的研究熱點(diǎn)［1～4］．就配電網(wǎng)而言，由于分布式發(fā)電(Distributed Generation，DG)的并入，使其處于一個(gè)從傳統(tǒng)的放射性無(wú)源網(wǎng)絡(luò)向含源電力網(wǎng)過(guò)渡的時(shí)代［5～8］．當(dāng)然，這種變化也同時(shí)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生了全方位的影響，其中包括分布式發(fā)電并網(wǎng)時(shí)對(duì)配電網(wǎng)擾動(dòng)導(dǎo)致電能質(zhì)量受到影響的問(wèn)題［9～12］．

文獻(xiàn)［13］應(yīng)用多個(gè)算例驗(yàn)證了單個(gè)分布式電源在不同接入位置和接入容量的情況下對(duì)電壓分布影響極大．文獻(xiàn)［14］提出利用靈敏度分析方法研究DG不同出力對(duì)系統(tǒng)電壓造成的影響．本文從分布式電源接入個(gè)數(shù)、接入位置和容量等方面研究DG并網(wǎng)后對(duì)電壓分布的影響規(guī)律．在大量仿真算例與數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一套切實(shí)可行的分布式電源并網(wǎng)方案．

1 系統(tǒng)模型

配電網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)，為方便對(duì)配電網(wǎng)的研究，利用配電網(wǎng)的等效模型對(duì)DG接入配電網(wǎng)的影響進(jìn)行研究分析．圖1是簡(jiǎn)單配電網(wǎng)的等效結(jié)構(gòu)圖．PDG+QDG代表分布式電源接入配電網(wǎng)．其中PDG、QDG分別代表分布式電源的有功功率和無(wú)功功率．

圖1 配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

國(guó)際上典型的饋線輻射狀配電網(wǎng)模型IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)，額定電壓為12．66 kV，圖2為IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)圖，節(jié)點(diǎn)和支路分布如圖所示．仿真中，系統(tǒng)電源采用電壓源模型，頻率為50 Hz．負(fù)荷和線路模型采用仿真軟件中自帶的模塊，由于不考慮分布式電源接入配電網(wǎng)時(shí)的暫態(tài)過(guò)程和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整問(wèn)題，搭建分布式電源模型時(shí)以受控電流源為基礎(chǔ)．為了使分布式電源的投入/退出時(shí)對(duì)配電網(wǎng)的影響程度盡量降低，所有分布式電源都應(yīng)維持在高功率因數(shù)下運(yùn)行，因此功率因數(shù)取0．9．

圖2 IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)圖

2 DG接入配電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型

2.1 無(wú)DG接入時(shí)電壓降

配電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，假設(shè)相鄰節(jié)點(diǎn)間的阻抗大小均為R+jX，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷大小為Pi+jQi，線路存在一定的電壓降落，系統(tǒng)未接入DG的情況下，配電線路中任意節(jié)點(diǎn)m與系統(tǒng)電源的電壓降表示為

其中:ΔUsm+為m點(diǎn)之前的等效負(fù)載與系統(tǒng)電源的電壓降;ΔUsm－為m點(diǎn)之后的等效負(fù)載與系統(tǒng)電源的電壓降．

公式(4)計(jì)算出的電壓降為DG未接入饋線時(shí)，在僅有系統(tǒng)電源作用下，配電網(wǎng)中m節(jié)點(diǎn)處與系統(tǒng)電源間的電壓降落．

2.2 DG單獨(dú)作用下的電壓降

當(dāng)考慮只有DG單獨(dú)作用于配電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，需先將配電網(wǎng)系統(tǒng)電源置零．由于線路中的阻抗遠(yuǎn)小于負(fù)荷，因此在考慮DG對(duì)電壓降的影響時(shí)，只需考慮DG接入點(diǎn)k之前的線路，對(duì)于k點(diǎn)之后的線路，DG的接入對(duì)電壓可能有提升的作用，對(duì)電壓降落的影響不大．節(jié)點(diǎn)k到系統(tǒng)電源的電壓降為:

2.3 DG與系統(tǒng)電源作用下的電壓降

利用疊加原理，將公式(4)與公式(5)、公式(6)分別進(jìn)行疊加計(jì)算，得到在系統(tǒng)電源和DG的共同作用下m點(diǎn)到系統(tǒng)電源的電壓降，如公式(7)、公式(8)所示:

因此，如果已知線路首端電壓為U0，則該線路上m點(diǎn)的電壓可表示為

由上式結(jié)論可知，DG的容量、接入位置及接入數(shù)量都會(huì)影響到饋線上的電壓分布．

2.4 網(wǎng)損最小時(shí)的DG接入位置和容量分析

只要有功率流過(guò)，線路因?yàn)橛须娮璧拇嬖冢蜁?huì)存在損耗，首先研究有功率流過(guò)時(shí)的情況．以圖1為例，計(jì)算m點(diǎn)(m點(diǎn)為饋線上任意一點(diǎn))的負(fù)荷功率時(shí)，應(yīng)分成0～k，k～N兩段進(jìn)行分析計(jì)算．m點(diǎn)的有功功率用Pm表示，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)公式(11)，公式(12):

計(jì)算饋線上總的有功損耗:

解得:

據(jù)公式(15)的結(jié)果可知，當(dāng)單個(gè)分布式電源接入配電網(wǎng)時(shí)，若DG注入電網(wǎng)容量為配電系統(tǒng)負(fù)荷有功功率總量的2/3，并在距離電源點(diǎn)2/3節(jié)點(diǎn)處接入時(shí)，會(huì)使網(wǎng)損最?。?/p>

3 算例仿真

為驗(yàn)證DG的容量、接入個(gè)數(shù)和接入位置對(duì)饋線電壓分布的影響，利用MATLAB中提供的電力系統(tǒng)模塊在Simulink環(huán)境下搭建IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析．

3.1 單個(gè)DG接入位置對(duì)電壓分布的影響

基于以上采用的配電網(wǎng)模型，首先計(jì)算無(wú)DG接入時(shí)，配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的電壓分布情況，然后計(jì)算在單條饋線上接入單個(gè)DG后對(duì)電壓分布的影響．DG參數(shù)設(shè)定:DG容量為500 kW，接入點(diǎn)設(shè)定為節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)12、節(jié)點(diǎn)17．電壓分布數(shù)據(jù)如表1所示．

表1 單個(gè)DG接入時(shí)電壓分布數(shù)據(jù)(單位V)

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入對(duì)線路電壓有一定的提升作用，接入位置越靠近饋線首端時(shí)，對(duì)電壓的提升作用越小;接入位置越靠近末端，對(duì)電壓提升作用越大，但可能會(huì)超過(guò)電壓額定限值;數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了DG在距離首端2/3位置時(shí)，效果較為理想．

3.2 多個(gè)DG接入對(duì)電壓分布的影響

以兩個(gè)相同DG接入為例，研究多個(gè)DG接入對(duì)饋線電壓分布的影響．保持DG的狀態(tài)固定，只改變其位置的情況下研究對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響．DG參數(shù)設(shè)定:DG容量為500 kW．具體設(shè)計(jì)方案如表2所示．

仿真結(jié)果如表3所示，對(duì)比表中數(shù)據(jù)可知，多個(gè)DG同時(shí)并網(wǎng)后確實(shí)較大程度上改變了原有的電壓分布，未接入任何DG的數(shù)據(jù)起參考作用，由數(shù)據(jù)可知，DG接入后都對(duì)電壓起到了一定的提升作用，而且多個(gè)DG接入越靠近末端提升電壓效果越明顯．仿真顯示靠近線路末端時(shí)電壓被抬升過(guò)高，如果發(fā)生DG脫離饋線，會(huì)使得電壓的變化幅度很大．

表2 多個(gè)DG接入的設(shè)計(jì)方案

表3 多個(gè)DG接入時(shí)電壓分布數(shù)據(jù)(V)

3.3 DG容量的變化對(duì)電壓分布的影響

由于分布式發(fā)電系統(tǒng)的效率受自然環(huán)境變化的影響，因此DG的容量會(huì)隨環(huán)境的變化而改變．以兩個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)系統(tǒng)為例，研究DG的容量對(duì)電壓分布的影響．選用中間位置8和9兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為DG的接入點(diǎn)．DG的容量參數(shù)如表4所示．

仿真結(jié)果如表5所示．對(duì)比上表數(shù)據(jù)可知，分布式發(fā)電系統(tǒng)容量的變化會(huì)改變配電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓分布．隨著容量的增加，對(duì)電壓抬升效果越明顯，而且，當(dāng)接入容量相同時(shí)，位置變化不大電壓基本保持不變．

表4 DG不同容量接入的設(shè)計(jì)方案(kW)

表5 DG不同容量接入時(shí)電壓分布數(shù)據(jù)(V)

4 結(jié) 論

采用IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)配電網(wǎng)模型評(píng)估分布式發(fā)電系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響，并通過(guò)仿真建模分析仿真數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比分析分布式發(fā)電系統(tǒng)接入對(duì)配電網(wǎng)的影響，結(jié)論如下:

(1)分布式發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)就會(huì)對(duì)配電網(wǎng)電壓有一定的抬升作用，而且越靠近末端對(duì)配電網(wǎng)電壓的抬升效果越明顯;

(2)多個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)接入時(shí)也符合單個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)律．如果考慮網(wǎng)損的情況下，假設(shè)負(fù)荷基本保持不變的前提下，距離電源點(diǎn)2/3處效果最理想;

(3)分布式發(fā)電系統(tǒng)在一定的接入容量范圍內(nèi)，隨著容量的增加對(duì)配電網(wǎng)電壓的提升越明顯．

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