電力系統(tǒng)中的分布式電源接入與管理

陽桂國

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)依賴于分布式接入，難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)荷均衡，分布式電源（Distributed Generation，DG）的出力與負(fù)載的不確定，使得DG 對電力系統(tǒng)的影響更為嚴(yán)重［1］。分布式新能源在電網(wǎng)中的滲透性不斷提高給電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大的沖擊。因此，深入剖析其風(fēng)險(xiǎn)來源、探索適合其特點(diǎn)的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法是實(shí)現(xiàn)分布式新能源接入電網(wǎng)后實(shí)時(shí)掌握電網(wǎng)運(yùn)行狀況、防范電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)、保障其安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 分布式電源概述

1.1 分布式發(fā)電

按照發(fā)電使用的一次能源，可以將分布式電源分為兩類：一類是可再生能源發(fā)電，例如風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電等；另一類是非可持續(xù)的發(fā)電方式，例如小燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、冷熱聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、燃料電池發(fā)電等［2］。分布式發(fā)電的特點(diǎn)是運(yùn)行方式靈活，使用的能源是清潔環(huán)保的，設(shè)備的安裝和維護(hù)方便，投資費(fèi)用低、供電可靠性高，為清潔能源的有效使用開辟了一條新的道路。發(fā)展分布式電源是我國大規(guī)模電力系統(tǒng)的重要組成部分。

1.2 分布式電源

分布式電源是一種能獨(dú)立供給負(fù)載的小規(guī)模電源系統(tǒng)［3］。伴隨著清潔能源的持續(xù)發(fā)展，分布式發(fā)電的類型也在增加，按照對初始能量的利用情況不同，可劃分為可再生與不可再生兩類；按照分布式電力并網(wǎng)方式的不同，可以劃分為直接并網(wǎng)發(fā)電和經(jīng)逆變器的間接并網(wǎng)發(fā)電；根據(jù)產(chǎn)生的機(jī)理，可劃分為太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、水力、潮汐能、地?zé)崮艿取?/p>

2 分布式電源發(fā)電原理

2.1 光伏發(fā)電

圖1給出了一種光伏發(fā)電較為常見的數(shù)學(xué)模型。

圖1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

在圖1中可以看到單個(gè)光電電池的數(shù)學(xué)模型，由并聯(lián)的二極管D和串并聯(lián)電阻組成，一般的輸出電壓在0.5 ～0.6 之間，太高的電壓將導(dǎo)致二極管處于飽和狀態(tài)。在圖1 中，I表示的是太陽能電池內(nèi)部的光產(chǎn)生的電流，它和外界的負(fù)載無關(guān)，只是正比于外界的光強(qiáng)。從圖1 可以得出：

式（1）中exp［］表示電流指數(shù)曲線，n為結(jié)系數(shù)，m為光伏陣列所包含的光伏單元數(shù)目；Ua代表光伏陣列之輸出電壓，Ia代表光伏陣列之輸出電流，Rs為最低阻值，Np為太陽能板的片極，K表示玻爾茲曼常數(shù)，Iph為光生電流，T代表溫度。

2.2 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)電機(jī)組以大自然中的風(fēng)能為動(dòng)力，將其吹送到風(fēng)扇的葉片上形成機(jī)械能，再由機(jī)械傳動(dòng)及提速齒輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電的目的。當(dāng)風(fēng)流以v的速度通過具有A的流面，且空氣密度為時(shí)，風(fēng)中包含的能量P是：

Betz 和Glauert 等人的研究表明，對于無負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)扇，其最大輸出是在來流場中，來流場速度在離開風(fēng)輪后只有正常速度的三分之一時(shí)，即其最大輸出功率［4］。風(fēng)扇的最大輸出可以用下面的公式表達(dá)：

式（3）中：Cp.max為最大能量利用率，Cp.max為0.59。由此可以看出，在風(fēng)電生產(chǎn)的過程中，風(fēng)機(jī)對天然風(fēng)能的使用受到了限制。

2.3 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電是一種比較常用的分布式發(fā)電，其主要用于熱電聯(lián)供發(fā)電系統(tǒng)，具有燃料適應(yīng)性強(qiáng)、噪聲小、無污染、發(fā)電系統(tǒng)體積小、操作和維護(hù)容易等特點(diǎn)，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電可以產(chǎn)生電能以及熱能。圖2 展示了一種微型燃?xì)鉁u輪的結(jié)構(gòu)，這種微型燃?xì)鉁u輪的主體由用于壓縮空氣的壓氣機(jī)、用于加料的燃燒室、翹板式的回?zé)崾乙约皹~機(jī)構(gòu)等組成。當(dāng)傳統(tǒng)的天然氣、甲烷、柴油、汽油等燃料被用來進(jìn)行加熱時(shí)，其輸出的能量通常很少，僅有幾百千瓦，其轉(zhuǎn)換效率僅為30%，而使用熱電廠后，其轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)75%，極大地提升了能量的利用效率。

圖2 微型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)

3 分布式電源接入對電網(wǎng)的影響

3.1 分布式電源接入對電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響

在配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)中，電網(wǎng)的拓?fù)渫ǔ榉派湫?，潮流都是從變電站的母線到客戶。一般將輻射式線路視為一條連通多個(gè)用戶和負(fù)載的干線，每一負(fù)載和分枝都可視為一個(gè)結(jié)點(diǎn)，因此可以對輻射式線路進(jìn)行模型化和仿真。通常情況下，配電網(wǎng)絡(luò)中的電壓沿線路潮流方向呈遞減趨勢，而由于多個(gè)結(jié)點(diǎn)接入的分布式能源將導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)的真實(shí)電壓與其標(biāo)稱電壓有較大的差異。

DG 的加入引起了饋線上的電壓上升：普通的配電網(wǎng)多為輻射型，在常規(guī)條件下，由于DG加入，整個(gè)配電網(wǎng)上的潮流都是單向的。因此，當(dāng)DG 加入后，整個(gè)配網(wǎng)中的潮流將發(fā)生逆向流動(dòng)，從而導(dǎo)致變電所的母線電壓比使用者更低，這時(shí)各個(gè)結(jié)點(diǎn)的電壓也將隨之上升，這與DG 加入到配網(wǎng)中所處的地點(diǎn)及容量有關(guān)。

在10kV 及以下線路上的配電網(wǎng)中，通常線路載流量和所傳送的負(fù)載都相對較低，所以可以忽略某些影響，進(jìn)行如下的近似處理：

1）在配電網(wǎng)絡(luò)中線路負(fù)載很少的情況下，地支路的導(dǎo)納可以被忽視。

2）不計(jì)每一結(jié)點(diǎn)上負(fù)載的交互作用。

3）在每一條線中對其側(cè)部的電壓下降部分不加考慮，而只對其縱長部分進(jìn)行考慮。

4）在電力系統(tǒng)中，一般采用標(biāo)稱電壓而不是真實(shí)的電壓來進(jìn)行電力系統(tǒng)的潮流分析。

在圖3 的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型中，1 和2 表示節(jié)點(diǎn)1 和節(jié)點(diǎn)2，P為功率，R為節(jié)點(diǎn)電阻，j表示節(jié)點(diǎn)支量，Q為負(fù)荷量，X為縱向分量。

圖3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型

在不計(jì)側(cè)向成分的情況下，僅分析縱向成分的情況下，電壓損失可以表達(dá)為：

式（4）中：UN表示系統(tǒng)的額定電壓值。

對于節(jié)點(diǎn)2 有：

式（5）中，U0為基準(zhǔn)點(diǎn)的電壓。

如果在節(jié)點(diǎn)1 中插入DG，DG 的輸出功率是Ps+jQs，那么節(jié)點(diǎn)1 上的電壓變成：

同理，在結(jié)點(diǎn)2 上連接一個(gè)具有Ps+jQs，結(jié)點(diǎn)2 上的電壓為：

3.2 分布式電源接入對電網(wǎng)網(wǎng)損的影響

由于在配電網(wǎng)進(jìn)行電力傳輸?shù)倪^程中，所傳送的有功往往要比所傳送的無功要大得多，所以在對配電網(wǎng)中的網(wǎng)損進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以忽略無功損失，只將有功損失作為參考因素。當(dāng)配電網(wǎng)不接入DG 時(shí)，其潮流方向是單向的，但DG 的引入將會(huì)使傳統(tǒng)的DG 呈放射形分布，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的潮流方向發(fā)生變化，并產(chǎn)生倒流現(xiàn)象與復(fù)雜的電壓波動(dòng)，并對整個(gè)DG 的網(wǎng)損產(chǎn)生影響。分布式能源接入電網(wǎng)時(shí)，其對潮流的影響有三種：

1）當(dāng)DG 的出力小于系統(tǒng)中各結(jié)點(diǎn)的負(fù)載需要時(shí)，DG 的接入不會(huì)影響整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)中的潮流規(guī)模和方向。

2）當(dāng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)加入了一個(gè)DG，其輸出的電力超過了這個(gè)結(jié)點(diǎn)的負(fù)載要求，但是加入到整個(gè)結(jié)點(diǎn)的DG 的電力低于整個(gè)結(jié)點(diǎn)的負(fù)載要求時(shí)，DG 的加入將引起整個(gè)結(jié)點(diǎn)的反向流動(dòng)，使得一些線路的網(wǎng)損增大，但是整個(gè)結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)損卻是很小的。

3）當(dāng)接入的DG 中有一個(gè)或多個(gè)結(jié)點(diǎn)中有一個(gè)結(jié)點(diǎn)的DG，其輸出的DG超過了結(jié)點(diǎn)的負(fù)載要求，并且接入到整個(gè)系統(tǒng)中的DG 的輸出超過了整個(gè)結(jié)點(diǎn)中的負(fù)載要求時(shí)，則將電力通過變壓器傳輸?shù)缴蠈泳W(wǎng)絡(luò)，通常這類情況是不允許出現(xiàn)的。

通常情況下，電力流量越大電網(wǎng)損失就越大。在將分布式能源引入到配電網(wǎng)之后，由于其并網(wǎng)容量與系統(tǒng)負(fù)載之間的相對大小、并網(wǎng)位置、運(yùn)行方式等因素，都會(huì)使系統(tǒng)線路的潮流走向和大小產(chǎn)生一定的變化，進(jìn)而對網(wǎng)絡(luò)損耗造成一定的影響。從DG 接入容量的角度來看，DG 接入容量較小可以降低線路的網(wǎng)損，但如果DG 接入的容量較大，在滿足負(fù)載需求的同時(shí)還可以反向輸送電力，就很有可能導(dǎo)致系統(tǒng)的網(wǎng)損增大。本項(xiàng)目擬利用分布式能源分布廣泛、裝機(jī)容量小、可就地消納的優(yōu)勢，結(jié)合配電網(wǎng)的實(shí)際情況，對其接入地點(diǎn)及容量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)的輸電能力的提升。如果將一個(gè)分布式電源引入到一個(gè)分段中可以得到一個(gè)分段中的網(wǎng)絡(luò)損耗的計(jì)算模型。

在接入電力系統(tǒng)之前，電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗可以用公式（8）來表達(dá)：

當(dāng)一個(gè)分布式電源被插入之后，一個(gè)線i節(jié)點(diǎn)的實(shí)際輸入電力是：

第k段的網(wǎng)損計(jì)算模型如圖4 所示。

圖4配電網(wǎng)第k 段的網(wǎng)損計(jì)算模型

分布式電源接入后，第k段線路的網(wǎng)絡(luò)損耗為：

式（10）中，Pik、Qik分別代表了在每一條線路上的結(jié)點(diǎn)i 上的有功、無功負(fù)載；PDG與QDG分別代表有功功率和無功功率；Ui代表在結(jié)點(diǎn)i 上的匯流排電壓；Rk代表了線路中的k個(gè)分段的電阻。

因此，在將分布式電源引入到該系統(tǒng)之前和之后，該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗為：

4 算例分析

4.1 分布式電源接入對電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響及解決方式

4.1.1 在不與分布式電源連接的情況下，EE33 節(jié)點(diǎn)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓分布

采用Matlab2016a 程序?qū)δ嫦蛲七M(jìn)過程中的功率流進(jìn)行了分析，得到了各個(gè)結(jié)點(diǎn)的電壓值。接入分布式電源前各結(jié)點(diǎn)電壓分布見圖5。

圖5 接入分布式電源前各節(jié)點(diǎn)電壓分布

4.1.2 DG 在不同結(jié)點(diǎn)上的接入及其對結(jié)點(diǎn)電壓的影響

利用Matlab2016a，對前推回溯的功率計(jì)算進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)，從而能夠獲得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓。接入分布式電源后各節(jié)點(diǎn)電壓分布如圖6所示。

圖6 接入分布式電源后各節(jié)點(diǎn)電壓分布

由圖5、圖6 可知，當(dāng)DG 加入該系統(tǒng)之后，該系統(tǒng)中每個(gè)結(jié)點(diǎn)的電壓都有所改善，并且該結(jié)點(diǎn)的電壓變動(dòng)幅度與DG 加入該系統(tǒng)的地點(diǎn)相關(guān)。由于節(jié)點(diǎn)2 位于系統(tǒng)頭端，當(dāng)節(jié)點(diǎn)2 接入分布式電源后，對后面節(jié)點(diǎn)電壓的變化并沒有造成較大的影響，僅會(huì)造成后面各節(jié)點(diǎn)電壓有所上升。結(jié)點(diǎn)9 位于結(jié)點(diǎn)2 之后，因?yàn)榻Y(jié)點(diǎn)9 連接了一個(gè)分散的電力系統(tǒng)，所以結(jié)點(diǎn)的電壓會(huì)大幅度提高。由圖可見，當(dāng)其靠近DG接入點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓升高幅度較大。研究表明，DG 的接入方式會(huì)對結(jié)點(diǎn)電壓分布有一定的影響，若DG 與結(jié)點(diǎn)距離較近，對結(jié)點(diǎn)電壓影響較小，反之，對結(jié)點(diǎn)電壓影響較大。

4.1.3 DG 的接入能力對結(jié)點(diǎn)電壓的作用

在本文，將節(jié)點(diǎn)18 選為分布式電源的接入點(diǎn)，不同容量的光伏接入18節(jié)點(diǎn)后各節(jié)點(diǎn)電壓變化見表1。

表1 不同容量的光伏接入18節(jié)點(diǎn)后各節(jié)點(diǎn)電壓變化

從表1 可以看出，接入系統(tǒng)的分布式電源容量增大時(shí)，各節(jié)點(diǎn)電壓的值的變化將會(huì)更為明顯，而在距離分布式電源接入點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)則會(huì)減小。因此，分布式電源接入容量的大小會(huì)對系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的變化產(chǎn)生影響，接入容量越大，各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的變化就會(huì)更大，反之則會(huì)更小。

4.1.4 處理方法

從上述研究中可以看出，在輻射型配電網(wǎng)絡(luò)中，如果接入的DG 能量很大，當(dāng)其后一級(jí)的DG 負(fù)荷為輕負(fù)荷，將會(huì)引起終端電壓的超限以及顯著的潮流反轉(zhuǎn)，從而威脅到配電網(wǎng)絡(luò)的安全。因此，需要對DG 接入后的配電系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，以確保DG接入后的配電系統(tǒng)的安全、平穩(wěn)。本文提供了以下的解決辦法：

1）技術(shù)方面，一是在DG 的接入點(diǎn)或者系統(tǒng)的終端引入一個(gè)電抗進(jìn)行補(bǔ)償，在DG 的接入點(diǎn)或者是一個(gè)電網(wǎng)的終端上，調(diào)整這個(gè)電抗的參數(shù)，以吸附DG 的過剩電力，減小DG 的接入所造成的DG的上升；二是利用電壓調(diào)節(jié)模式，對DG 接入點(diǎn)處的并網(wǎng)逆變裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得DG 的無功按照其所處的電壓大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持DG 的運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間；三是利用蓄能器，消除電網(wǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)的峰值和低谷，減少電網(wǎng)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的超限電壓。

2）在經(jīng)濟(jì)性方面。因在進(jìn)行分布式能源的并網(wǎng)規(guī)劃時(shí)，要確保在不超出電網(wǎng)電壓范圍的情況下，將其接入電網(wǎng)的費(fèi)用降到最低。一是將分布式電源模型納人總體負(fù)荷預(yù)測系統(tǒng)及區(qū)域配電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測系統(tǒng)，綜合考量分布式電源在停發(fā)、滿發(fā)兩種極端狀態(tài)下對區(qū)域負(fù)荷的影響程度，提升對含分布式電源配電網(wǎng)規(guī)劃工作的指導(dǎo)作用；二是摸清變電站布點(diǎn)周圍適合于分布式電源建設(shè)選址的地點(diǎn)，根據(jù)自然資源分布情況和國家能源政策確定分布式電源的容量和位置，從技術(shù)角度進(jìn)行分布式電源的最優(yōu)容量和位置規(guī)劃。

4.2 分布式電源接入對電網(wǎng)網(wǎng)損的影響及解決方式

針對DG 接入對電力網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)損的影響，擬采用IEEE-33 結(jié)點(diǎn)，將其劃分成四條饋線供電線路，并分析其中一條線路（即饋線1）接入的地點(diǎn)及容量對DG 接入的影響。

4.2.1 DG 并網(wǎng)時(shí)各點(diǎn)對網(wǎng)損的影響

如圖7 所示，本文選取饋線1 的各個(gè)節(jié)點(diǎn)來并入分布式電源，通過分析在這些不同節(jié)點(diǎn)上并入分布式電源來了解在不同節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)損情況，將分布式電源的接入容量設(shè)置為5%，15%，45%，60%。通過對數(shù)據(jù)分析潮流計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果代入到公式（8）-公式（12）中，可以得出在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上接入分布式電源之后，電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗的變化曲線。

圖7 饋線1不同節(jié)點(diǎn)接入分布式電源后電網(wǎng)網(wǎng)損情況

從圖7 中可以看出，在太陽能電池進(jìn)入的電力系統(tǒng)的容量很小的情況下，太陽能電池進(jìn)入的地點(diǎn)離太陽能電池的終端更近，則電力網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)損更低。在光伏并網(wǎng)容量很大的情況下，網(wǎng)損隨各結(jié)點(diǎn)的接入點(diǎn)的分布呈U 形，在此情況下，只要有一個(gè)結(jié)點(diǎn)的接入點(diǎn)，網(wǎng)損會(huì)達(dá)到最小。

4.2.2 電力系統(tǒng)中DG 并網(wǎng)時(shí)的網(wǎng)損

通過對不同容量的分布式電源接入系統(tǒng)對電網(wǎng)網(wǎng)損的變化進(jìn)行研究，可以得到不同容量的分布式光伏接入系統(tǒng)后電網(wǎng)網(wǎng)損的變化曲線，如圖8 所示。

圖8 饋線1不同容量的分布式電源接入后電網(wǎng)網(wǎng)損情況

5 結(jié)語

由圖8 可以看到，隨著接入分布式發(fā)電容量的增大，網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)損先降低后升高，即總有一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入一定容量的分布式電源，可以使得網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)損最小。為了使電力系統(tǒng)的網(wǎng)損達(dá)到最優(yōu)水平，需要考慮DG 的接入地點(diǎn)及容量，對DG 的并網(wǎng)進(jìn)行合理的規(guī)劃。

4.2.3 處理方法

在整個(gè)配電系統(tǒng)中，分布式發(fā)電系統(tǒng)的引入將大大減少配電系統(tǒng)的網(wǎng)損，提升配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性［5］。然而，當(dāng)DG 接入?yún)^(qū)域的功率超過接入?yún)^(qū)域的負(fù)載能力時(shí)，會(huì)引起反向流動(dòng)，增大電網(wǎng)損失，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起繼電保護(hù)故障。所以，在DG 接入后，必須充分考慮DG 接入的空間和地點(diǎn)，使DG 接入后的網(wǎng)絡(luò)損耗最少。

1）在技術(shù)方法上，一是可以通過提高分布式供電的接入量，減少整個(gè)電網(wǎng)的網(wǎng)損；二是重新切改調(diào)整負(fù)載，當(dāng)DG 的出力大時(shí)，加大負(fù)載，當(dāng)DG 的出力小時(shí)，減少一些重要性質(zhì)的負(fù)載，使DG的出力和負(fù)載相匹配；三是加裝儲(chǔ)能設(shè)備，在用電高峰期將儲(chǔ)能設(shè)備中所儲(chǔ)存的電力全部用來發(fā)電。

2）在經(jīng)濟(jì)效益上，一是可以通過激勵(lì)方式，增加電力市場的需求；二是為電力客戶提供分時(shí)定價(jià)，使其能夠按照負(fù)載的變動(dòng)趨勢進(jìn)行調(diào)節(jié)，使DG 的出力和負(fù)載更好地匹配；三是對裝有儲(chǔ)能設(shè)備的客戶給予一定的補(bǔ)貼。

本文以DG 接入為切入點(diǎn)，通過對DG 接入的風(fēng)險(xiǎn)性分析，從DG 接入點(diǎn)的角度出發(fā)，深入探討DG 接入對配電網(wǎng)的影響，提出DG 接入技術(shù)解決方案。通過對IEE33 節(jié)點(diǎn)的研究，發(fā)現(xiàn)分布式電源的接入對配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓和網(wǎng)絡(luò)損耗都有較大的影響，而分布式電源接入的位置和容量又是對配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓分布和網(wǎng)絡(luò)損耗的最主要的原因，所以，通過合理地配置分布式電源的接入，可以達(dá)到對能源的高效利用，減少由于分布式電源接入造成的配電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。