陳 芳，王 瑋，徐麗杰，姜復(fù)亮，遲作為，李華順

（1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044；2.吉林電力有限公司吉林供電公司，吉林132001）

由于越來越多的分布式能源滲透在配電系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施中，要求未來配電系統(tǒng)具有新的靈活的可重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、新的保護方案、新的電壓控制和新的測量方法[1，2]。如文獻[3]研究了多個分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)無功優(yōu)化算法，這對于減少網(wǎng)絡(luò)功率損耗和提高電壓質(zhì)量有一定的作用。一般認(rèn)為，分布式發(fā)電DG（distributed generation）指為滿足終端用戶的特殊需求、接在用戶側(cè)附近的小型發(fā)電系統(tǒng)[4]。文獻[5]指出分布式發(fā)電可以包含任何安裝在用戶附近的發(fā)電設(shè)施。當(dāng)DG 接入配電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，在某些情況下會對配電網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響，對需要高可靠性和高電能質(zhì)量的配電網(wǎng)來說，分布式發(fā)電的接入必須慎重[6，7]。

一直以來，DG 接入對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響是討論的熱點[8]。DG 接入在給電能質(zhì)量帶來積極影響的同時，也會給電能質(zhì)量帶來消極的影響[9～11]。本文針對一種典型的負(fù)荷分布模型，即三角形模型，并且基于電路的疊加定理，對所建模型進行電壓分布計算研究，通過分析研究分布式電源出力變化，接入位置變化造成的配電系統(tǒng)電壓變化，正確評估分布式電源對配電系統(tǒng)帶來的影響，從而使配電系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定運行。

1 含DG 的配電網(wǎng)負(fù)荷分布模型

1.1 分布式發(fā)電系統(tǒng)

對于可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)，是一套多電源互相獨立的發(fā)電系統(tǒng)，它采用直流總線，由發(fā)電單元、儲能單元、控制單元和模擬負(fù)載單元組成，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[12，13]如圖1所示。

圖1 基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of distributed generation system based on renewable energy

1.2 含分布式電源的負(fù)荷分布模型

配電網(wǎng)的基本單元是饋線，我國饋線電壓等級大多是10kV，每條饋線上線路成樹狀分布，圖2為含DG 的簡單配電網(wǎng)放射式接線方式。

圖2 含DG 的簡單配電網(wǎng)放射式接線方式Fig.2 Connection mode of simple radial distribution network with DG

為了分析含分布式電源的配電網(wǎng)電壓分布情況，采用一種典型的負(fù)荷分布模型，即三角形模型，由于負(fù)荷均勻分布模型對于線路上負(fù)荷分布嚴(yán)重不均勻的情形，會帶來較大的誤差，而事實上線路上的負(fù)荷分布很少是均勻的，故采用三角形模型，以三角形面積表示負(fù)荷大小，以此來減小誤差，如圖3所示。假設(shè)饋線長度為m，在k處接入分布式電源，負(fù)荷總的有功和無功分別用PL、QL表示，圖中三角形的面積表示負(fù)荷總的功率，單位長度的電阻、電抗分別用r、x 表示，d 為配電線路中任意一點。

圖3 含分布式電源的三角形負(fù)荷分布模型Fig.3 Triangle load distribution model with distributed power

當(dāng)配電線路中只有系統(tǒng)電源單獨作用時，d點之前、之后的有功無功負(fù)荷分別用P0－d、Q0－d、Pd－m、Qd－m表示，則有：

2 電壓分布計算

依據(jù)圖3所建模型，設(shè)線路始端A 點電壓為U0，線路額定電壓為UN，d 為線路任意一點，則d點的電壓為

圖3所建模型是含分布式電源的簡單配電線路，基于電路的疊加定理[14]，分別考慮系統(tǒng)電源和DG 電源對配電線路的作用，所以電壓損耗ΔU 包括兩部分ΔUsd和ΔUDG，其中ΔUsd是系統(tǒng)電源單獨作用引起的，包括兩部分內(nèi)容，ΔUsd1是由于d點之后等效綜合負(fù)荷引起，ΔUsd2是由于d 點之前以三角形形式分布的負(fù)荷引起；ΔUDG是DG 單獨作用時引起的。

2.1 系統(tǒng)電源單獨作用

定義負(fù)荷密度ρ，且ρ＝Kλ，其中K 為負(fù)荷密度系數(shù)，K ＝k1＋j k2。從0點到m 處的總負(fù)荷為

解方程（4），可得負(fù)荷密度系數(shù)：

則

2.2 DG 單獨作用

當(dāng)在k點處接入分布式電源，其容量為PDG＋j QDG，配電線路中只有DG作用時，則d點前后電壓損耗分以下兩種情況進行討論：

情況1 0＜d ≤k

情況2 k＜d ≤m

對于k點之后的線路，DG 對其是沒有直接影響的，但是因其對k 點電壓的提高，間接影響了k點之后的電壓，所以k點之后的電壓損耗為

2.3 含DG 的配電網(wǎng)電壓損耗

情況1 0＜d ≤k

根據(jù)式（2）、（3）、（5）、（6）可得在情況1下d點的電壓：

同理，可分析情況2，結(jié)果計算如下。

情況2 k＜d ≤m

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，負(fù)荷參數(shù)給定，DG 容量已知時，d 點的電壓便可計算出來。

2.4 負(fù)荷成均勻分布的配電網(wǎng)電壓損耗

根據(jù)以上電壓分布計算原理，當(dāng)負(fù)荷均勻分布時，各點電壓計算公式如下：

情況1 0＜d ≤k

情況2 k＜d ≤m

3 算例分析

依照圖3所示含DG的配電線路模型，一條10 kV 的配電線路，線路長度為m ＝12km，總負(fù)荷數(shù)為12，電阻r＝0.082Ω／km，x＝0.247Ω／km，配電線路始端電壓Uo＝1.05（標(biāo)幺值），額定電壓UN＝1.0（標(biāo)幺值），功率基值為10MVA，電壓基值為10kV，線路總負(fù)荷為：PL＝5 MW，QL＝3 Mvar。DG 有功PDG＝3 MW，功率因數(shù)cosφ ＝0.9（滯后）。

算例中各節(jié)點負(fù)荷數(shù)據(jù)見表1。

表1 節(jié)點負(fù)荷數(shù)據(jù)Tab.1 Loads data

3.1 模型驗證

基于以上數(shù)據(jù)分別對以三角形負(fù)荷分布模型和以均勻負(fù)荷分布模型的配電網(wǎng)進行電壓分布計算，公式分別為（8）、（9）和（10）、（11），將所得計算結(jié)果與嚴(yán)格的潮流計算比較來驗證方法的正確性和有效性，圖4為沒有DG 作用的驗證圖，圖5為6號節(jié)點接入DG 的驗證圖。

圖4 無DG 的模型驗證圖Fig.4 Model validation without DG

圖5 DG 在節(jié)點6處的模型驗證圖Fig.5 Model validation of DG at node 6

通過上圖分析可知，基于三角形負(fù)荷模型的電壓分布計算結(jié)果與嚴(yán)格潮流計算結(jié)果較為一致，而且要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于均勻負(fù)荷分布模型的電壓分布計算結(jié)果，由此驗證了三角形負(fù)荷分布模型算法在含DG 的配電網(wǎng)電壓分析中的正確性和有效性。

3.2 DG 出力變化對電壓分布的影響

同樣的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和負(fù)荷，DG接入6號節(jié)點，按照DG出力的0、30%、65%、100%四種方案進行測試，根據(jù)文中所給的算法計算電壓分布，結(jié)果見圖6，出力數(shù)據(jù)見表2。

表2 DG 接入方案及出力數(shù)據(jù)Tab.2 Access scheme of DG and output data

圖6 DG 出力變化引起電壓分布變化曲線Fig.6 Voltage profiles according to the change of DG output

以上結(jié)果表明，在不改變分布式電源接入位置的情況下，電壓支撐由分布式電源的出力決定，出力越多，電壓支撐就越大，整體電壓水平就越高。

3.3 DG 位置變化對電壓分布的影響

保持DG出力不變，為100%出力，只改變它在網(wǎng)絡(luò)中的位置，依據(jù)表3給出的方案進行電壓分布計算，結(jié)果見圖7。

從圖7可以看出，DG 出力不變，改變接入位置，則電壓會有相應(yīng)的變化，越靠近負(fù)荷側(cè)，電壓變化幅度就越明顯，方案4中電壓水平明顯高于方案1、2、3的電壓水平，方案4中DG 位置靠近負(fù)荷側(cè)，方案1中DG 位置靠近母線，可見，DG 的接入位置越靠近線路末端，對電壓的影響越大。

表3 DG 接入方案Tab.3 Access scheme of DG

圖7 DG 位置變化引起電壓分布變化曲線Fig.7 Voltage profiles according to the change of DG interconnecting location

3.4 DG 的電壓調(diào)節(jié)作用

由于分布式發(fā)電的發(fā)電機具有勵磁系統(tǒng)，可在一定程度上調(diào)節(jié)無功功率，從而具有電壓調(diào)節(jié)能力。實際運行時，當(dāng)DG 遠(yuǎn)離變電站時，對變電站母線電壓的調(diào)節(jié)能力就很弱，如圖7中方案4就說明了這一點；有些發(fā)電機采用感應(yīng)電機（如風(fēng)力發(fā)電機），可能還要吸收無功，而不適用于電壓調(diào)節(jié)，在這種情況下，就要有相應(yīng)的無功補償設(shè)備；當(dāng)大容量的DG 接入時，必須將有關(guān)信號和信息傳到配電系統(tǒng)調(diào)度中心，以進行調(diào)度和控制的協(xié)調(diào)。

4 結(jié)論

本文針對鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)絡(luò)，采用含DG 的三角形負(fù)荷模型算法進行了電壓分布計算，研究結(jié)果說明分布式發(fā)電對配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓分布的影響，并得出如下結(jié)論：

1）對配電網(wǎng)進行簡化建模和分析的方法中三角形負(fù)荷分布模型要優(yōu)于負(fù)荷均勻分布模型，而且文中也驗證了三角形負(fù)荷分布模型算法的有效性。

2）一定容量的DG接入配電網(wǎng)絡(luò)，的確會對饋線上的電壓分布產(chǎn)生重大影響，影響程度與DG 總?cè)萘康拇笮?、接入位置有很大的關(guān)系。

3）DG 是否具有電壓調(diào)節(jié)作用與DG 的類型、容量等有關(guān)，要根據(jù)實際運行狀況確定具體的調(diào)壓方案。

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