劉 琳，陶 順，肖湘寧，李英毓

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206)

1 引言

傳統(tǒng)的集中供電因其高效、低損耗且易于管理等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了普遍的推廣。然而，大電網(wǎng)不能靈活跟蹤負(fù)荷的變化，使得設(shè)備利用率低。不僅如此，在大型互聯(lián)電力系統(tǒng)中，局部故障極易擴(kuò)散，往往導(dǎo)致大面積的停電，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)帶來(lái)不利影響。因此，國(guó)外的專(zhuān)家學(xué)者提出了分布式發(fā)電(Distributed Generation，DG)與配電網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行的方式，從而提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性、可靠性和安全性［1-3］。這種方式已經(jīng)成為配電系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

本文將在一個(gè)簡(jiǎn)化的配電網(wǎng)模型上重點(diǎn)分析DG引入后影響配電網(wǎng)網(wǎng)損的因素，為降低網(wǎng)損提供一定的理論依據(jù)。

2 模型的建立

為方便建立模型，本文首先做出以下假設(shè):①配網(wǎng)輸電線(xiàn)路不長(zhǎng)(L≤20km)，輸電線(xiàn)路均勻，單位長(zhǎng)度電阻值恒定;②輸電線(xiàn)路各處電壓相等且在引入DG前后，輸電線(xiàn)路電壓基本不變;③負(fù)荷以Y型接入系統(tǒng)且三相負(fù)荷平衡;④除分布式電源外，DG接入前后兩模型在變壓器型號(hào)、線(xiàn)路參數(shù)、負(fù)荷大小等方面完全相同。

配電網(wǎng)模型如圖1和圖2所示，圖1為未接入DG的模型，圖2為接入DG后的配電網(wǎng)模型。

圖1 未接入DG的配電網(wǎng)Fig.1 Distribution network without DG

圖2 接入DG的配電網(wǎng)Fig.2 Distribution network with DG

圖中電網(wǎng)側(cè)電壓等級(jí)為UN1，線(xiàn)路電壓等級(jí)為UN2，變壓器額定電壓比為UN1/UN2。由圖可知，網(wǎng)絡(luò)的損耗是變壓器和線(xiàn)路的有功損耗之和。

未引入DG時(shí)，模型1的總損耗為線(xiàn)路有功損耗Tline1與變壓器損耗Ttrans1之和為［4］

其中，r為輸電線(xiàn)路單位電阻值;PL為負(fù)荷消耗的有功功率;QL為負(fù)荷消耗的無(wú)功功率;為線(xiàn)路相電壓相量，以電壓相量為參考量，=U∠0°;為流入負(fù)荷的電流相量，電流相位即為負(fù)荷的負(fù)荷角，=IG∠φL。

引入DG后，網(wǎng)絡(luò)損耗的變化量可以體現(xiàn)在三部分:①電源和DG間的線(xiàn)路損耗T11;②DG和負(fù)荷間的線(xiàn)路損耗T12;③變壓器的損耗 Ttrans2。因此，接入DG后系統(tǒng)的總損耗為

接入DG前后網(wǎng)損的變化量為

若ΔT＞0，則說(shuō)明引入分布式電源后可以減少網(wǎng)損，否則說(shuō)明分布式電源使系統(tǒng)網(wǎng)損增加。設(shè)網(wǎng)損變化率(Hrate)為

為了方便分析，假定負(fù)荷從系統(tǒng)中吸收有功和無(wú)功功率，則負(fù)荷的無(wú)功功率可以表示為

DG發(fā)出無(wú)功功率時(shí)為滯后功率因數(shù)方式運(yùn)行，吸收無(wú)功功率時(shí)為超前功率因數(shù)運(yùn)行，此時(shí)DG的無(wú)功功率有兩種表示形式。

其中，DG在滯后功率因數(shù)下運(yùn)行時(shí)取正號(hào)，DG在超前功率因數(shù)下運(yùn)行時(shí)取負(fù)號(hào)。

分別將式(5)和(6)代入式(4)，可以得到整理后的網(wǎng)損變化率。

設(shè)X=PDG/PL為DG輸出功率相對(duì)負(fù)荷的大小。若X≤1，表示 DG發(fā)出功率全部被負(fù)荷吸收;反之，若X＞1，表示DG發(fā)出功率部分被負(fù)荷吸收，剩下的則上網(wǎng)供電。

由式(7)可以看出，在選定的配電饋線(xiàn)上，系統(tǒng)網(wǎng)損的變化情況與變壓器電阻(RT)、變壓器運(yùn)行臺(tái)數(shù)(K)、DG的運(yùn)行方式(cosφDG)、DG的接入位置(M)以及 DG輸出功率相對(duì)負(fù)荷的大小(X)有關(guān)?，F(xiàn)對(duì)這五個(gè)因素進(jìn)行計(jì)算分析。

3 計(jì)算分析

本節(jié)計(jì)算中選用的導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)為L(zhǎng)J-35，其單位電阻值為 0.91Ω/km，L=20km，cosφL=0.8，UN1=35kV，UN2=10kV。

3.1 DG接入對(duì)變壓器運(yùn)行臺(tái)數(shù)及網(wǎng)損的影響

變壓器的臺(tái)數(shù)一般根據(jù)負(fù)荷等級(jí)、用電容量和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等條件綜合考慮確定。為了使變壓器能夠在經(jīng)濟(jì)方式下運(yùn)行，需要根據(jù)負(fù)荷的大小來(lái)決定投入變壓器的臺(tái)數(shù)和容量，從而減小功率損耗。所謂變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，就是要確定對(duì)應(yīng)于某一負(fù)荷，投入幾組變壓器，可使總的有功功率損耗最小。投切變壓器的負(fù)荷功率值稱(chēng)為Scr。

其中，Sn為變壓器的額定容量;P0為變壓器的空載損耗;Pk為變壓器的短路損耗。

當(dāng)負(fù)荷功率SL＞Scr，系統(tǒng)宜投入K臺(tái)變壓器運(yùn)行。當(dāng)負(fù)荷功率SL＜Scr時(shí)，系統(tǒng)宜投入K－1臺(tái)變壓器運(yùn)行。DG的接入分擔(dān)了系統(tǒng)的一部分負(fù)荷，這就可能減小流經(jīng)變壓器的負(fù)荷，從而影響變壓器臺(tái)數(shù)的選擇。

假設(shè)負(fù)荷功率 SL=250kVA，DG容量 SDG=200kVA。一般情況下，變電所有兩臺(tái)主變壓器，可選K=2。選擇了4種不同容量的變壓器，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的Scr和電阻值。

顯然，未接入DG時(shí)流經(jīng)變壓器的負(fù)荷功率SL=250kVA＞Scr，此時(shí)系統(tǒng)宜投入2臺(tái)變壓器運(yùn)行;接入DG后，流經(jīng)變壓器的負(fù)荷功率SL－SDG=250－200=50＜Scr(單位:kVA)。此時(shí)系統(tǒng)僅投入1臺(tái)變壓器運(yùn)行即可。因此，在適當(dāng)?shù)臈l件下，根據(jù)DG的并網(wǎng)容量和運(yùn)行輸出功率，有必要經(jīng)濟(jì)調(diào)度變壓器臺(tái)數(shù)的運(yùn)行，減小系統(tǒng)的網(wǎng)損。

3.2 變壓器電阻對(duì)網(wǎng)損的影響

同樣，規(guī)劃DG的接入會(huì)導(dǎo)致流經(jīng)變壓器的功率發(fā)生變化，從電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度來(lái)說(shuō)，也可能影響到變壓器容量的選擇或調(diào)整。在額定電壓一定的條件下，變壓器電阻與其額定容量的平方成反比。由式(7)可以看出，變壓器電阻大小與DG接入前后的網(wǎng)損變化率有關(guān)。也就是說(shuō)，接入DG后會(huì)影響變壓器容量的選擇，進(jìn)而影響到系統(tǒng)網(wǎng)損。

由表1可以看出，變壓器容量越大，對(duì)應(yīng)的電阻值越小。假設(shè)此時(shí)負(fù)荷功率SL=400kVA，DG容量SDG=200kVA。顯然，未接入DG時(shí)流經(jīng)變壓器的負(fù)荷功率SL=400kVA，此時(shí)系統(tǒng)需要投入2臺(tái)容量大于315 kVA的變壓器運(yùn)行;接入DG后，流經(jīng)變壓器的負(fù)荷功率 SL－SDG=200kVA，系統(tǒng)僅投入2臺(tái)容量為200 kVA的變壓器運(yùn)行即可。因此，對(duì)于不同的DG的并網(wǎng)容量和運(yùn)行輸出功率，適宜選擇不同容量的變壓器，進(jìn)而可以降低系統(tǒng)的網(wǎng)損。

表1 不同變壓器對(duì)應(yīng)的Scr及電阻值Tab.1 Scrand resistance of different transformers

3.3 DG接入位置對(duì)網(wǎng)損的影響

由式(7)可知，DG的接入位置對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損有較大的影響，文獻(xiàn)［6］也對(duì)此進(jìn)行了討論。本文選取11個(gè)不同的DG接入位置，繪制出了網(wǎng)損變化率在不同的DG功率因數(shù)以及DG容量下的變化情況，如圖3所示。

從圖3可以看出，如果DG向系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功功率，當(dāng)DG容量較小時(shí)，網(wǎng)損變化率為正值，說(shuō)明DG并網(wǎng)能夠減小系統(tǒng)網(wǎng)損，且DG接入位置越靠近負(fù)荷側(cè)，網(wǎng)損減少的越多;而DG容量較大時(shí)，網(wǎng)損變化率為負(fù)，說(shuō)明DG并網(wǎng)增大了系統(tǒng)的網(wǎng)損，且DG接入位置越靠近負(fù)荷側(cè)，網(wǎng)損增加的越多。

如果DG只發(fā)出有功功率，網(wǎng)損變化率較發(fā)出無(wú)功功率時(shí)幅度減小，但網(wǎng)損變化趨勢(shì)仍與DG發(fā)出無(wú)功時(shí)相似。如果DG從系統(tǒng)中吸收無(wú)功功率，當(dāng)DG容量很小時(shí)，系統(tǒng)網(wǎng)損變化率為正值，但減小網(wǎng)損不明顯;當(dāng)DG容量不僅向負(fù)荷供電，同時(shí)上網(wǎng)供電時(shí)，DG并網(wǎng)會(huì)增加系統(tǒng)的損耗，且DG接入位置越靠近負(fù)荷側(cè)，網(wǎng)損增加越多。

圖3 DG接入位置對(duì)網(wǎng)損的影響Fig.3 Influence on losses by DG's location

3.4 DG容量對(duì)網(wǎng)損的影響

DG容量對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損也有很明顯的影響［7］。本文分別選取5種不同的DG容量，繪制出了網(wǎng)損變化率在不同的DG功率因數(shù)以及接入位置下的變化情況，如圖4所示。

圖4 DG容量對(duì)網(wǎng)損的影響Fig.4 Influence on losses by DG's capacity

從圖4可以看出，如果DG向系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功功率，當(dāng)DG容量小于負(fù)荷2倍時(shí)，網(wǎng)損變化率大于0，即DG并網(wǎng)能夠減小網(wǎng)損。此時(shí)，DG越靠近負(fù)荷側(cè)，對(duì)減少網(wǎng)損越有利。當(dāng)DG容量增大到2倍負(fù)荷時(shí)，DG除了向負(fù)荷供電外，還向系統(tǒng)提供相同的有功，系統(tǒng)的網(wǎng)損變化率為0，即DG接入前后系統(tǒng)網(wǎng)損不變。這是因?yàn)榇藭r(shí)流經(jīng)線(xiàn)路和變壓器的潮流與未接入DG時(shí)完全相同，只是潮流相反。一旦DG容量大于2倍負(fù)荷，DG的接入就會(huì)使網(wǎng)損增加，在這種情況下，DG的接入位置越接近上一級(jí)電網(wǎng)側(cè)，對(duì)減小網(wǎng)損越有利。

同理可知，DG只發(fā)出有功功率或從系統(tǒng)中吸收無(wú)功功率，DG并網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)減少網(wǎng)損是不利的。

3.5 DG運(yùn)行方式對(duì)網(wǎng)損的影響

DG運(yùn)行方式對(duì)配電網(wǎng)也有較大的影響。從圖3或圖4可以看出，在其他條件一定的情況下，DG向系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功功率越多，網(wǎng)損減少的越多。這是因?yàn)楫?dāng)DG向系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功功率時(shí)，有助于補(bǔ)償負(fù)荷的無(wú)功功率，從而減少因無(wú)功電流在輸電線(xiàn)路和變壓器上的傳輸而形成的有功損耗。因此，DG要盡量在滯后功率因數(shù)下運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立引入DG前后配電網(wǎng)的簡(jiǎn)化模型，推導(dǎo)出網(wǎng)損變化的表達(dá)式，經(jīng)過(guò)具體數(shù)值的理論計(jì)算與分析，研究了各種不同情況下分布式電源的接入對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響，得出影響系統(tǒng)網(wǎng)損的五個(gè)因素。主要結(jié)論如下:

(1)在適當(dāng)?shù)臈l件下，有必要根據(jù)DG的并網(wǎng)容量，經(jīng)濟(jì)調(diào)度變壓器的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，從而減小系統(tǒng)網(wǎng)損。

(2)DG要盡量在滯后功率因數(shù)下運(yùn)行，如若不能，則應(yīng)加入相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置。

(3)DG容量小于2倍線(xiàn)路負(fù)荷時(shí)，應(yīng)將DG配置在饋線(xiàn)靠近負(fù)荷的位置，且盡量選擇與負(fù)荷容量相適應(yīng)的變壓器。

(4)DG容量大于2倍線(xiàn)路負(fù)荷時(shí)，應(yīng)將DG配置在靠近上一級(jí)電網(wǎng)的位置，且盡量選擇與DG容量相匹配的變壓器。

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