趙文靜，劉 莉，左 峰，田 武,賈竹婷

(1.沈陽工程學院 電力學院，遼寧 沈陽 110136； 2.國網(wǎng)寧夏電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，寧夏 銀川 750011； 3.國網(wǎng)遼寧省撫順供電公司，遼寧 撫順 113008)

分布式風力發(fā)電接納能力影響因素仿真分析

趙文靜1，劉 莉1，左 峰1，田 武2,賈竹婷3

(1.沈陽工程學院 電力學院，遼寧 沈陽 110136； 2.國網(wǎng)寧夏電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，寧夏 銀川 750011； 3.國網(wǎng)遼寧省撫順供電公司，遼寧 撫順 113008)

分布式發(fā)電的大規(guī)模接入使得配電網(wǎng)潮流發(fā)生較大變化，這些變化限制了分布式發(fā)電的接入。影響分布式發(fā)電接納能力的因素很多，主要包括節(jié)點電壓及支路載流量等。首先介紹了風力發(fā)電機模型，分析了前推回代法在配網(wǎng)潮流計算中的應(yīng)用，然后搭建了IEEE33節(jié)點系統(tǒng)模型，對分布式發(fā)電接入后的系統(tǒng)進行了潮流計算，最后分析了節(jié)點電壓、支路載流量等因素對分布式發(fā)電接納能力的影響。仿真結(jié)果表明，分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)的接納能力主要受接入位置和功率因數(shù)等因素的影響，在接入電網(wǎng)時只有將這些影響因素考慮在內(nèi)才能提高電網(wǎng)對它的接納能力，提高能源利用率。

分布式發(fā)電；接納能力；潮流計算

隨著能源危機和環(huán)境問題日益加劇，分布式發(fā)電憑借發(fā)電方式靈活、能源利用率高、低污染甚至無污染排放等優(yōu)點在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展。分布式發(fā)電充分利用各地清潔的、可再生的能源，向用戶提供“綠色電力”，是實現(xiàn)“節(jié)能減排”這一目標的重要措施?！秶抑虚L期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中明確提出要大力開展“可再生能源低成本規(guī)?；_發(fā)利用”以及“間歇式電源并網(wǎng)及輸配技術(shù)”，發(fā)展分布式發(fā)電符合國家的能源需求[1]。目前國內(nèi)主要的分布式發(fā)電主要包括風力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃料電池等較為安全清潔環(huán)保的能源。為了規(guī)?；每稍偕茉?、提高能源利用率，分布式發(fā)電接入電網(wǎng)的接納能力在條件允許的范圍內(nèi)越大越好。但分布式發(fā)電接入電網(wǎng)會引起配網(wǎng)潮流特性、系統(tǒng)網(wǎng)損和穩(wěn)態(tài)電壓發(fā)生變化。雖然分布式發(fā)電并入電網(wǎng)會起到對配網(wǎng)電壓的支撐作用，但若接入方式選取不當會危及電網(wǎng)安全。對分布式發(fā)電接納能力的影響因素進行研究，得到分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)的合理方式具有重要意義。

隨著分布式發(fā)電的快速發(fā)展，如何增加其接納能力是目前研究的熱點。文獻[2]從分布式發(fā)電接入位置等角度分析了負荷節(jié)點電壓與分布式發(fā)電接納能力之間的關(guān)系。文獻[3]從系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的角度出發(fā)，考慮系統(tǒng)運行方式、機組自身保護等因素的影響，分析了各種因素影響下滿足暫態(tài)穩(wěn)定判據(jù)的最大接入功率，并取其中最小者作為分布式發(fā)電的準入容量。下面以風機為例介紹分布式發(fā)電接入電網(wǎng)的模型，系統(tǒng)地分析節(jié)點電壓和支路載流量等不同約束條件對分布式發(fā)電接納能力的影響，并且針對每個影響因素提出了提高分布式發(fā)電接納能力的措施。

1 風力發(fā)電機模型

風力發(fā)電機作為分布式發(fā)電接入電網(wǎng)時，一般使用異步發(fā)電機，從電網(wǎng)吸收無功功率建立勵磁磁場，其沒有電壓調(diào)整能力，吸收的無功功率Q的大小與機端電壓U和發(fā)電機轉(zhuǎn)差率s有關(guān)。因此，分布式風力發(fā)電在潮流計算中既不能作為PV節(jié)點，也不能簡單地認為是PQ節(jié)點，應(yīng)該將其認為是P-Q(V)節(jié)點。風力發(fā)電機的模型如圖1所示。

圖1 風力發(fā)電機電路模型

異步發(fā)電機輸出有功為

(1)

式中，U為機端電壓幅值，R為轉(zhuǎn)子電阻，s為轉(zhuǎn)差率，Xσ為發(fā)電機定子電抗與轉(zhuǎn)子電抗之和。由上式可求得轉(zhuǎn)差率s為

(2)

風力發(fā)電機的功率因數(shù)角的正切值可由等效電路求出：

tanφ=(R2+Xφ(Xm+Xφ)s2)/(sXmR)

(3)

式中，Xm為勵磁電抗。

無功功率 ：

(4)

潮流計算中處理風力發(fā)電時，為了簡化計算，將其處理為PQ型節(jié)點，即認為分布式發(fā)電并網(wǎng)的節(jié)點注入有功功率P和無功功率Q是恒定的，與普通負荷節(jié)點的區(qū)別在于它的有功P是負值，即向電網(wǎng)注入有功，通常情況下這些PQ模型的分布式電源功率因數(shù)角為負值，可看作從電網(wǎng)吸收無功[4]。

2 潮流計算

前推回代法基于支路電流進行，假定各節(jié)點的電壓幅值為1，幅角為0，具體計算步驟如下：

1)從第一層節(jié)點開始，根據(jù)基爾霍夫電流定律，求支路上的電流：

(5)

2)從第二層開始逐層計算非末節(jié)點的注入電流，根據(jù)基爾霍夫電流定律可得各節(jié)點注入電流：

(6)

3)由步驟1)和2)求出所有支路的支電流，再由已知的根節(jié)點電壓求出各節(jié)點的電壓：

(7)

式中，i為父節(jié)點，j為子節(jié)點，Zij為節(jié)點i、j間的支路阻抗。

4)算出各個節(jié)點的電壓電流后，可以計算線路潮流Sj：

(8)

3 算例分析

以IEEE33節(jié)點系統(tǒng)為例，通過分析DG接入后系統(tǒng)的潮流變化來研究節(jié)點電壓和支路載流量對DG接納能力的影響。IEEE33節(jié)點系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 IEEE33節(jié)點系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從線路始端開始，沿饋線將負荷接入點看成1個節(jié)點并依次編號，變電站所在位置母線編號為0，依次疊加。搭建IEEE33節(jié)點系統(tǒng)仿真圖，如圖3所示。

3.1 節(jié)點電壓約束

分析分布式發(fā)電接納能力與配電網(wǎng)節(jié)點電壓的關(guān)系，從分布式電源出力、接入位置和分布式電源功率因數(shù)3種情況考慮。

圖3 系統(tǒng)仿真圖

1)分布式發(fā)電出力與節(jié)點電壓的關(guān)系

分布式發(fā)電的接入位置不變，改變分布式發(fā)電出力得出配網(wǎng)內(nèi)部潮流分布及各接入點處的電壓。DG出力變化及節(jié)點17的電壓變化情況，如圖4所示。

圖4 節(jié)點電壓與分布式發(fā)電出力的關(guān)系

仿真結(jié)果表明，分布式發(fā)電接入位置不變的前提下，分布式發(fā)電出力對配電網(wǎng)電壓的影響非常明顯。由圖4可知，分布式發(fā)電接入后，節(jié)點電壓呈現(xiàn)上升的趨勢。在安全范圍內(nèi)，分布式發(fā)電出力越大，節(jié)點電壓越接近線路額定電壓。這是因為分布式發(fā)電出力越大，它與系統(tǒng)總負荷的比例越大，對電壓的支撐能力越大，整體的電壓水平就越高。而一旦超過安全范圍，電壓水平又會有所降低，即系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)了反向潮流。實際應(yīng)用中出現(xiàn)反向潮流將會給系統(tǒng)繼電保護、調(diào)度等造成很大的困擾，所以要將分布式發(fā)電出力控制在一定范圍內(nèi)，這就要求接入配電網(wǎng)的分布式電源的容量不能過大。由仿真可知，若僅從電壓不越限，系統(tǒng)內(nèi)部不出現(xiàn)反向潮流的角度考慮，分布式發(fā)電接入容量取系統(tǒng)總負荷的40%左右比較可靠。實際配電網(wǎng)中，無論配網(wǎng)內(nèi)分布式發(fā)電的個數(shù)是多少，要求其接入配網(wǎng)的總?cè)萘恳∮谙到y(tǒng)總負荷，保證整個配電線路是嚴格吸收型的受端網(wǎng)絡(luò)，防止配網(wǎng)內(nèi)部出現(xiàn)反向潮流。

2) 分布式發(fā)電接入位置與節(jié)點電壓的關(guān)系

保持分布式發(fā)電出力不變，改變其在網(wǎng)絡(luò)中的位置，分析分布式發(fā)電接納能力的變化。此次仿真中每個接入點只有1個分布式電源接入。分布式電源接入位置與接納能力的關(guān)系如圖5所示。

仿真結(jié)果表明，分布式電源出力不變的條件下，接入在配網(wǎng)不同的位置，對配網(wǎng)電壓的影響也不同。分布式電源的接入點越接近系統(tǒng)母線，如節(jié)點1，對系統(tǒng)潮流及配網(wǎng)電壓的影響越小。分布式電源接入線路末端，如節(jié)點17，系統(tǒng)電壓則會發(fā)生較大變化，并且極有可能超過系統(tǒng)安全電壓，對系統(tǒng)及用戶都會造成不良影響。由此可知，對于分布式發(fā)電接入線路的中部和中部靠前的位置，配電網(wǎng)對其接納能力較大。

3)分布式發(fā)電功率因數(shù)與接納能力的關(guān)系

由1)可知，分布式發(fā)電出力為總負荷的40%且接在饋線中上端時對配網(wǎng)電壓的影響較小。這里選節(jié)點1，分布式發(fā)電出力為1 200 kW并保持不變。改變分布式發(fā)電功率因數(shù)，對配電系統(tǒng)進行潮流計算。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 節(jié)點電壓與分布式發(fā)電接入位置的關(guān)系

仿真結(jié)果表明，分布式發(fā)電接入位置和出力不變的情況下， 分布式發(fā)電功率因數(shù)的變化對系統(tǒng)潮流及接入點電壓會產(chǎn)生較大影響。由圖6可知，分布式發(fā)電在功率滯后的狀態(tài)下接入配電網(wǎng)對系統(tǒng)電壓的改善程度明顯要好于超前功率因數(shù)。分布式發(fā)電在功率因數(shù)滯后的情況下接入時會發(fā)出無功功率，有助于補償系統(tǒng)中負荷的無功功率，從而減少線路有功損耗，使配網(wǎng)電壓升高。分布式發(fā)電接入配網(wǎng)時，在功率因數(shù)變化過程中存在1個臨界值，分布式發(fā)電在該功率因數(shù)下接入時，配網(wǎng)的潮流變化最小，電壓降也最小。

圖6 分布式發(fā)電功率因數(shù)與系統(tǒng)電壓變化情況

當分布式電源發(fā)出的無功大于負荷吸收的無功時，配網(wǎng)中電壓的峰值會出現(xiàn)在分布式發(fā)電接入點，實際運行時，要在系統(tǒng)中安裝調(diào)壓裝置避免電壓越限發(fā)生事故。

3.2 支路載流量約束

通過對33節(jié)點系統(tǒng)進行潮流計算可知，分布式發(fā)電的接入位置不變，線路電流隨著接入容量的增大而增大，DG接入點的電流變化最大。當DG接入容量增大到一定程度時，系統(tǒng)會出現(xiàn)反向潮流，所以線路中電流也會反向。

當分布式發(fā)電接入不同位置時對配電網(wǎng)進行潮流計算，可知分布式發(fā)電的接入位置越接近線路末端，配網(wǎng)中載流量增加的線路越多。分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)最不利的接入位置是線路末端。當分布式發(fā)電出力接在最遠節(jié)點18時，節(jié)點17、節(jié)點18之間線路的載流量達到最大值75.97%。如果使該段線路的載流量達到100%，分布式能源發(fā)電可接入極限容量為7.82 MW，考慮留有一定裕度，允許接入的最大值可選擇為7 MW。

4 結(jié) 論

研究了DG接入配電網(wǎng)接納能力的影響因素。通過算例仿真具體分析了節(jié)點電壓、支路載流量等因素對分布式發(fā)電接納能力的影響，得出以下結(jié)論：

1)分布式發(fā)電接入輻射型配電網(wǎng)會對配網(wǎng)潮流分布產(chǎn)生較大的影響，進而引起節(jié)點電壓及支路載流量的變化，其影響程度與分布式發(fā)電的容量大小、接入位置等密切相關(guān)。

2)分布式發(fā)電出力相同時，分散接在線路上比集中在一點對線路電壓的支撐作用大。

3)為了防止分布式發(fā)電退出運行時線路偏差過大，應(yīng)在分布式發(fā)電接入位置安裝無功電壓補償裝置，如電容器等。

4)正常情況下，分布式發(fā)電最好多發(fā)有功功率，少發(fā)無功功率，并保持高功率因數(shù)運行。

[1]王成山，王守相.分布式發(fā)電供能系統(tǒng)若干問題研究[J]。電力系統(tǒng)自動化，2008，32(20)：1-4.

[2]王志群，朱守真.分布式發(fā)電對配電網(wǎng)電壓分布的影響[J].電力系統(tǒng)自動化,2004,28(16)：61-66.

[3]CONTI S，RAITI S，TINA G,et al.Study of the Impact of PV generation on voltage profile in LV distribution networks [J].IEEE Porto Power Tech Conference,2001(9):10-13.

[4]李森茂.分布式電源對配電網(wǎng)三相潮流的影響及其選址定容的研究[D].廣東：華南理工大學，2011。

[5]李 斌,劉天琪,李興源.分布式電源接入對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響[J].電網(wǎng)技術(shù),2009，33(3)：84-88.

[6]田 武，許傲然，田明輝，等.大功率直驅(qū)風機并網(wǎng)技術(shù)的研究[J].沈陽工程學院學報：自然科學版，2015,11(1)：63-65.

(責任編輯 佟金鍇 校對 張 凱)

Simulation Analysis of InfluenceFactors of Distributed Generation′s Adopt Capacity

ZHAO Wen-jing1,LIU Li1,ZUO Feng1,TIAN Wu2,JIA Zhu-ting3

(1.ShenyangInstitute of Engineering，Shenyang 110136; 2.Electric Power Eco-tech Research Institute,State Grid Ningxia Electric Power Company,Shenyang 110136; 3.Fushun Power Supply Company,State Grid Liaoning Electric Power Supply Co.Ltd.,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Large scale access of distributed generation makes the power flow of distribution network change greatly,which limits the access of distributed generation.There are many factors that restrict the adopt capacity of the distributed generation,including the node voltage and branch load flow.In this paper,the model of wind turbine was introduced and the application of forward and backward substitution method in the calculation of power flow was analyzed.And then a IEEE33 system model was built to calculate the power flow of the distributed network accepting DG.Finally,the influence of node voltage and branch load flow on the distributed generation's accepted capacity was analyzed.The simulation results showed that the adopt capacity of the distributed generation will be affected by the location and power factor.Only taking these factors into account,can the accepted capacity of the DGbe improved,and can the utilization of the distributed generation in the power system be increased.

Distribution generation;Adoptcapacity; Power flow calculation

2016-11-24

沈陽市科技項目重點實驗室資助項目(F16-091-00);沈陽工程學院基金項目(LGXS-1622)

趙文靜(1992-),女,山東荷澤人,碩士研究生。

劉 莉(1963-)，女，遼寧沈陽人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)分析與控制、智能電網(wǎng)等方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.01.001

TM614

A

1673-1603(2017)01-0001-05