王 燦1，王秋紅1，唐 軍，詹紅霞，李 潮，梅 哲，鄧 強(qiáng)

(1.重慶電力高等專(zhuān)科學(xué)校，重慶 400053；2.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院, 四川 成都 610039)

面對(duì)能源危機(jī)、環(huán)境污染以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的多重壓力，可再生能源及其相關(guān)的分布式發(fā)電技術(shù)成為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ倪x擇。特別是在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要(簡(jiǎn)稱(chēng)“十三五”規(guī)劃)中，國(guó)家明確指出要將綠色發(fā)展、節(jié)能環(huán)保作為未來(lái)5年能源和電力發(fā)展的主基調(diào)，并著手大力發(fā)展清潔可再生能源。在此背景下，以太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源為主的分布式電源(distributed generation, DG)受到了廣泛的關(guān)注和重視。DG是一種以分散的方式安裝于用戶(hù)側(cè)的電源，主要以風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等一系列清潔能源為主。大規(guī)模的DG接入配電網(wǎng)會(huì)給配電網(wǎng)帶來(lái)諸多益處，在削峰填谷、節(jié)省輸變電投資、降低系統(tǒng)網(wǎng)損、節(jié)能減排等方面效果顯著。但不合理的DG規(guī)劃也會(huì)對(duì)配電網(wǎng)帶來(lái)很多不利的影響，這些不利的影響主要體現(xiàn)在：用電低谷時(shí)會(huì)有大量多余發(fā)電量，可能出現(xiàn)饋線(xiàn)和變壓器過(guò)載的現(xiàn)象；過(guò)量的DG接入會(huì)導(dǎo)致饋線(xiàn)出現(xiàn)過(guò)電壓的風(fēng)險(xiǎn)大大增加；由于DG自身的不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致電能質(zhì)量的下降超過(guò)預(yù)期；繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作等。

基于以上背景，DG的接入對(duì)配電網(wǎng)的影響也就成了近年來(lái)電力行業(yè)專(zhuān)家學(xué)者關(guān)注和研究的熱門(mén)話(huà)題。文獻(xiàn)[1]對(duì)DG的概念和類(lèi)型進(jìn)行了介紹，并對(duì)DG的引入可能對(duì)配電網(wǎng)的網(wǎng)損、線(xiàn)路上的潮流、電壓、電能質(zhì)量、系統(tǒng)的保護(hù)和系統(tǒng)的可靠性等方面帶來(lái)的有利和不利影響進(jìn)行了概括性分析，為后面的研究提供了大體方向。文獻(xiàn)[2]從DG的不同接入位置和容量角度出發(fā)，對(duì)DG接入后對(duì)系統(tǒng)的電壓分布進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[3-5]針對(duì)DG的接入對(duì)系統(tǒng)的電壓質(zhì)量影響進(jìn)行了相關(guān)的理論分析和仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6-7]從DG接入對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)影響角度出發(fā)進(jìn)行了深入研究，指出DG的接入位置和容量是影響短路故障電流的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[8-10]在不改變系統(tǒng)現(xiàn)有保護(hù)配置的前提下，采用人工智能算法對(duì)DG的接入位置和最大準(zhǔn)入容量進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[11]以DG接入后系統(tǒng)網(wǎng)損最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)DG的接入位置和容量進(jìn)行了仿真研究。從以上研究可以看出，DG的接入位置和容量是影響其接入后系統(tǒng)的潮流流向、電壓質(zhì)量、故障電流、系統(tǒng)網(wǎng)損的關(guān)鍵因素。

在前人的研究基礎(chǔ)上，本文在綜合考慮DG接入的電流保護(hù)約束、電壓約束、總?cè)萘考s束，以及潮流等式約束等約束條件后，確定了DG的接入位置和容量，并以此建立了含多個(gè)DG接入后的配電網(wǎng)潮流計(jì)算模型。對(duì)該方案下DG接入后系統(tǒng)的網(wǎng)損和電壓水平進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，合理規(guī)劃DG的接入位置和容量能有效降低系統(tǒng)的網(wǎng)損，并提高系統(tǒng)的電壓水平。

1 確定DG的候選站址

1.1 總體思路

如何確定多個(gè)DG的并網(wǎng)位置是研究其接入后對(duì)配電網(wǎng)影響的關(guān)鍵。為保證DG接入位置和容量的合理性，本文采用MATLAB編程的方法，綜合考慮DG接入的電流保護(hù)約束、電壓約束、總?cè)萘考s束、潮流約束等與系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行相關(guān)的必不可少的約束條件，以此篩選出接入總?cè)萘孔畲蟮囊唤M接入方案。

1.2 約束條件

1.2.1 電流保護(hù)約束

電流約束主要考慮了DG接入對(duì)其上游、下游和相鄰線(xiàn)路保護(hù)的影響，具體包括以下3個(gè)方面。

1) DG接入位置下游發(fā)生短路故障時(shí)，DG上游相關(guān)保護(hù)不拒動(dòng)，即

(1)

2) 短路故障發(fā)生在DG接入點(diǎn)下游線(xiàn)路末端時(shí)，下游相關(guān)保護(hù)不誤動(dòng)，即

(2)

3) 當(dāng)相鄰線(xiàn)路出口故障時(shí)，DG支路保護(hù)檢測(cè)到的流向故障點(diǎn)的方向電流不應(yīng)造成該保護(hù)誤動(dòng)作，即

(3)

1.2.2 電壓約束

根據(jù)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)DG接入后配電網(wǎng)電壓做了如下約束[12]，即

0.93VN≤Vi≤1.07VN

(4)

式中：VN為標(biāo)稱(chēng)電壓；Vi為各節(jié)點(diǎn)電壓。

1.2.3 總?cè)萘考s束

DG接入的容量不超過(guò)線(xiàn)路的承載能力，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)并網(wǎng)總?cè)萘孔髁巳缦录s束[13]，即

0≤SDG，total≤25%Stotal

(5)

式中：SDG，total為系統(tǒng)接入的DG總?cè)萘浚籗total為系統(tǒng)的總負(fù)荷容量。

1.2.4 潮流等式約束

在DG并網(wǎng)后的正常運(yùn)行狀態(tài)下，其應(yīng)滿(mǎn)足基本的潮流等式約束，即

(6)

式中：Pi，Qi分別為節(jié)點(diǎn)i的有功和無(wú)功功率；Ui，Uj分別為節(jié)點(diǎn)i和j的電壓幅值；Gij，Bij為支路ij的電導(dǎo)和電納；δij表示電壓的相角差；N為系統(tǒng)的總節(jié)點(diǎn)數(shù)。

1.3 DG接入位置和容量篩選流程

文章采用MATLAB編程的方法進(jìn)行DG接入位置和容量的篩選，具體流程如圖1所示。

圖1DG接入位置和容量篩選流程

通過(guò)圖1所示的流程就可篩選出滿(mǎn)足各個(gè)約束條件的接入總?cè)萘孔畲蟮腄G候選站址。

2 多DG并網(wǎng)后的潮流計(jì)算模型

對(duì)多個(gè)DG并網(wǎng)后進(jìn)行潮流分析，是判斷其接入后系統(tǒng)網(wǎng)損、電壓水平的關(guān)鍵問(wèn)題。目前使用最多的方法有直接法、前推回代法、牛頓拉夫遜法。在本文中為了便于在MATLAB中實(shí)現(xiàn)含多個(gè)DG的系統(tǒng)潮流計(jì)算，筆者選擇了具有易編程、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn)的前推回代法。以圖2所示的簡(jiǎn)單饋線(xiàn)圖為例，對(duì)傳統(tǒng)的前推回代法潮流計(jì)算公式進(jìn)行相關(guān)推導(dǎo)。

由圖2(a)前推進(jìn)行支路功率計(jì)算可得

(7)

其中

(8)

式中：i為節(jié)點(diǎn)數(shù)；P(i+1)，Q(i+1)分別為節(jié)點(diǎn)i+1處的有功和無(wú)功功率；PL,i，QL,i分別為節(jié)點(diǎn)i處的有功和無(wú)功負(fù)荷；ΔP(i)，ΔQ(i)分別為第i條線(xiàn)路的有功和無(wú)功損耗；Ri，Xi分別為修正后的第i條支路的電阻和電抗；Ui+1為節(jié)點(diǎn)i+1的電壓。

(a)

(b)

圖2前推回代法潮流計(jì)算

結(jié)合圖2(b)的向量圖可得各節(jié)點(diǎn)電壓表達(dá)式

(9)

為在MATLAB中實(shí)現(xiàn)含多個(gè)DG接入下的潮流計(jì)算，對(duì)含多個(gè)DG的系統(tǒng)做了如下操作，具體步驟如下。

1)輸入DG接入前系統(tǒng)的負(fù)荷參數(shù)矩陣Bus=[iPL,iQL,i]。

2)將各個(gè)DG接入的容量等效轉(zhuǎn)換為PQ節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，若PDG，i≥PL，i則該節(jié)點(diǎn)等效為電源節(jié)點(diǎn)，等效電源的容量為{P=PDG，i-PL，i，Q=QDG，i-QL，i}；若PDG，i=PL，i則該節(jié)點(diǎn)等效為互聯(lián)節(jié)點(diǎn)，流入和流出該節(jié)點(diǎn)的功率是平衡的；若PDG，i≤PL，i則該節(jié)點(diǎn)等效為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，等效負(fù)荷為{P=PDG，i-PL，i，Q=QDG，i-QL，i}[14]。由此得到含多個(gè)DG的負(fù)荷修正參數(shù)矩陣Bus′=[iPQ]。

3)輸入含DG的系統(tǒng)阻抗修正參數(shù)矩陣Branch=[ijZij]。

4)帶入公式(7)求解各支路的功率；帶入公式(9)求解各節(jié)點(diǎn)的電壓。

3 算例驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述多個(gè)DG接入的候選站址篩選過(guò)程的正確性和可靠性，通過(guò)潮流計(jì)算對(duì)其接入后對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)損和電壓的影響進(jìn)行了算例驗(yàn)證，算例的建模和計(jì)算在如圖3所示的IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上完成的。取系統(tǒng)的基準(zhǔn)容量SB=10 MVA；線(xiàn)路的基準(zhǔn)電壓VB=12.66 kV；平衡節(jié)點(diǎn)1的電壓標(biāo)幺值為1.0；系統(tǒng)的總負(fù)荷為(3 715+j2 300) kVA；初始的DG接入隨機(jī)數(shù)組為2 000個(gè)(2 000×32的DG接入信息矩陣)；各母線(xiàn)負(fù)荷數(shù)據(jù)和支路參數(shù)詳情參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15]。

圖3中CB1～CB7為對(duì)該系統(tǒng)配置的Ⅰ、Ⅲ段電流保護(hù)，保護(hù)的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示[16]。

表1 DG接入前電流保護(hù)相應(yīng)整定值

按圖1所示的DG候選站址篩選流程得到的接入總?cè)萘孔畲?1 089.4 kVA)的具體方案如表2所示。

表2 DG的候選站址和容量分布

將表2中的DG接入方案按第2節(jié)所述的方法通過(guò)MATLAB進(jìn)行潮流計(jì)算分析，得到的DG接入前后各支路網(wǎng)損(本文中特指有功網(wǎng)損)變化詳細(xì)對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示，相應(yīng)的網(wǎng)損變化對(duì)比圖如圖4所示。

表3 DG接入前后各支路網(wǎng)損變化詳細(xì)對(duì)比數(shù)據(jù)

圖4 DG接入前后各支路的網(wǎng)損變化

由表3和圖4的數(shù)據(jù)分析可以看出，在本文的DG接入方案下，DG接入后在各饋線(xiàn)前段，大部分的支路網(wǎng)損下降較為明顯，系統(tǒng)的總網(wǎng)損也有大幅下降，從接入前的202.6 kW下降到DG接入后的99.8 kW，降幅達(dá)到了50.74%。由此可見(jiàn)，合理安排DG的接入位置和容量，能大幅降低系統(tǒng)的網(wǎng)損。

潮流計(jì)算中得到的DG接入前后各節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值的詳細(xì)對(duì)比數(shù)據(jù)如表4所示，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值變化如圖5所示。

表4 DG接入前后各節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值詳細(xì)對(duì)比數(shù)據(jù)

圖5 DG接入前后各節(jié)點(diǎn)的電壓變化

結(jié)合圖5和表4的數(shù)據(jù)可以看出，DG接入后，各節(jié)點(diǎn)的電壓標(biāo)幺值基本都有所提高，特別是對(duì)處于各饋線(xiàn)末端的節(jié)點(diǎn)，其提升效果尤為明顯。數(shù)據(jù)表明，合理地規(guī)劃DG的接入位置和容量大小能有效改善各饋線(xiàn)的電壓水平，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文在綜合考慮DG接入的電流保護(hù)約束、電壓約束、總?cè)萘考s束，以及潮流等式約束等約束條件后，通過(guò)MATLAB編程的方法，從眾多的DG接入方案中，篩選出滿(mǎn)足各個(gè)約束條件并且接入總?cè)萘孔畲蟮姆桨?，作為DG接入的候選站址。并以此建立了含多個(gè)DG接入的配電網(wǎng)潮流計(jì)算模型，對(duì)IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了算例驗(yàn)證。結(jié)論表明，在本文的DG接入方案下，系統(tǒng)的網(wǎng)損和電壓水平均有大幅改善，驗(yàn)證了本方法的合理性和可行性，具有一定的參考價(jià)值。

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