王漢華,陳小明
(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局,廣東韶關(guān) 512028)
當(dāng)前,全球化石能源日趨枯竭,環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻,推進(jìn)風(fēng)電、光伏等可再生能源的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。隨著電力政策的放開,分布式電源(Distributed Generation,DG)以其投資成本低、發(fā)電方式靈活、綠色清潔等特點(diǎn),受到了國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[1-2]。
DG的應(yīng)用主要以接入配電網(wǎng)運(yùn)行為主,這樣既便于可再生能源的就地利用,又可以減少傳輸電能的損耗和延緩配電網(wǎng)的升級(jí)改造。DG的接入使單電源放射型的傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò),變成多電源分散分布的有源網(wǎng)絡(luò),使得配電網(wǎng)的潮流分布更加復(fù)雜多變,對(duì)配電網(wǎng)電壓質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)損耗和繼電保護(hù)等造成影響[3-4]。隨著DG接入容量的增大,配電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)和可靠性受到了威脅[5-7]。文獻(xiàn)[8]在Digsilent平臺(tái)上仿真分析了分布式風(fēng)電和分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響;文獻(xiàn)[9]研究了分布式光伏接入后配電網(wǎng)網(wǎng)損的變化規(guī)律;文獻(xiàn)[10]基于威布爾—馬爾科夫模型進(jìn)行了分布式電源多運(yùn)行狀態(tài)的配電網(wǎng)可靠性分析。DG配電網(wǎng)的影響與其接入容量密切相關(guān),文獻(xiàn)[11]以滲透率描述DG接入容量與系統(tǒng)負(fù)荷的關(guān)系,并研究DG滲透率對(duì)電壓的影響。上述研究往往通過(guò)仿真分析得到DG對(duì)配電網(wǎng)的影響規(guī)律,鮮有從機(jī)理上分析DG對(duì)配電網(wǎng)的影響。
因此,本文引入DG滲透率的概念,從機(jī)理上分析DG接入對(duì)配電網(wǎng)、電流和網(wǎng)絡(luò)損耗的影響,并以典型10 kV配電線路進(jìn)行仿真,研究DG滲透率對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的影響規(guī)律,最后提出提升配電網(wǎng)DG消納能力的措施。
如圖1所示,為DG接入10 kV配電網(wǎng)的簡(jiǎn)化示意圖,其中,配電線路共有n個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)i上的負(fù)荷為PLi+jQLi,;線路Li上的阻抗為Ri+jXi;饋線首端為該網(wǎng)絡(luò)的平衡節(jié)點(diǎn),電壓幅值為V0,節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值為Vi;DG接入節(jié)點(diǎn)為p,其輸出功率為PDG+jQDG。下面將從機(jī)理上分析DG接入對(duì)配電網(wǎng)電壓、電流和網(wǎng)損的影響。
圖1 DG接入配電網(wǎng)的簡(jiǎn)化示意圖
配電網(wǎng)兩節(jié)點(diǎn)間電壓相角相差很小,因此忽略電壓降落橫分量,第m-1個(gè)和第m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓降落縱分量為:
由式(3)可知,DG接入后對(duì)配電網(wǎng)電壓有抬升作用,DG接入容量越大,配電網(wǎng)電壓抬升效果越明顯。
DG接入前線路Lm的電流為:
DG接入后線路Lm的電流為:
由式(5)可知,DG接入配電網(wǎng)后,對(duì)于DG接入節(jié)點(diǎn)后的線路電流沒有影響;對(duì)于DG接入節(jié)點(diǎn)前的線路,隨著DG接入容量的增大,線路電流逐漸減小,當(dāng)DG接入容量足夠大,線路電流出現(xiàn)反向,并可能超過(guò)線路最大載流量。
DG接入前,配電網(wǎng)的總有功損耗為:
由式(7)可知,隨著DG接入容量的增大,配電網(wǎng)線路總有功損耗先減小后增加:當(dāng)DG接入容量較小時(shí),DG接入配電網(wǎng)有利于減小有功損耗;當(dāng)DG接入容量過(guò)大,DG接入配電網(wǎng)會(huì)增大配電網(wǎng)的有功損耗。
本文以一條實(shí)際配電線路仿真分析不同DG接入容量對(duì)配電網(wǎng)電壓、電流和網(wǎng)損等運(yùn)行參數(shù)的影響。該配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示,其主干線總長(zhǎng)度為10.5 km,配變總?cè)萘科骄萘繛?00 kVA,配變負(fù)載率為35%,負(fù)荷平均功率因數(shù)為0.85。
本文采用滲透率描述DG接入容量的大小,滲透率定義為:DG總裝機(jī)容量與配電線路最大負(fù)荷的百分比,具體如式(8)所示:
式(8)中:δ為配電線路滲透比,PDGi為第i個(gè)DG的裝機(jī)容量,PLm為配電線路最大負(fù)荷。
隨著接入DG滲透率的變化,配電網(wǎng)的電壓、線路電流和網(wǎng)絡(luò)損耗等指標(biāo)也呈現(xiàn)出特定的變化規(guī)律。本文利用在Matlab軟件調(diào)用Matpower工具箱進(jìn)行潮流計(jì)算,設(shè)置DG滲透率分別為0%、10%、40%、70%、100%和130%,研究不同DG滲透率對(duì)配電網(wǎng)電壓、線路電流和網(wǎng)絡(luò)損耗等指標(biāo)的影響。
圖2 典型10 kV配電線路結(jié)構(gòu)
當(dāng)DG在配電線路末端接入,DG滲透率為0%、10%、40%、70%、100%和130%不同情況下,配電線路主干沿線的電壓分布如圖3所示。
圖3 不同DG滲透率下配電網(wǎng)電壓分布情況
由圖3可見,無(wú)DG接入時(shí),配電線路沿線電壓從饋線首端往線路末端逐漸減低,線路末端電壓偏低,存在電壓越下限的風(fēng)險(xiǎn)。DG接入配電網(wǎng),對(duì)配電網(wǎng)電壓有抬升作用,DG滲透率越高,抬升效果越顯著。當(dāng)無(wú)DG接入時(shí)對(duì)應(yīng)線路沿線電壓最低,當(dāng)DG滲透率為130%時(shí)對(duì)應(yīng)線路沿線電壓最高。同時(shí),隨著DG滲透率的增大,從饋線首端到線路末端沿線電壓分布存在三種情況:
①沿線節(jié)點(diǎn)電壓逐漸降低;
②沿線節(jié)點(diǎn)電壓先下降后上升;
③沿線節(jié)點(diǎn)電壓逐漸上升。
因此,當(dāng)DG滲透率過(guò)大時(shí),線路電壓從饋線首端到線路末端逐步升高,饋線末端成為電壓最高點(diǎn),將最先面臨越上限的風(fēng)險(xiǎn)。
當(dāng)DG在配電線路末端接入,DG滲透率為0%、10%、40%、70%、100%和130%不同情況下,配電網(wǎng)最大的線路電流及其對(duì)應(yīng)的線路如表1所示。
表1 不同DG滲透率下配電網(wǎng)線最大路電流變化情況
由表1可見,當(dāng)無(wú)DG接入時(shí),配電網(wǎng)最大線路電流為244 A,對(duì)應(yīng)線路為L(zhǎng)1,這是因?yàn)榕潆娋W(wǎng)所需功率均由變電站提供,功率流動(dòng)方向從饋線首端向線路末端單向流動(dòng),即電流方向從饋線首端流向末端,此時(shí)最大線路電流位置位于饋線首端與第一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的線路L1;當(dāng)DG接入配電網(wǎng)后,DG滿足部分負(fù)荷所需的功率,饋線首端下送功率減小,此時(shí)線路的最大線路電流有所下降,最大電流對(duì)應(yīng)的線路仍為L(zhǎng)1;當(dāng)DG滲透率增大時(shí),DG所發(fā)功率除了平衡負(fù)荷所需功率外,還將向饋線首端倒送功率,由于DG主要發(fā)有功功率,有功電流從DG接入節(jié)點(diǎn)向饋線首端流動(dòng),此時(shí)最大線路電流對(duì)應(yīng)線路為DG節(jié)點(diǎn)與其相鄰上游節(jié)點(diǎn)之間的線路L31;隨著DG滲透率進(jìn)一步增大,最大線路電流大于無(wú)DG接入時(shí)的情況,甚至可能超過(guò)線路的最大載流量,配電網(wǎng)存在電流過(guò)載的風(fēng)險(xiǎn)。
當(dāng)DG在配電線路末端接入,DG滲透率為0%、10%、40%、70%、100%和130%不同情況下,配電網(wǎng)有功損耗變化情況如圖4所示。
圖4 不同DG滲透率下配電網(wǎng)網(wǎng)損變化情況
由圖4可見,隨著DG在配電線路中滲透率的提升,線路網(wǎng)損呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì),這是由于容量較小的DG接入配電網(wǎng),能滿足部分負(fù)荷所需的功率,線路流動(dòng)功率減小,因此有功損耗降低;隨著DG滲透率持續(xù)上升,DG將向饋線首端倒送功率,線路流動(dòng)功率增多,因而有功損耗逐漸上升。由圖4可知,配電線路存在最佳DG滲透率,在該滲透率下,配電網(wǎng)的有功損耗最低,節(jié)能降損效果最好。
通過(guò)上述分析可知,當(dāng)DG滲透率較小時(shí),DG接入可以改善配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況,體現(xiàn)為電壓升高、最大線路電流和有功損耗減小;當(dāng)DG滲透率較大時(shí),DG接入會(huì)惡化配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況,存在電壓越上限和電流過(guò)載的風(fēng)險(xiǎn),系統(tǒng)安全性面臨威脅,而且有功損耗增加,系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性變差。
隨著DG滲透率提高,配電網(wǎng)的運(yùn)行面臨安全風(fēng)險(xiǎn),運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性也將下降。這是限制配電網(wǎng)DG消納能力的主要因素。通過(guò)線路改造、安裝又在調(diào)壓變壓器和儲(chǔ)能裝置、對(duì)DG進(jìn)行主動(dòng)控制等措施,可有效提高配電網(wǎng)DG消納能力。
(1)線路改造
配電網(wǎng)一些老舊的配電線路,其導(dǎo)線截面積較小,電阻和電抗較大,載流能力較弱,極大地限制了DG的消納??梢酝ㄟ^(guò)改造部分線路,將鋼/鋁絞線等更換成電纜線路,加大導(dǎo)線截面積,提高線路的傳輸能力,降低功率倒送引起的電壓抬升,從而提高配電網(wǎng)DG消納能力。
(2)安裝有載調(diào)壓變壓器
過(guò)電壓?jiǎn)栴}是限制DG應(yīng)用的主要因素之一。通過(guò)合理的調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器的抽頭,控制其二次側(cè)電壓,可使配電網(wǎng)電壓保持在規(guī)定范圍內(nèi),從而解決DG接入容量過(guò)大引起的過(guò)電壓?jiǎn)栴},有效提高配電網(wǎng)DG消納能力。
(3)安裝儲(chǔ)能裝置
DG出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性,其接入給配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來(lái)嚴(yán)重的危害。儲(chǔ)能裝置可以通過(guò)充發(fā)電實(shí)現(xiàn)電能的跨時(shí)段轉(zhuǎn)移,進(jìn)行“削峰填谷”:在DG出力大、負(fù)荷小時(shí),進(jìn)行充電,降低配電網(wǎng)電壓和電流過(guò)載風(fēng)險(xiǎn);在DG出力小,負(fù)荷大時(shí),進(jìn)行放電,改善配電網(wǎng)的低電壓?jiǎn)栴}。
(4)對(duì)DG進(jìn)行主動(dòng)管理
部分DG具有無(wú)功輸出能力,通過(guò)對(duì)DG輸出無(wú)功功率的主動(dòng)控制,當(dāng)DG有功出力過(guò)大、負(fù)荷較小時(shí),控制DG吸收無(wú)功功率;當(dāng)DG有功輸出較小、負(fù)荷較大時(shí),控制DG發(fā)出無(wú)功功率。這樣,可協(xié)調(diào)控制配電網(wǎng)的電壓,使配電網(wǎng)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。此外,當(dāng)DG的無(wú)功輸出不足以解決其并網(wǎng)引起的過(guò)電壓時(shí),可通過(guò)主動(dòng)削減DG的有功出力,將電壓維持在安全范圍內(nèi)??梢?,通過(guò)對(duì)DG進(jìn)行無(wú)功輸出控制和有功削減等主動(dòng)管理措施,可以提高配電網(wǎng)DG消納能力。
(1)合理的DG滲透率對(duì)電壓有抬升作用,可以減小線路電流和網(wǎng)絡(luò)損耗,但過(guò)大的DG滲透率會(huì)引起電壓越限、電流過(guò)載和網(wǎng)損增加等問(wèn)題,這成為限制配電網(wǎng)DG消納能力的主要因素。
(2)結(jié)合DG滲透率對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的影響規(guī)律,提出了配電網(wǎng)DG消納能力提升措施,可以指導(dǎo)配電網(wǎng)更加合理地進(jìn)行DG規(guī)劃和管理。
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