邢曉敏，張 萌，商國敬，劉曼曼

(1．東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012;2．大唐東北電力試驗(yàn)研究所有限公司，吉林長春010020;3．國家電網(wǎng)吉林供電公司，吉林吉林132300)

隨著全球能源危機(jī)的日益加劇和人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，清潔和可再生能源備受青睞，新能源發(fā)電的相關(guān)問題也隨之成為電力領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)者們的研究熱點(diǎn)［1～4］．就配電網(wǎng)而言，由于分布式發(fā)電(Distributed Generation，DG)的并入，使其處于一個(gè)從傳統(tǒng)的放射性無源網(wǎng)絡(luò)向含源電力網(wǎng)過渡的時(shí)代［5～8］．當(dāng)然，這種變化也同時(shí)對配電網(wǎng)產(chǎn)生了全方位的影響，其中包括分布式發(fā)電并網(wǎng)時(shí)對配電網(wǎng)擾動導(dǎo)致電能質(zhì)量受到影響的問題［9～12］．

文獻(xiàn)［13］應(yīng)用多個(gè)算例驗(yàn)證了單個(gè)分布式電源在不同接入位置和接入容量的情況下對電壓分布影響極大．文獻(xiàn)［14］提出利用靈敏度分析方法研究DG不同出力對系統(tǒng)電壓造成的影響．本文從分布式電源接入個(gè)數(shù)、接入位置和容量等方面研究DG并網(wǎng)后對電壓分布的影響規(guī)律．在大量仿真算例與數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一套切實(shí)可行的分布式電源并網(wǎng)方案．

1 系統(tǒng)模型

配電網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)，為方便對配電網(wǎng)的研究，利用配電網(wǎng)的等效模型對DG接入配電網(wǎng)的影響進(jìn)行研究分析．圖1是簡單配電網(wǎng)的等效結(jié)構(gòu)圖．PDG+QDG代表分布式電源接入配電網(wǎng)．其中PDG、QDG分別代表分布式電源的有功功率和無功功率．

圖1 配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

國際上典型的饋線輻射狀配電網(wǎng)模型IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)，額定電壓為12．66 kV，圖2為IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)圖，節(jié)點(diǎn)和支路分布如圖所示．仿真中，系統(tǒng)電源采用電壓源模型，頻率為50 Hz．負(fù)荷和線路模型采用仿真軟件中自帶的模塊，由于不考慮分布式電源接入配電網(wǎng)時(shí)的暫態(tài)過程和動態(tài)電壓調(diào)整問題，搭建分布式電源模型時(shí)以受控電流源為基礎(chǔ)．為了使分布式電源的投入/退出時(shí)對配電網(wǎng)的影響程度盡量降低，所有分布式電源都應(yīng)維持在高功率因數(shù)下運(yùn)行，因此功率因數(shù)取0．9．

圖2 IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)圖

2 DG接入配電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型

2.1 無DG接入時(shí)電壓降

配電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，假設(shè)相鄰節(jié)點(diǎn)間的阻抗大小均為R+jX，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷大小為Pi+jQi，線路存在一定的電壓降落，系統(tǒng)未接入DG的情況下，配電線路中任意節(jié)點(diǎn)m與系統(tǒng)電源的電壓降表示為

其中:ΔUsm+為m點(diǎn)之前的等效負(fù)載與系統(tǒng)電源的電壓降;ΔUsm－為m點(diǎn)之后的等效負(fù)載與系統(tǒng)電源的電壓降．

公式(4)計(jì)算出的電壓降為DG未接入饋線時(shí)，在僅有系統(tǒng)電源作用下，配電網(wǎng)中m節(jié)點(diǎn)處與系統(tǒng)電源間的電壓降落．

2.2 DG單獨(dú)作用下的電壓降

當(dāng)考慮只有DG單獨(dú)作用于配電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，需先將配電網(wǎng)系統(tǒng)電源置零．由于線路中的阻抗遠(yuǎn)小于負(fù)荷，因此在考慮DG對電壓降的影響時(shí)，只需考慮DG接入點(diǎn)k之前的線路，對于k點(diǎn)之后的線路，DG的接入對電壓可能有提升的作用，對電壓降落的影響不大．節(jié)點(diǎn)k到系統(tǒng)電源的電壓降為:

2.3 DG與系統(tǒng)電源作用下的電壓降

利用疊加原理，將公式(4)與公式(5)、公式(6)分別進(jìn)行疊加計(jì)算，得到在系統(tǒng)電源和DG的共同作用下m點(diǎn)到系統(tǒng)電源的電壓降，如公式(7)、公式(8)所示:

因此，如果已知線路首端電壓為U0，則該線路上m點(diǎn)的電壓可表示為

由上式結(jié)論可知，DG的容量、接入位置及接入數(shù)量都會影響到饋線上的電壓分布．

2.4 網(wǎng)損最小時(shí)的DG接入位置和容量分析

只要有功率流過，線路因?yàn)橛须娮璧拇嬖?，就會存在損耗，首先研究有功率流過時(shí)的情況．以圖1為例，計(jì)算m點(diǎn)(m點(diǎn)為饋線上任意一點(diǎn))的負(fù)荷功率時(shí)，應(yīng)分成0～k，k～N兩段進(jìn)行分析計(jì)算．m點(diǎn)的有功功率用Pm表示，計(jì)算結(jié)果見公式(11)，公式(12):

計(jì)算饋線上總的有功損耗:

解得:

據(jù)公式(15)的結(jié)果可知，當(dāng)單個(gè)分布式電源接入配電網(wǎng)時(shí)，若DG注入電網(wǎng)容量為配電系統(tǒng)負(fù)荷有功功率總量的2/3，并在距離電源點(diǎn)2/3節(jié)點(diǎn)處接入時(shí)，會使網(wǎng)損最?。?/p>

3 算例仿真

為驗(yàn)證DG的容量、接入個(gè)數(shù)和接入位置對饋線電壓分布的影響，利用MATLAB中提供的電力系統(tǒng)模塊在Simulink環(huán)境下搭建IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析．

3.1 單個(gè)DG接入位置對電壓分布的影響

基于以上采用的配電網(wǎng)模型，首先計(jì)算無DG接入時(shí)，配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的電壓分布情況，然后計(jì)算在單條饋線上接入單個(gè)DG后對電壓分布的影響．DG參數(shù)設(shè)定:DG容量為500 kW，接入點(diǎn)設(shè)定為節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)12、節(jié)點(diǎn)17．電壓分布數(shù)據(jù)如表1所示．

表1 單個(gè)DG接入時(shí)電壓分布數(shù)據(jù)(單位V)

通過仿真發(fā)現(xiàn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入對線路電壓有一定的提升作用，接入位置越靠近饋線首端時(shí)，對電壓的提升作用越小;接入位置越靠近末端，對電壓提升作用越大，但可能會超過電壓額定限值;數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了DG在距離首端2/3位置時(shí)，效果較為理想．

3.2 多個(gè)DG接入對電壓分布的影響

以兩個(gè)相同DG接入為例，研究多個(gè)DG接入對饋線電壓分布的影響．保持DG的狀態(tài)固定，只改變其位置的情況下研究對配電網(wǎng)電壓分布的影響．DG參數(shù)設(shè)定:DG容量為500 kW．具體設(shè)計(jì)方案如表2所示．

仿真結(jié)果如表3所示，對比表中數(shù)據(jù)可知，多個(gè)DG同時(shí)并網(wǎng)后確實(shí)較大程度上改變了原有的電壓分布，未接入任何DG的數(shù)據(jù)起參考作用，由數(shù)據(jù)可知，DG接入后都對電壓起到了一定的提升作用，而且多個(gè)DG接入越靠近末端提升電壓效果越明顯．仿真顯示靠近線路末端時(shí)電壓被抬升過高，如果發(fā)生DG脫離饋線，會使得電壓的變化幅度很大．

表2 多個(gè)DG接入的設(shè)計(jì)方案

表3 多個(gè)DG接入時(shí)電壓分布數(shù)據(jù)(V)

3.3 DG容量的變化對電壓分布的影響

由于分布式發(fā)電系統(tǒng)的效率受自然環(huán)境變化的影響，因此DG的容量會隨環(huán)境的變化而改變．以兩個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)系統(tǒng)為例，研究DG的容量對電壓分布的影響．選用中間位置8和9兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為DG的接入點(diǎn)．DG的容量參數(shù)如表4所示．

仿真結(jié)果如表5所示．對比上表數(shù)據(jù)可知，分布式發(fā)電系統(tǒng)容量的變化會改變配電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓分布．隨著容量的增加，對電壓抬升效果越明顯，而且，當(dāng)接入容量相同時(shí)，位置變化不大電壓基本保持不變．

表4 DG不同容量接入的設(shè)計(jì)方案(kW)

表5 DG不同容量接入時(shí)電壓分布數(shù)據(jù)(V)

4 結(jié) 論

采用IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)配電網(wǎng)模型評估分布式發(fā)電系統(tǒng)對配電網(wǎng)電壓分布的影響，并通過仿真建模分析仿真數(shù)據(jù)，通過對比分析分布式發(fā)電系統(tǒng)接入對配電網(wǎng)的影響，結(jié)論如下:

(1)分布式發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)就會對配電網(wǎng)電壓有一定的抬升作用，而且越靠近末端對配電網(wǎng)電壓的抬升效果越明顯;

(2)多個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)接入時(shí)也符合單個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)律．如果考慮網(wǎng)損的情況下，假設(shè)負(fù)荷基本保持不變的前提下，距離電源點(diǎn)2/3處效果最理想;

(3)分布式發(fā)電系統(tǒng)在一定的接入容量范圍內(nèi)，隨著容量的增加對配電網(wǎng)電壓的提升越明顯．

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