2023分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的影響

分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的影響引言近年來，全球范圍內(nèi)的環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重，而節(jié)能減排和低碳環(huán)保的呼聲也越發(fā)高漲。隨著火力發(fā)電資源與環(huán)境成本的不斷提高，以及電力用戶對(duì)供電可靠性要求的不斷提高，傳統(tǒng)的集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電的電力系統(tǒng)供電模式的不足也日益呈現(xiàn)。在這種大背景下，分布式發(fā)電(DistributedGeneration,DG)逐漸發(fā)展起來。分布式發(fā)電技術(shù)作為傳統(tǒng)大電網(wǎng)的重要補(bǔ)充，對(duì)于提高供電可靠性、運(yùn)行靈活性，對(duì)于降低投資成本、減少環(huán)境污染十分有利，分布式電源的大規(guī)模接入將成為未來配電網(wǎng)發(fā)展的新趨勢(shì)。隨著分布式電源在配電網(wǎng)滲透率的不斷提高，分布式電源接入配電網(wǎng)所帶來的問題也越發(fā)凸顯，為此學(xué)者們做了大量研究。文獻(xiàn)[1]提出了含分布式電源的三角形負(fù)荷分布模型，通過與均勻負(fù)荷模型和嚴(yán)DG出力和接入位置對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響。文獻(xiàn)[2]DG相對(duì)容量和安裝位置對(duì)于配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響。文獻(xiàn)[3]建立了電壓變化率指標(biāo)，可用于定量描述分布式發(fā)電對(duì)配電系統(tǒng)電壓分布的影響，并得出了諸多重要結(jié)論。文獻(xiàn)[4]IEEE33DG相對(duì)容DG的配電網(wǎng)中調(diào)壓和無功優(yōu)化的重要性。文獻(xiàn)[5]DGDG的實(shí)際配電網(wǎng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)潮流電壓和暫態(tài)穩(wěn)定性的分析，并提出了相應(yīng)的提高穩(wěn)定性的控制策略。DG接入對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電壓和網(wǎng)損兩個(gè)參數(shù)的影響。首先將介紹分布式發(fā)電技術(shù)及其對(duì)配電網(wǎng)的影響，接著闡述含分布式電源配電網(wǎng)的潮流計(jì)算的基本原理，最后通過IEEE33matlabDGDG接入對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電壓和網(wǎng)損的影響，給出有益的建議。分布式發(fā)電及其對(duì)配電網(wǎng)的影響分析分布式發(fā)電技術(shù)分布式發(fā)電[6][7]，通常是指布置在配電網(wǎng)或電力用戶附近，對(duì)已有配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到支持作用或能夠滿足用戶的某些特殊需求的分散式發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)電功率在幾千瓦到幾十兆瓦之間。分布式發(fā)電的主要特點(diǎn)是規(guī)模較小、裝設(shè)位置靠近負(fù)荷、環(huán)境友好、運(yùn)行方式靈活等。分布式發(fā)電能提高負(fù)荷的供電質(zhì)量和供電可靠性，減少環(huán)境污染，它既可直接為負(fù)荷供電，也可以并網(wǎng)運(yùn)行。分布式發(fā)電技術(shù)與集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電、大電網(wǎng)互聯(lián)的傳統(tǒng)發(fā)供電形式有明顯區(qū)別。常見的分布式電源有小水電、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、太陽(yáng)能光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能設(shè)備等等。分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)的影響隨著電力市場(chǎng)的進(jìn)一步開放與分布式發(fā)電技術(shù)不斷進(jìn)步、成本不斷降低，大量的分布式電源被接入配電網(wǎng)。DG的接入使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行發(fā)生了很大的變化[2][7][8]。配電網(wǎng)接入DG后，可以從一定程度上消除網(wǎng)絡(luò)的過負(fù)荷和阻塞，增加配電網(wǎng)的輸電裕度，具有低電壓穿越能力的DG還能在系統(tǒng)故障時(shí)繼續(xù)為重要負(fù)荷供電，緩解系統(tǒng)電壓的跌落，提高系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)能力，這些都有利提高系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，DG的存在會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生一系列影響：DG向電網(wǎng)注入功率會(huì)縮小繼電器的保護(hù)范圍；DG持續(xù)提供短路電流可能造成電弧重燃，導(dǎo)致重合閘不成功；DG的存在可能引起保護(hù)的拒動(dòng)和誤動(dòng)作等。這可能降低系統(tǒng)的可靠性和安全性，因此分布式發(fā)電必須與配電網(wǎng)原有的大量繼電保護(hù)裝置相適應(yīng)。DG的配電網(wǎng)由單電源供電系統(tǒng)，變成了多電源供電系統(tǒng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的潮流流動(dòng)將發(fā)生很大變DG容量、接入位置和功DG容量、接入位置和功率因數(shù)對(duì)于配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電壓和網(wǎng)損的影響是本文工作的重點(diǎn)，為此引入系統(tǒng)平均電壓偏差和系統(tǒng)總網(wǎng)損兩個(gè)指標(biāo)。系統(tǒng)平均電壓偏差的計(jì)算方法為：NN iVi1 N

(1)VNiMMossoss.j1

(2)MjjDGDG的并網(wǎng)是通過由電力電子器件組成的逆變系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，電力電子器件具有非線性特性，這會(huì)對(duì)配電網(wǎng)造成一定的諧波污染。DGDG的控制和管理、提高配電網(wǎng)對(duì)新能源的消納能力、更DG的有益作用，已經(jīng)成為配電網(wǎng)研究的熱點(diǎn)。近年來，有專家學(xué)者提出了有源配電網(wǎng)或主動(dòng)配電網(wǎng)(activedistributionnetwork,AND)的概念[9[10]DG的配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)?？蒁G對(duì)于配電網(wǎng)的影響是十分重要而有意義的。含分布式電源配電網(wǎng)的潮流計(jì)算對(duì)于配電網(wǎng)絡(luò)，前推回代法是潮流計(jì)算中廣泛使用的一種方法。傳統(tǒng)前推回代法的基本思想是：假設(shè)各節(jié)點(diǎn)電壓為額定電壓，從末端向首端、前推求出配電網(wǎng)各支路電流；再依據(jù)各支路電流，從首端向末端、回代求出各節(jié)點(diǎn)電壓；接著反復(fù)進(jìn)行前推、回代計(jì)算，做多次迭代，直至滿足一定的收斂條件。含有DG的有源配電網(wǎng)的潮流計(jì)算較傳統(tǒng)配電網(wǎng)更為復(fù)雜，表現(xiàn)為DG的接入使得潮流方向不再固DGPQ節(jié)點(diǎn)[11]進(jìn)行詳細(xì)的模型處理是前推回代法求解有源配電網(wǎng)潮流的關(guān)鍵所在[12]1DG對(duì)應(yīng)的常用節(jié)點(diǎn)類型。PQDG的處理方法PQ型DG輸出的有功和無功功率為恒定值。只需當(dāng)作負(fù)的負(fù)荷處理即可。此時(shí)等效節(jié)點(diǎn)為：DDGQQ Q

(3)LD LD DG其中：D和QD和Q為原節(jié)點(diǎn)的有功和無功負(fù)荷值；G和QLD LD為DG的有功和無功出力。PQ(V)DG的處理方法PQ(V)DGDGPQDG的處理方法相同。處理方法為：QDGQVDD

(4)QQ Q

(5)LD LD DG其中：V為節(jié)點(diǎn)電壓；函數(shù)QV由具體的DG類型決定。PIDG的處理方法PI型DG輸出的有功功率和電流為恒定值。類似的，在迭代得到節(jié)點(diǎn)電壓V后，通過算式修正DGV2IDG DGV2IDG DG2P2QDG

(6)DDGQQ Q

(7)LD LD DGTable1.NodetypecorrespondingtovarioustypesofDGTable1.NodetypecorrespondingtovarioustypesofDG表1.各類型DG對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)類型DG類型 節(jié)點(diǎn)類型風(fēng)機(jī) PQ、PQ(V)光伏 PQ、PV、PI燃料電池 PV、PI微型燃輪機(jī) PQ、PV、PQ(V)其中：IDG為DG恒定的輸出電流。PVDG的處理方法PVDG輸出的有功功率和電壓為恒定值。傳統(tǒng)的前推回代法無法保持節(jié)點(diǎn)電壓為定值，因此對(duì)PVDGDGVVVQX1VQK1QK

(8)(9)(10)DGVQDGXPVDG抗矩陣，其具體形成方法可參見文獻(xiàn)[12]QKkDGPQDG的處理方法相同：DDGQQ Q

(11)LD LD DG計(jì)算流程以上述各類型DG的處理方法為基礎(chǔ)，應(yīng)用前推回代法來求解有源配電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)潮流，其流程圖如圖1所示，具體的計(jì)算步驟如下：設(shè)置系統(tǒng)支路阻抗、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷等原始參數(shù)。DGPQDGPQPQ(V)DG的PQPIDGP、IQPVDGP、VQ初值，生成X。DG的總注入電流。前推計(jì)算各支路電流?；卮?jì)算各節(jié)點(diǎn)電壓。i PV型DGUki

UkUk

為收斂條件；i i PQ(V)DGPIDGPVDGQPVDGQ值是否越限，若越上(下)Q值等于上(下)PVDGPQDG3)。DGPQ類型，應(yīng)用前推回代法對(duì)含分布式電源的配電網(wǎng)算例進(jìn)行潮流計(jì)算，求出穩(wěn)態(tài)DG接入對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的影響。算例與分析IEEE332[13]DGDGmatlab2014a為編程DG的接入對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓和網(wǎng)損影響的研究。DG容量對(duì)配電網(wǎng)電壓和網(wǎng)損的影響DG1DG0.9滯后，初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始化DG參數(shù)是初始化DG參數(shù)是否PV型DG的無功是否越限是否滿足收斂條件否修正各類型DG的無功Q是回代計(jì)算各節(jié)點(diǎn)電壓前推計(jì)算各支路電流PV型DG轉(zhuǎn)化為PQ型DG計(jì)算各節(jié)點(diǎn)注入電流Figure1.Figure1.PowerflowcalculationflowchartofdistributionnetworkwithDG圖1.含分布式電源配電網(wǎng)的潮流計(jì)算流程圖算法結(jié)束得出潮流解01 2算法結(jié)束得出潮流解01 2345678910111213141516172223242526272829303132Figure2.Figure2.IEEE33nodesdistributionsystem圖2.IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)改變DG的有功出力如表2所示，其中滲透率為DG容量占總有功負(fù)荷的百分比。由3(a)DGDG時(shí)，饋線后DGDG又作DG容量的增大而增大，且DG接入節(jié)點(diǎn)(12)DG容量過大(75%100%滲透率)DG3(b)DGDG50%左右時(shí)，系統(tǒng)平均電壓偏差值最小、電壓質(zhì)量最優(yōu)。由圖4(a)仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)容量適宜時(shí)，接入DG能夠減小前部饋線的傳輸功率，抬高電壓水Table2.Table2.ThechangeofDGcapacity表2.DG容量的變化編號(hào)1234DG容量/kW928.751857.502786.253715.00DG滲透率/%2550751001.15電壓標(biāo)幺值1.1電壓標(biāo)幺值1.0510.95

節(jié)點(diǎn)電壓

無DG25%50%75%100%

0.06系統(tǒng)平均電壓偏差0.04系統(tǒng)平均電壓偏差0.02

系統(tǒng)平均電壓偏差0.90

10 20 30 節(jié)點(diǎn)編號(hào)

0 0%25%50%75%100%DG 滲透率Figure3.SystemvoltagelevelcorrespondingtodifferentDGcapacity圖3.不同DG容量對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)電壓水平(a)電分布 (b)Figure3.SystemvoltagelevelcorrespondingtodifferentDGcapacity圖3.不同DG容量對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)電壓水平0.01網(wǎng)損標(biāo)幺值0.008網(wǎng)損標(biāo)幺值0.0060.0040.002

系統(tǒng)總網(wǎng)損支路網(wǎng)損無DG25%50%支路網(wǎng)損無DG25%50%75%100%系統(tǒng)總網(wǎng)損標(biāo)幺值0.030.020.0100 10 20 30 0支路編號(hào)

0 0%25%50%75%100%DG 滲透率Figure4.SystemlosseslevelcorrespondingtodifferentDGcapacity圖4.不同DG容量對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)網(wǎng)損水平(a)網(wǎng)分布Figure4.SystemlosseslevelcorrespondingtodifferentDGcapacity圖4.不同DG容量對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)網(wǎng)損水平DG的容量過大(75%、100%)DG接入節(jié)點(diǎn)的鄰近前支路發(fā)生潮流反向逆流，增加這些支路的線路傳輸功率，使得網(wǎng)損變大。從降低網(wǎng)損的角度看，DG的容量也不宜選的過大。從4(b)DG25%~50%時(shí)，DG的接入對(duì)于降低系統(tǒng)的DG容量將增大系統(tǒng)的網(wǎng)損。DG位置對(duì)配電網(wǎng)電壓和網(wǎng)損的影響DG14860.9DG的接入位置如3所示，DG的接入位置選擇了具有代表性的主饋線前部、中部、中后部和末端。由5(a)接入節(jié)點(diǎn)越靠近母線，DG的接入對(duì)抬高系統(tǒng)電壓的作用越不明顯；反之，DG接入節(jié)點(diǎn)越靠5(b)DG有利于降低系統(tǒng)的電壓DG裝設(shè)在饋線的中后部，對(duì)于抬高系統(tǒng)電壓、降低系統(tǒng)電壓偏差的效果是最佳的。由圖6(a)分析可知，DG的接入位置不同，網(wǎng)損也會(huì)產(chǎn)生某些變化。大體來說，DG的接入能夠使得配電網(wǎng)前部的網(wǎng)損降低，這是由于DG能夠就地供給負(fù)荷電能，減少了前部線路傳輸?shù)墓β?，因而可以起到降低前部饋線網(wǎng)損的作用。但是當(dāng)DG接在饋線末端時(shí)，由于饋線末端潮流反向逆流，末端線路傳輸?shù)墓β试龃?，將造成這些支路網(wǎng)損增大，這是不利的。綜合圖6(b)，DG接入在饋線的中部、中后部，最有利于降低系統(tǒng)的網(wǎng)損。DG功率因數(shù)對(duì)配電網(wǎng)電壓和網(wǎng)損的影響DG40%1486kW12DG運(yùn)行的功率因數(shù)如4所示。圖7(a)的仿真結(jié)果表明，DG運(yùn)行在不同的功率因數(shù)，將對(duì)系統(tǒng)電壓產(chǎn)生不同影響。滯后的功率因數(shù)Table3.Table3.ThechangeofDGaccesslocation表3.DG接入位置的變化編號(hào)1234DG接入節(jié)點(diǎn)271217電分布 (b)統(tǒng)平電壓差Figure5.Figure5.SystemvoltagelevelcorrespondingtodifferentDGlocation圖5.不同DG位置對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)電壓水平網(wǎng)分布 (b)統(tǒng)總Figure6.Figure6.SystemlosseslevelcorrespondingtodifferentDGlocation圖6.不同DG位置對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)網(wǎng)損水平DG向系統(tǒng)吸收DG以滯后功率因數(shù)接入系統(tǒng)DG1DG對(duì)系統(tǒng)電壓支持作用的效果介于超前和滯后DGDGDG出力不DG應(yīng)該多發(fā)有功，少發(fā)無功，盡量維持在高的滯后功率因數(shù)運(yùn)行。7(b)DG運(yùn)行在高滯后功1的降低電壓偏差效果顯然不如滯后。由8(a)DG將會(huì)從系統(tǒng)中吸收無功，增加線路中傳輸?shù)臒o功，使網(wǎng)損增大，功率因Table4.Table4.ThechangeofDGpowerfactor表4.DG功率因數(shù)的變化編號(hào)12345