含分布式電源的配電系統規劃研究

范艷霞

（山東電力工程咨詢院，山東 濟南 250013）

0 引言

目前，大電網與分布式發電（Distributed Generation，DG）相結合是 21世紀電力工業的發展方向。研究表明,到2010年分布式發電在新建機組的上網電量中將占到 20%［1］。DG得到廣泛應用的主要原因是其對系統的支撐作用,主要包括:DG在電壓支撐以及改善電能質量上的作用；機組更接近用戶,可避免或減少輸電和配電的費用；線路損耗將會減少；可節約常規發電機組使用的燃料,減少環境污染和替代部分常規發電機組容量,推遲輸配電基礎設施的擴建；能提高系統的可靠性等［2］。分布式電源的引入對用戶以及系統設備的潮流和電壓環境帶來的沖擊，對配電系統規劃的影響等已成為研究熱點［3］。

1 分布式發電對配電網規劃的影響

分布式發電（DG）是指直接布置在配電網或分布在負荷附近的發電設施，能經濟、高效、可靠地發電［4］。 分布式電源（DGS）包括功率較小內燃機、微型燃氣輪機、燃料電池、可再生能源如太陽能發電的光伏電池和風力發電等。DG是未來電力系統發展的重要方向，它的出現給傳統的配電網規劃帶來了實質性的挑戰，是配電網規劃研究的一個焦點。DG對配電網規劃的影響主要有三個方面［5］：

1）分布式電源的出現會使電力系統的負荷預測、規劃和運行與過去相比有更大的不確定性。大量的用戶從自身需求出發安裝DGS，使得配電網規劃人員更加難于準確預測負荷的增長情況，從而影響配電網規劃。同時，由于規劃問題的動態屬性同其維數密切相聯，若再出現許多發電機節點，使得在所有可能的網絡結構中尋找到最優的網絡布置方案更加困難。如果DGS的位置和規模不合適，可能會導致電能損耗的增加，導致網絡中某些節點電壓的下降或出現過電壓，還會改變故障電流的大小、持續時間及其方向。

2）在配電網安裝DGS的用戶或獨立發電公司與想維持系統現有的安全和質量水平不變的配電網公司之間存在一定的沖突。因為有大量DG接入配電系統并網運行，這將對配電網系統結構產生深刻影響，原有的單向電源饋電潮流特性發生變化，一系列包括電壓調整、無功平衡、繼電保護等在內的綜合性問題將影響系統的運行。為了維護電網的安全、穩定運行，必須使DG能夠接受調度，這不但需要改造現有的配電自動化系統，還要由被動到主動（電壓調整、保護政策、干擾和接口問題）地管理電網。

3）DG機組類型及所采用能源的多樣化，使得如何在配電網中確定合理的電源結構、如何協調和有效地利用各類型的電源成為迫切需要解決的問題。因此DG的廣泛應用，使得國家能源政策、能源規劃等直接滲透到與DG有關的電力系統規劃中，并影響規劃的決策過程。

2 含DG的配電系統規劃

2.1 DG在電力網絡中的布點規劃

在已有電網的基礎上進行DG的布點規劃，總體上包括兩步：第一步是根據自然資源的分布和國家的能源政策規劃DG的類型、數目和位置，即僅僅考慮環境上的限制；第二步結合DG接入的實際電網，在第一步的結論范圍內重新進行一種或幾種DG的最優數目和位置的規劃。具體的評估和規劃框架如圖1所示［6］。整個規劃過程主要由經濟分析、工程分析、財政分析三大塊組成，其中還涉及到政府或相應的管理部門以及電力公司的政策取向。

圖1 分布式發電的規劃流程

2.2 DG的配電網擴展規劃

考慮DG的配電網擴展規劃，應根據系統的負荷增長情況，在系統達到其容量限制時，根據經濟成本最小的目標，規劃出可以滿足負荷增長需要的系統最佳增容方案，即由電網升級、增建線路和變電所以及在適當的位置安裝DG所組成的最佳方案，圖2顯示了包含分布式電源的配電網擴展規劃的流程［7］，通過T&D邊際成本分析、高級執行過程分析、詳細工程分析及動態DG和安裝位置研究這4層篩選后，就可以提出相應的分布式發電方案以取代輸配電網的擴展計劃，否則仍需進行輸配電網的擴展。所有需要增加容量的地方經過以上的步驟后，將會得到一個由擴建電網和安裝分布式電源所組成的最佳配電網擴展方案。

圖2 含分布式電源的配電網擴展規劃的流程

3 分布式電源在電力系統中最佳位置的選擇

分布式電源在電力系統中合理配置，會大大增強系統的穩定性，減少功率損失，降低調峰成本，推遲或替代系統的升級，提高系統的完整性、可靠性和效率。

分布式電源通常被放置在靠近負荷中心的位置或者添加在配電級,最常用的確定分布式電源位置的方法是尋找一個位置使系統的功率損失最小；另外一種方法是在具有統一負荷特性的徑向饋線上應用 “2/3原則”，即將分布式電源放置在線路長度的2/3處，承擔大約2/3的負荷能力，這種方法簡單易用，但是不能直接應用到具有其它類型的負荷分布特性的饋線上，也不能應用到網狀系統上。本文提出在統一功率因數的電力系統中，分布式電源位置的確定方法,并用實例來檢驗。

為了簡化分析，不考慮分布式電源的容量的最優化配置問題及經濟性和地理因素。

3.1 分布式電源在徑向饋線上的最佳位置

為了方便分析，假設：線路沿線每單位長度的R和L的值都是相同的，饋線上的負荷分布在離散的時間段上變化，在某個固定的離散時間區間不變。如圖3所示。

圖3 徑向饋線系統的分布示意圖

3.1.1 理論推導

首先考慮不安裝分布式電源的徑向饋線。在Ti這個時間段上，線路上分布的電流Id（x，Ti）如圖3所示。在x點處的電dx流用式（1）表示：

假設線路每單位長度線路的阻抗Z=R+jX（Ω／km），那么在此處微增的功率損失和電壓降是：

那么在Ti這個時間段內，饋線上所有的功率損失為：

位置點x相對于線路末端的電壓降為：

在x處的電壓為：

而整條線路的電壓降為：

假設在饋線x0處配置一個分布式電源，如圖3所示。由于注入了電流源IDG（Ti），線路x=x0到x=1這段線路的電流將會改變。然而由于負荷電流密度改變而引起的饋線電流變化量相對于由于注入IDG（Ti）而導致的饋線電流改變量來說是比較小的。為了簡化分析，不考慮負荷電流密度的改變。這樣就得到引入分布式電源后的饋線電流分布，具體的表達式如式（7）：

饋線上相應的功率損失和電壓降為：

在一個時間周期T內平均的功率損失是：

3.1.2 徑向饋線上確定分布式電源的最佳位置

通過求解方程（11）得到的x0，就是理論上使功率損耗最小的分布式電源的最佳位置。

但理論上得到的位置 ，不可能保證饋線上的所有電壓都在事先規定的可接受范圍內。如果電壓分布特性不能滿足要求，那么在保證功率損耗盡可能小的情況下，在附近找到滿足電壓分布特性要求的位置來，或者通過增加分布式電源的容量來解決。

3.2 饋線上負荷分布特性不隨時間變化的案例分析

應用上面的分析步驟，來確定三種負荷分布特性的饋線上單個分布式電源的最佳配置點。第一種饋線的負荷分布為一致分布，其特點是整個饋線具有相同的負荷電流密度，即Id（x）=Ild常數。

第二種饋線的負荷分布為中心分布，其特點是饋線中點處的負荷電流密度最大，距離中心點位置越遠的地方負荷電流密度越小，其負荷電流密度表達式為：

第三種饋線負荷分布為漸增分布，其特點是距離電源越遠的地方負荷電流密度越大，其負荷電流密度的表達式為 Id（x）=Ild（l-x）。

通過應用上文提出的分析步驟，得到分布式電源DG在徑向饋線的位置x0、沒有加入分布式電源DG時的系統功率損耗和將分布式電源DG按照最佳位置放置后的系統的功率損耗。具體的比較見表1。

表1 三種負荷特性的DGS最佳位置

通過上表的比較可以看出，分布式電源在饋線系統中合理的放置，將會大大減少系統的功率損耗。

4 結論

含分布式發電的配電系統規劃流程及規劃內容的研究，提出了確定分布式電源在徑向饋線上的最佳配置位置的理論方法，并以不同分布特性的三種饋線負荷分布為例求得該最佳位置點，證明了分布式電源在饋線系統中合理的配置，將會大大減少系統的功率損耗。在一個網狀系統中分布式電源的最佳位置的確定是值得深入研究的課題。

［1］ 張芳,徐卓,徐荊州.分布式發電對配電網供電可靠性的影響［J］.江蘇電機工程,2008（1）：31～32.

［2］ 梁才浩,段獻忠.分布式發電及其對電力系統的影響［J］.電力系統及其自動化,2001,20(6):53-56.

［3］ 王志群,朱守真,周雙喜，等.分布式發電接入位置和注入容量限制的研究［J］.電力系統及其自動化學報,2005（2）：53～54.

［4］ 梁有偉，胡志堅，陳允平.分布式發電及其在電力系統中的應用研究綜述［J］.電網技術,2003，27（12）：71～72.

［5］ Celli G,Pilo.F.Optimal distributed generation allocation in MV distribution networks ［A］.In Power Industry Computer Applications,Innovative Computing for Power-Electric Energy Meets the Market ［C］.22nd IEEE Power Engineering Society International Conference,2001.81-86.

［6］ Ault G W,Mc Donald J R.Planning for Distributed Generation within Distribution Networks in Restructured Electricity Markets ［J］.Power Engineering Review IEEE,2000,20(2):52-54.

［7］ 王敏,丁明.含分布式電源的配電系統規劃［J］.電力系統及其自動化學報.2004，16（6）.