分布式發電及其對配電網網損的影響分析

劉 琳，陶 順，肖湘寧，李英毓

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京102206)

1 引言

傳統的集中供電因其高效、低損耗且易于管理等諸多優點得到了普遍的推廣。然而，大電網不能靈活跟蹤負荷的變化，使得設備利用率低。不僅如此，在大型互聯電力系統中，局部故障極易擴散，往往導致大面積的停電，對整個電網帶來不利影響。因此，國外的專家學者提出了分布式發電(Distributed Generation，DG)與配電網聯合運行的方式，從而提高了電力系統運行的靈活性、可靠性和安全性［1-3］。這種方式已經成為配電系統的發展方向之一。

本文將在一個簡化的配電網模型上重點分析DG引入后影響配電網網損的因素，為降低網損提供一定的理論依據。

2 模型的建立

為方便建立模型，本文首先做出以下假設:①配網輸電線路不長(L≤20km)，輸電線路均勻，單位長度電阻值恒定;②輸電線路各處電壓相等且在引入DG前后，輸電線路電壓基本不變;③負荷以Y型接入系統且三相負荷平衡;④除分布式電源外，DG接入前后兩模型在變壓器型號、線路參數、負荷大小等方面完全相同。

配電網模型如圖1和圖2所示，圖1為未接入DG的模型，圖2為接入DG后的配電網模型。

圖1 未接入DG的配電網Fig.1 Distribution network without DG

圖2 接入DG的配電網Fig.2 Distribution network with DG

圖中電網側電壓等級為UN1，線路電壓等級為UN2，變壓器額定電壓比為UN1/UN2。由圖可知，網絡的損耗是變壓器和線路的有功損耗之和。

未引入DG時，模型1的總損耗為線路有功損耗Tline1與變壓器損耗Ttrans1之和為［4］

其中，r為輸電線路單位電阻值;PL為負荷消耗的有功功率;QL為負荷消耗的無功功率;為線路相電壓相量，以電壓相量為參考量，=U∠0°;為流入負荷的電流相量，電流相位即為負荷的負荷角，=IG∠φL。

引入DG后，網絡損耗的變化量可以體現在三部分:①電源和DG間的線路損耗T11;②DG和負荷間的線路損耗T12;③變壓器的損耗 Ttrans2。因此，接入DG后系統的總損耗為

接入DG前后網損的變化量為

若ΔT＞0，則說明引入分布式電源后可以減少網損，否則說明分布式電源使系統網損增加。設網損變化率(Hrate)為

為了方便分析，假定負荷從系統中吸收有功和無功功率，則負荷的無功功率可以表示為

DG發出無功功率時為滯后功率因數方式運行，吸收無功功率時為超前功率因數運行，此時DG的無功功率有兩種表示形式。

其中，DG在滯后功率因數下運行時取正號，DG在超前功率因數下運行時取負號。

分別將式(5)和(6)代入式(4)，可以得到整理后的網損變化率。

設X=PDG/PL為DG輸出功率相對負荷的大小。若X≤1，表示 DG發出功率全部被負荷吸收;反之，若X＞1，表示DG發出功率部分被負荷吸收，剩下的則上網供電。

由式(7)可以看出，在選定的配電饋線上，系統網損的變化情況與變壓器電阻(RT)、變壓器運行臺數(K)、DG的運行方式(cosφDG)、DG的接入位置(M)以及 DG輸出功率相對負荷的大小(X)有關。現對這五個因素進行計算分析。

3 計算分析

本節計算中選用的導線型號為LJ-35，其單位電阻值為 0.91Ω/km，L=20km，cosφL=0.8，UN1=35kV，UN2=10kV。

3.1 DG接入對變壓器運行臺數及網損的影響

變壓器的臺數一般根據負荷等級、用電容量和經濟運行等條件綜合考慮確定。為了使變壓器能夠在經濟方式下運行，需要根據負荷的大小來決定投入變壓器的臺數和容量，從而減小功率損耗。所謂變壓器的經濟運行，就是要確定對應于某一負荷，投入幾組變壓器，可使總的有功功率損耗最小。投切變壓器的負荷功率值稱為Scr。

其中，Sn為變壓器的額定容量;P0為變壓器的空載損耗;Pk為變壓器的短路損耗。

當負荷功率SL＞Scr，系統宜投入K臺變壓器運行。當負荷功率SL＜Scr時，系統宜投入K－1臺變壓器運行。DG的接入分擔了系統的一部分負荷，這就可能減小流經變壓器的負荷，從而影響變壓器臺數的選擇。

假設負荷功率 SL=250kVA，DG容量 SDG=200kVA。一般情況下，變電所有兩臺主變壓器，可選K=2。選擇了4種不同容量的變壓器，并計算出對應的Scr和電阻值。

顯然，未接入DG時流經變壓器的負荷功率SL=250kVA＞Scr，此時系統宜投入2臺變壓器運行;接入DG后，流經變壓器的負荷功率SL－SDG=250－200=50＜Scr(單位:kVA)。此時系統僅投入1臺變壓器運行即可。因此，在適當的條件下，根據DG的并網容量和運行輸出功率，有必要經濟調度變壓器臺數的運行，減小系統的網損。

3.2 變壓器電阻對網損的影響

同樣，規劃DG的接入會導致流經變壓器的功率發生變化，從電網經濟運行的角度來說，也可能影響到變壓器容量的選擇或調整。在額定電壓一定的條件下，變壓器電阻與其額定容量的平方成反比。由式(7)可以看出，變壓器電阻大小與DG接入前后的網損變化率有關。也就是說，接入DG后會影響變壓器容量的選擇，進而影響到系統網損。

由表1可以看出，變壓器容量越大，對應的電阻值越小。假設此時負荷功率SL=400kVA，DG容量SDG=200kVA。顯然，未接入DG時流經變壓器的負荷功率SL=400kVA，此時系統需要投入2臺容量大于315 kVA的變壓器運行;接入DG后，流經變壓器的負荷功率 SL－SDG=200kVA，系統僅投入2臺容量為200 kVA的變壓器運行即可。因此，對于不同的DG的并網容量和運行輸出功率，適宜選擇不同容量的變壓器，進而可以降低系統的網損。

表1 不同變壓器對應的Scr及電阻值Tab.1 Scrand resistance of different transformers

3.3 DG接入位置對網損的影響

由式(7)可知，DG的接入位置對配電網網損有較大的影響，文獻［6］也對此進行了討論。本文選取11個不同的DG接入位置，繪制出了網損變化率在不同的DG功率因數以及DG容量下的變化情況，如圖3所示。

從圖3可以看出，如果DG向系統發出無功功率，當DG容量較小時，網損變化率為正值，說明DG并網能夠減小系統網損，且DG接入位置越靠近負荷側，網損減少的越多;而DG容量較大時，網損變化率為負，說明DG并網增大了系統的網損，且DG接入位置越靠近負荷側，網損增加的越多。

如果DG只發出有功功率，網損變化率較發出無功功率時幅度減小，但網損變化趨勢仍與DG發出無功時相似。如果DG從系統中吸收無功功率，當DG容量很小時，系統網損變化率為正值，但減小網損不明顯;當DG容量不僅向負荷供電，同時上網供電時，DG并網會增加系統的損耗，且DG接入位置越靠近負荷側，網損增加越多。

圖3 DG接入位置對網損的影響Fig.3 Influence on losses by DG's location

3.4 DG容量對網損的影響

DG容量對配電網網損也有很明顯的影響［7］。本文分別選取5種不同的DG容量，繪制出了網損變化率在不同的DG功率因數以及接入位置下的變化情況，如圖4所示。

圖4 DG容量對網損的影響Fig.4 Influence on losses by DG's capacity

從圖4可以看出，如果DG向系統發出無功功率，當DG容量小于負荷2倍時，網損變化率大于0，即DG并網能夠減小網損。此時，DG越靠近負荷側，對減少網損越有利。當DG容量增大到2倍負荷時，DG除了向負荷供電外，還向系統提供相同的有功，系統的網損變化率為0，即DG接入前后系統網損不變。這是因為此時流經線路和變壓器的潮流與未接入DG時完全相同，只是潮流相反。一旦DG容量大于2倍負荷，DG的接入就會使網損增加，在這種情況下，DG的接入位置越接近上一級電網側，對減小網損越有利。

同理可知，DG只發出有功功率或從系統中吸收無功功率，DG并網后對系統減少網損是不利的。

3.5 DG運行方式對網損的影響

DG運行方式對配電網也有較大的影響。從圖3或圖4可以看出，在其他條件一定的情況下，DG向系統發出無功功率越多，網損減少的越多。這是因為當DG向系統發出無功功率時，有助于補償負荷的無功功率，從而減少因無功電流在輸電線路和變壓器上的傳輸而形成的有功損耗。因此，DG要盡量在滯后功率因數下運行。

4 結論

本文通過建立引入DG前后配電網的簡化模型，推導出網損變化的表達式，經過具體數值的理論計算與分析，研究了各種不同情況下分布式電源的接入對系統網絡損耗的影響，得出影響系統網損的五個因素。主要結論如下:

(1)在適當的條件下，有必要根據DG的并網容量，經濟調度變壓器的運行臺數，從而減小系統網損。

(2)DG要盡量在滯后功率因數下運行，如若不能，則應加入相應的無功補償裝置。

(3)DG容量小于2倍線路負荷時，應將DG配置在饋線靠近負荷的位置，且盡量選擇與負荷容量相適應的變壓器。

(4)DG容量大于2倍線路負荷時，應將DG配置在靠近上一級電網的位置，且盡量選擇與DG容量相匹配的變壓器。

［1］陳琳 (Chen Lin).分布式發電接入電力系統若干問題的研究 (Research on power system with penetration of distributed generators)［D］.浙江:浙江大學 (Zhejiang:Zhejiang Universtiy)，2007.

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