分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的影響研究

劉磊

摘 要：隨著分布式發(fā)電（DG）的興起和普及，對(duì)常規(guī)配電網(wǎng)規(guī)劃提出了新的挑戰(zhàn)。文章分析了DG接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響和對(duì)常規(guī)配網(wǎng)規(guī)劃的影響，介紹了常用含DG配電網(wǎng)規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)和求解方法。

關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電；配電網(wǎng)；規(guī)劃

中圖分類(lèi)號(hào)：TM715 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）20-0018-02

隨著常規(guī)能源的日漸衰竭和環(huán)境污染的日益加重，分布式發(fā)電（DG，distributed generation）作為一種新的發(fā)電方式受到了越來(lái)越多的重視和研究。DG一般是指為滿足某些終端用戶的需求，接在用戶側(cè)附近的小型模塊式的獨(dú)立電源，它們的規(guī)模一般都不大，大約在幾十千瓦至幾十兆瓦。

DG按能源能否再生一般可分為可再生能源的分布式電源和不可再生能源的分布式電源，具體包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃料電池、生物質(zhì)發(fā)電等。按容量大小分可分為小型分布式發(fā)電（小于100 kW）、中型分布式發(fā)電（100 kW-1 MW）和大型分布式發(fā)電（大于1 MW）。

DG具有集中發(fā)電所不具備的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)環(huán)境污染小；可以減少網(wǎng)損，節(jié)能降損；使得電網(wǎng)具有靈活調(diào)節(jié)負(fù)荷的能力，可提高供電可靠性；由于DG一般設(shè)有就地電壓調(diào)整裝置，可提高系統(tǒng)的電壓質(zhì)量；投退靈活，具有一定的調(diào)峰能力。

1 分布式電源并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響

DG接入之后與接入前的配電網(wǎng)相比，在繼電保護(hù)、電壓質(zhì)量、電網(wǎng)諧波等各方面都產(chǎn)生了一定程度的影響。

1.1 對(duì)繼電保護(hù)的影響

DG并網(wǎng)改變了配網(wǎng)的潮流分布，線路從原先的單一電源變成多電源結(jié)構(gòu)，從而改變了故障情況下短路電流的方向和大小，進(jìn)而影響了線路繼電保護(hù)的保護(hù)范圍和動(dòng)作配合。研究表明，當(dāng)DG接入點(diǎn)在時(shí)故障點(diǎn)上游時(shí)，會(huì)導(dǎo)致本線路保護(hù)的靈敏度降低甚至發(fā)生拒動(dòng)；當(dāng)DG接入點(diǎn)所在線路的相鄰線路發(fā)生故障時(shí)，有可能導(dǎo)致本線路保護(hù)誤動(dòng)。因此，在考慮DG對(duì)繼電保護(hù)影響的時(shí)候，往往需要對(duì)接入配網(wǎng)的DG容量進(jìn)行限制或者對(duì)原先保護(hù)加裝方向性元件。

1.2 對(duì)電壓質(zhì)量的影響

DG并網(wǎng)改變了原先配網(wǎng)的潮流分布，從而影響了各節(jié)點(diǎn)的電壓分布，其影響程度與電源接入點(diǎn)和接入容量有關(guān)。仿真研究表明，在不改變DG接入位置的情況下，DG總出力越大，對(duì)系統(tǒng)電壓的支撐能力就越強(qiáng)；總出力相同的DG，分散接入在不同節(jié)點(diǎn)對(duì)電壓的支撐能力要高于全部接入在某個(gè)節(jié)點(diǎn)；在DG出力不變的情況下，接入點(diǎn)越靠近變電站母線，對(duì)系統(tǒng)電壓分布的影響越小。

1.3 對(duì)系統(tǒng)諧波的影響

DG并網(wǎng)后，將對(duì)線路上的諧波電壓和諧波電流的分布產(chǎn)生影響。仿真研究表明，在不改變DG接入位置的情況下，DG總出力越大，則線路沿線各節(jié)點(diǎn)電壓諧波總畸變率越大；在不改變DG總出力的情況下，接入點(diǎn)越靠近變電站母線，對(duì)系統(tǒng)諧波分布的影響就越小。

1.4 對(duì)可靠性的影響

由于DG的接入多以自發(fā)自用為目的，如接入點(diǎn)線路為重過(guò)載線路，則可在一定程度上減少線路從變電站汲取的電流，提高配網(wǎng)的送電裕度。再者，在合理接入的情況下，DG還可以改善配網(wǎng)電源水平。具有低電壓穿越能力的DG還可以在系統(tǒng)故障的時(shí)候提供有功和無(wú)功支撐，起到緩解電壓驟降的作用。相反，如果DG不具備低電壓穿越特性，則在系統(tǒng)側(cè)故障的情況下，DG有可能脫網(wǎng)，因此加劇了系統(tǒng)的電壓跌落水平。此外，DG不合理的安裝地點(diǎn)、容量和連接方式都可能降低配電網(wǎng)的可靠性。

1.5 對(duì)網(wǎng)損的影響

如前所述，DG的接入改變了原先配網(wǎng)的潮流分布和電壓水平，因此也影響了整個(gè)配網(wǎng)的網(wǎng)損。網(wǎng)損的改變與DG接入的位置和容量有關(guān)，也與配網(wǎng)本身的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)，在DG接入合理的情況下可以減少配網(wǎng)的網(wǎng)損。

2 分布式電源對(duì)配網(wǎng)規(guī)劃的影響

DG的出現(xiàn)和并網(wǎng)給傳統(tǒng)配網(wǎng)規(guī)劃帶來(lái)了挑戰(zhàn)，其影響主要有以下幾個(gè)方面。

2.1 增加了負(fù)荷預(yù)測(cè)的難度

負(fù)荷預(yù)測(cè)是配網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)，DG接入配網(wǎng)后，給負(fù)荷預(yù)測(cè)帶來(lái)了很大的不確定性因素。一般來(lái)說(shuō)，DG接入是以用戶自發(fā)自用為目的的，對(duì)于配網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，DG接入相當(dāng)于減少了負(fù)荷的增長(zhǎng)，并且導(dǎo)致了負(fù)荷增長(zhǎng)模式發(fā)生了變化，難以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)規(guī)劃期間負(fù)荷的增長(zhǎng)速度，因此難以準(zhǔn)確判斷電網(wǎng)改建或擴(kuò)建的程度和時(shí)間等。因此，如何確定用戶側(cè)DG的接入對(duì)網(wǎng)側(cè)負(fù)荷增長(zhǎng)模式的影響是配網(wǎng)規(guī)劃需解決的一個(gè)基本問(wèn)題。

2.2 增加問(wèn)題求解難度

規(guī)劃問(wèn)題的求解在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題的尋優(yōu)過(guò)程。在數(shù)學(xué)上來(lái)說(shuō)，規(guī)劃問(wèn)題的求解難度和復(fù)雜程度與其維數(shù)相關(guān)。考慮分布式電源后，相當(dāng)于增加了許多發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，無(wú)異于增加了問(wèn)題求解的難度，使得在滿足所有約束條件下的最優(yōu)方案的尋找更加困難。

2.3 降低配電設(shè)備設(shè)施利用率

分布式電源的接入可以在某個(gè)程度上延緩甚至避免配網(wǎng)投資。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，一般是在自發(fā)自用的分布式電源出力不夠的情況下，才從系統(tǒng)購(gòu)電，也就是說(shuō)如果分布式電源接入點(diǎn)所在區(qū)域本來(lái)供電容量就較為充裕，那分布式電源的接入則有可能導(dǎo)致原有設(shè)備處于低載甚至是閑置的狀態(tài)，降低了配電設(shè)施的利用率，降低了供電企業(yè)的資金回收率。

3 含分布式電源的配電網(wǎng)規(guī)劃

配電網(wǎng)規(guī)劃的主要內(nèi)容是根據(jù)規(guī)劃期間（如5～20 a）內(nèi)的負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果和現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定最優(yōu)的系統(tǒng)建設(shè)和改造方案，在滿足負(fù)荷增長(zhǎng)和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，使配電網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用降到最低。配電網(wǎng)規(guī)劃在數(shù)學(xué)上是一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題的求解過(guò)程，含分布式電源的配電網(wǎng)規(guī)劃在常規(guī)配網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)上需記及分布式電源接入的位置和容量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響。常用的目標(biāo)函數(shù)包括投資成本最小化、網(wǎng)損最小化和電壓穩(wěn)定度最大化等。

3.1 以投資成本最小化為目標(biāo)函數(shù)

其中，PGi為i節(jié)點(diǎn)上配網(wǎng)現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)有功出力，PDi為i節(jié)點(diǎn)上新接入的分布式電源有功出力，PLi為線路i的有功負(fù)荷，同理，QGi、QDi、QLi則分別為節(jié)點(diǎn)i上配網(wǎng)現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)無(wú)功出力，新接入的分布式電源的無(wú)功出力和線路i上的無(wú)功功率負(fù)荷。Ui和Uj分別為支路ij首末端的電壓幅值。Gij為支路ij的電導(dǎo)值，Bij為支路ij的電納值，？啄ij為支路首段節(jié)點(diǎn)i和末端節(jié)點(diǎn)j的電壓相角差。

不等式約束包括電壓幅值限制、支路最大功率限制、DG出力限制和旋轉(zhuǎn)備用容量約束：

含DG的配網(wǎng)規(guī)劃本質(zhì)上是一個(gè)多目標(biāo)大規(guī)模的優(yōu)化問(wèn)題，因此，數(shù)學(xué)上的優(yōu)化算法廣泛的應(yīng)用于含DG的規(guī)劃上，包括以線性規(guī)劃方法、分支定界法等為代表的經(jīng)典優(yōu)化算法和以遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法為代表的啟發(fā)式優(yōu)化算法。一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)典優(yōu)化算法收斂的精度要高于啟發(fā)式算法，但經(jīng)典優(yōu)化算法求解過(guò)程復(fù)雜且依賴于所建立模型的準(zhǔn)確性，而啟發(fā)式算法計(jì)算速度較快，且精度也有一定的保證，因此，工程上多采用啟發(fā)式算法進(jìn)行規(guī)劃問(wèn)題的求解。

如前文所述，含DG的配網(wǎng)規(guī)劃可以根據(jù)不同的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，而實(shí)際上各個(gè)目標(biāo)之間的優(yōu)化可能會(huì)存在著相互制約的情況，因此，近年來(lái)多目標(biāo)優(yōu)化也開(kāi)始應(yīng)用于含DG的配網(wǎng)規(guī)劃中，并取得了較好的效果。多目標(biāo)優(yōu)化算法與傳統(tǒng)的單目標(biāo)優(yōu)化算法的區(qū)別在于多目標(biāo)優(yōu)化不需要衡量各個(gè)目標(biāo)之間的權(quán)重關(guān)系，可在全局中搜索到最優(yōu)解集合，而決策者可以根據(jù)最優(yōu)解集中的解來(lái)選擇個(gè)人認(rèn)為最優(yōu)的解。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了DG接入對(duì)系統(tǒng)和對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的影響，介紹了常用的含DG配網(wǎng)規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)。由于DG目前尚未全面普及，而DG的配網(wǎng)規(guī)劃的研究還只是在起步階段，目前含DG的配電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型還比較單一，無(wú)法全部分析DG對(duì)配網(wǎng)各方面的影響，也較少考慮DG出力隨機(jī)性的因素。但是，面對(duì)全球常規(guī)能源緊缺的現(xiàn)狀，考慮到技術(shù)的進(jìn)步，配電網(wǎng)中引入DG還是具有非常重要的意義。

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