分布式電源并網對配電網的影響

雷敏，楊萬里，李丹，張駿杰

（1. 湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007；2. 株洲電力勘測設計科研有限責任公司，湖南株洲412000）

分布式電源并網對配電網的影響

雷敏1，楊萬里1，李丹1，張駿杰2

（1. 湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007；2. 株洲電力勘測設計科研有限責任公司，湖南株洲412000）

針對分布式電源并網問題，定量分析了分布式電源DG對配電網網損和電壓產生的影響。簡述了DG的類型和潮流計算模型，以及各種潮流計算模型的處理方法；應用PSASP軟件對IEEE 30節點系統進行潮流計算，定量分析DG的位置和容量對配電網網損和電壓產生的影響。仿真結果表明：分布式電源并網位置相同時，并網容量越大，對系統節點電壓和有功網損的影響越大；分布式電源并網容量相同時，并網位置越靠近系統末端，對系統電壓的提升作用越明顯，且對并網位置及其附近處的電壓支撐作用最強。

分布式電源；配電網；潮流計算

0 引言

隨著世界經濟的快速發展和人們生活水平的不斷提高，人類對能源的需求越來越大。傳統化石能源的不可再生性和日益嚴峻的環境問題，使人們開始把目光轉向新型清潔能源。將水能、風能、太陽能、生物質能等新型能源與分布式發電技術、電網技術相結合，產生了電力系統領域的一大研究熱點——分布式電源并網。隨著國家智能電網發展戰略的提出，分布式電源并網成為了智能電網的重要技術特征。分布式電源（distributed generation，DG）一般是接在用戶側附近的小型發電機組或發電及儲能的聯合系統，可以滿足某些用戶的特殊要求。隨著用戶對供電量和供電安全可靠性要求的提高，迫切需要改善配電網的供電質量。由于DG具有投資省、建設周期短、靈活性高等優點[1-3]，因此，受到廣泛關注。但是，DG并網改變了配電網網架結構，對原配電網的穩定性和安全性均產生了重大影響[4-6]，主要包括：配電網電壓波動、閃變，配電網網損增大，繼電保護動作可靠性低，配電網諧波增大等。

綜上所述，本文從配電網運行的經濟性和安全性角度考慮，定量分析分布式電源并網對配電網的影響，揭示分布式電源對配電網的電壓和有功網損的影響規律。這對分布式電源的應用具有重要的理論價值和現實意義。

1 分布式電源潮流計算模型

目前，分布式電源主要有：風力發電[7]、光伏發電[8]、燃料電池[9]、微型燃氣輪機[10]、生物質能發電、小水電等。由于用途不同，分布式電源的分類方法也不盡相同。根據并網類型，其可分為：直接并網型DG和間接并網型DG（通過逆變器并網的DG）。

不同類型的DG并網可能對配電網產生不同的影響，因此，在對含DG的配電網進行潮流計算時，需要建立合適的DG模型[11]。通常，DG并不參與系統頻率的調節，因此，本文將DG的有功功率P按恒定輸出來考慮。

1.1 風力發電

風力發電機組通常有2類：一類是異步雙饋發電機組；一類是永磁同步發電機組。異步雙饋發電機組使用較為廣泛，技術也較為成熟。由于其本身沒有勵磁裝置，并網后需要從電網或電容器中吸收無功功率來建立磁場，其吸收的無功功率Q隨機端電壓U的變化而變化，二者之間的關系式為

式中：xm為激磁電抗；為漏抗。

由式（1）可知，異步雙饋型風力發電機的有功功率為恒定，無功功率由機端電壓決定。因此，將其潮流模型處理為PQ(U)節點，即

式中：P(s)表示有功功率P是轉差率s的函數；f(U)表示無功功率Q是機端電壓U的函數。

在潮流計算時，可在下一次迭代計算之前，根據式（1）計算出無功功率Q。下一次迭代計算時可以認為無功功率Q恒定，再將PQ(U)節點轉化為PQ節點處理。

1.2 光伏發電

光伏電池是一種直接將太陽能轉化為直流電的裝置，其并網需要通過逆變器將直流電轉換為與電網同頻同相的交流電。光伏逆變器通常有電流控制型和電壓控制型2種。對于電流控制型逆變器，其注入電流和輸出有功功率恒定，此時，電網注入無功功率Q可由下式計算得到，

式中：I為電網的注入電流； e, f分別為DG并網電壓的實部和虛部。

在潮流計算中，將每次迭代得到的電壓實部和虛部代入式（3）中，得到其注入無功功率，進而可將其轉化為PQ節點進行處理。

電壓控制型逆變器的輸出有功功率和電壓均為恒定值，因此，可將其作為PV節點處理。當注入電流越界后，則可將其轉化為電流控制型來處理。

1.3 燃料電池

與光伏電池類似，燃料電池也是一種輸出直流電能裝置，其并網發電是經過逆變器將直流電轉化為交流電。燃料電池的輸出有功功率P和無功功率Q可表示為：

式中：UFC為燃料電池輸出的直流電壓；Us為并網母線電壓；XT為變壓器的等效阻抗；m,為參數。

從式（4）可知，可將燃料電池的潮流計算模型處理為PV節點；如果并網的無功功率越限，則將其處理為PQ節點。

1.4 微型燃氣輪機

與普通同步發電機的工作原理類似，微型燃氣輪機也有調速和勵磁系統，其產生的高頻交流電需先經過整流器，再經逆變器，轉換成工頻交流電后，才能實現并網。其輸出的有功功率可以根據負荷水平由調速系統進行控制，其輸出電壓由勵磁系統和電力電子裝置進行控制。因此，其潮流計算模型可以處理為PV節點；如果在潮流計算中出現無功功率越限，則可將其處理為PQ節點。

2 潮流算法

與傳統電力系統的潮流計算方法不同，含DG的配電網不僅包含傳統集中式電源，還可能同時包含不同類型的DG。DG的潮流計算模型與傳統發電機組的計算模型也不完全相同。由于DG的特殊性，有時會基于不同方面的要求對DG的節點類型進行統籌考慮。根據電力系統狀態變量的不同，可將算法分為：節點法和支路法，如Newton法、Newton-Raphson法、P-Q分解法等均屬于典型的節點法，前推回代法[12]、回路阻抗法等則屬于支路法。

DG并網后，可能會出現多電源環網或多類型DG并存等傳統配電網潮流算法較難處理的問題，因此，需要對傳統的配電網潮流算法進行改進。Newton-Raphson法具有二階收斂性，在收斂速度和迭代次數方面具有較大優勢，且具有編程簡單、多電源處理能力強等優點。綜上所述，本文采用Newton-Raphson法進行潮流計算。算法模型如下：

式（5）～（7）中：ΔP, ΔQ為潮流方程的殘差；Δ,ΔU為母線電壓的修正量；Gij, Bij分別為節點i與節點j之間支路電導和支路電納；Vi, Vj分別為節點i與節點j的電壓幅值；ij為節點i與節點j的電壓相角差；J為雅可比矩陣；為電壓相角；U為電壓幅值。

3 算例分析

為定量分析DG并網對配電網的網損和電壓的影響及其規律，本文以PSASP 6.26為仿真平臺，對IEEE 30節點系統進行仿真分析。在IEEE 30節點系統中，基準容量取100MVA，計算精度為=10-4。圖1為IEEE 30節點系統結構[13]。

圖1 IEEE 30節點系統Fig.1IEEE 30 node system

3.1 DG并網對配電網網損影響

本文以PQ型DG為例，對IEEE30節點系統進行仿真，分別分析并網DG的容量和位置對配電網網損的影響，以下是具體的分析過程。

1）DG容量對配電網網損的影響

本文將DG容量按IEEE30節點系統總負荷（總負荷為2.834+j1.262，采用標幺值表示）的0.4, 0.8, 1.0, 1.2, 2.0, 2.4進行配置，再分別將其并入節點6, 9, 22, 25, 28進行仿真。不同容量DG并網的網損仿真結果如表1所示。

表1 不同容量DG并網的網損Table1The power loss for different capacity DG

由表1可知：當并網位置相同時，0.4倍DG容量并網的網損最小；隨著DG容量的增加，系統網損隨之增大。由此可知，并網DG容量與系統負荷的相對值對系統網損的變化有重要影響。

2）DG位置對配電網網損的影響

本文將DG容量按總負荷的0.4, 0.8, 1.0, 1.2, 2.0, 2.4的比例進行配置之后，分別將其并入節點6, 9, 22, 25,28進行仿真。DG在不同位置并網的網損仿真結果如表2所示。從表2可以看出：并網DG容量相同時，在節點6處系統網損最小，而隨著并網節點號的增大（即并網位置越靠近系統末端），系統網損呈現出先增大后減小的變化趨勢；與無DG并網相比，當并網容量為0.4倍總負荷時，DG在節點6, 9, 22, 28處并網均能有效降損，當并網容量超過04.倍總負荷時，并網網損雖然都增大了，但網損增加的幅度依然受并網位置的影響。由此可知，DG并網位置對系統網損有較大影響，而能否有效降損不僅與并網位置有關，還與并網容量有較大關系。

表2 DG在不同位置并網的網損Table2The power loss of DG at different grid-connected position

3.2 DG并網對配電網電壓影響

本文以PQ型DG為例對IEEE 30節點系統進行仿真實驗，從DG容量和位置2個方面分析DG并網對配電網電壓的影響。

1）DG容量對配電網電壓的影響

定量分析了DG容量對配電網電壓的影響，分析方法與上節方法類似。將DG容量按總負荷的0.4, 0.8, 1.0, 1.2, 2.0的比例進行配置，然后分別將其并入節點6, 9, 22, 25, 28進行仿真。不同容量DG并網的電壓仿真結果如表3所示。從表3可以看出，在DG并網位置相同時，并網容量越大，對系統電壓的提升作用越明顯，對系統電壓的支撐能力越強。

表3 不同容量DG并網的電壓Table3The voltage of different capacity DG gird-connected

2）DG位置對配電網電壓的影響

本文將DG容量按總負荷的0.4, 0.8, 1.0, 1.2, 2.0, 2.4的比例進行配置之后，分別將其并入節點6, 9, 22, 25, 27, 28進行仿真，仿真結果如圖2所示。

圖2 并網DG容量與節點電壓的關系曲線Fig.2The relative curve of node voltage and grid-connected DG capacity

從圖2可以看出：當DG并網容量相同時，DG的并網位置越靠近系統末端，對系統電壓的提升作用越明顯，而且越靠近DG并網位置的節點，其電壓提升越明顯，且對并網點本身的電壓提升最大。

4 結論

本文通過定量分析DG并網的容量和位置對配網網損和電壓產生的影響，得出如下結論：

1）不同容量DG接入配電網的相同位置時，容量較大的DG并網對系統節點電壓和有功網損的影響較大。

2）相同容量DG接入配電網的不同位置時，DG的并網位置越靠近系統末端，對系統電壓的提升作用越明顯，而且越靠近DG并網位置的節點，其電壓提升越明顯，且對并網點本身的電壓提升最大。

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（責任編輯：鄧彬）

Effect of Distributed Generation Grid-Connection on Distribution System

Lei Min1，Yang Wanli1， Li Dan1，Zhang Junjie2
（1. School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. Zhuzhou Electric Power Survey and Design Research Co. , Ltd. ，Zhuzhou Hunan 412000，China）

In view of distributed generation grid-connected problems, analyzed the impact of distributed generation on active power loss and voltage. Described DG type and power flow calculation model and introduced the methods about various flow calculation models. Calculated power flow in IEEE 30 node system by PSASP software and analyzed the impact of DG position and capacity on active power loss and voltage. The simulated results showed that when the distributed generation in the same position interconnected, the larger capacity of distributed generation has a relative larger influence on active power loss and the node voltage; when the distributed generation in the same capacity interconnected, the gridconnected position is closer to the end of the system, the system voltage promoting is more obvious and the enhancing for voltage is highest in the gird-connected position and its vicinity.

distribution generation；distribution network；power flow calculation

TM74

A

1673-9833(2014)05-0068-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.05.014

2014-07-02

雷敏（1973-），女，湖南株洲人，湖南工業大學副教授，碩士生導師，博士，主要從事復雜網絡理論及其在電網穩定性分析中的應用等方面的研究，E-mail：13607331653@163.com