高滲透率分布式電源接入對配網電壓的影響分析

王文彬，范瑞祥，曾 偉

（國網江西省電力科學研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

近年來，分布式電源在國內迅猛發展。分布式電源是指直接布置在配電網或分布在負荷附近的光伏發電設施，經濟、高效、可靠地發電。分布式電源接入配電網，對節點電壓、電能質量、保護、短路電流等都會產生很大影響，且影響程度與分布式電源的位置和容量密切相關。同時，分布式光伏發電的接入必然影響穩態電壓分布，進而影響到供給用戶的電能質量。

1 模型建立

配電網絡的拓撲結構類型較多，我國城鄉大多數配電系統仍以放射狀鏈式結構為主，以下將變電所以上的網絡全部等值為電壓源。饋線中不同位置分布有若干負荷，配電網中的負荷種類繁多，隨機性大，較難準確地對負荷加以表示。為便于研究，統一采用MATLAB軟件提供的負荷模塊來表示負荷；同時，假設負荷三相對稱；因電壓等級較低，配電線路長度較短，三相線路間的互感也不予考慮；所有線路阻抗均折合到系統電壓等級。

沿饋線將每一集中負荷視為一個節點并編號，從變電所的母線開始，依次編為1，2，…，N。每一小段線路的電阻和電抗分別為R，X，形成的配電網絡如圖1所示。

圖1 含DG的多節點鏈式配電網絡

2 仿真分析

2.1 不同地點接入分布式電源對于配網電壓的影響

在MATLAB仿真軟件simulink環境下建立圖1所示的一條10 kV規劃DG的配電線路模型如圖2所示，其中配電線路為架空線，各參數如下：r1=0.45 W/km，r0=0.74 W/km；L1=0.9337 mH/km，L0=4.1264 mH/km；C1=0.07074 m F/km，C0=0.0478 m F/km。負荷節點數為7，為便于研究，將1 MVA，功率因數為0.95的負荷均勻的分布在架空線路上，負荷間架空線的長度為1 km。主變壓器變比設為110/10.5 kV。

供電電壓偏差是電能質量的一項指標。合理確定該偏差對于電氣設備的制造和運行，對于電力系統的安全和經濟都有重要意義。對于一般的電工設備，電壓偏差超出其設計范圍時，直接影響是惡化運行性能，并會影響其使用壽命，甚至使設備在短時間內損害；間接影響是可能波及相應的產品生產質量和數量。因此，電壓允許偏差標準的確定是一個綜合的技術經濟問題。以下分析中令10 kV三相供電電網的電壓允許偏差為±5%，探討分布式電源的接入位置對配電線路電壓的影響。

圖2 10kV配電線路模型

圖3 含DG的仿真電路

分別對配電線路上沒有接入分布式電源和在不同的負荷點接入容量為3 MW，功率因數為1的分布式電源的情況做仿真。仿真電路如圖3所示。線路上各負荷點的電壓分布如圖4所示。

圖4 各負荷點接入3 MW的DG后電壓分布

保持分布式電源的總出力3 MW不變，分別在負荷點5、6、7和1、2、3接入1 MW的分布式電源。線路上各負荷點的電壓分布如圖5所示。

圖5 各負荷點分別接入1 MW的DG后電壓分布

從圖4可以看出，在10 kV的配電線路上均勻接入1MVA，功率因數為0.95的7組負荷后，配電線路上的電壓逐漸降低，并且在線路末端負荷點6、7處降到9.5kV以下超出了安全運行的電壓下限。當在各負荷點接入分布式電源后，配電線路上的電壓有明顯的改善。說明在配電網接入分布式電源可以明顯改善饋線的電壓分布。

同樣由圖5可知，總出力相同的分布式發電，分布在不同的位置，配電線路上的電壓分布有著較大的差異。越接近末節點，電壓變化率越大，受分布式發電注入功率的影響越大。相反，分布式發電越接近系統母線，對線路電壓分布的影響越小。如在負荷點1接入3MW的分布式電源后負荷點7的電壓仍然低于9.5kV。雖然在負荷點7接入3MW的分布式電源后配電線路上的電壓分布有了明顯的改善，但是負荷點的電壓變化過大。所以從減小電壓變化率的角度，分布式發電并不適宜在末節點接入系統，相反，可選擇在線路中間偏末端的位置或位置組合。

從圖5可以看出，將3組容量1 MW的分布式電壓接入3個負荷點對配電線路的電壓支撐效果優于將一個3 MW的分布式電源接入一個負荷點。說明總出力相同的分布式發電，分布在不同的位置組合，得到的電壓分布要優于把DG集中接入配電線路的情況。而且接入負荷點1、2、3后對配電線路電壓的支撐效果弱于接入負荷點5、6、7。從而可以說明，配電線路接入分布式電源時應當分散接入，并且將DG分布于線路中間偏末端的節點上。

2.2 分布式電源的出力對配電線路電壓的影響

在負荷點6依次接入2 MW，4 MW，5 MW的分布式電源，線路上各負荷點的電壓分布如圖6所示。

圖6 接入不同容量的DG配電線路電壓分布

觀察圖6可知，在相同的負荷點接入分布式電源，分布式發電的總容量越大，這些點的電壓越高。說明分布式電源對配電線路電壓的支撐與其容量有關。隨著DG容量增加這些點的電壓就會不斷增加，當DG為5 MW時，配電線路上某些點的電壓超過了10.5 kV。在分布式發電規劃時，如果DG的容量選擇不當分布式發電的電壓支撐會使得某些節點的電壓高于額定電壓或者高于送端系統母線電壓。當DG退出運行后線路上的電壓變化幅度也將過大。

2.3 分布式電源的功率因數對配電線路電壓的影響

根據圖6可知，在負荷點6接入5 MW分布式電源后饋線上某些點的電壓超出了10.5 kV。調解DG的功率因數為0.95，即DG發出4.75 MW的有功，并從系統吸收無功。仿真結果如圖7所示。

圖7 DG的功率因數對配電線路電壓分布的影響

根據以上討論，可以發現一定容量的DG接入配電網可以改變饋線上的電壓，但是具體效果與DG選址及容量有密切的關系。如果選擇不當，DG會使得饋線上某些點的電壓超出允許范圍。此外對于分布式電源端，由于國家政策規定和特定地理位置原因，一般安裝位置可以看成是固定的。在這種情況下，由于分布式發電的接入饋線上某些點的電壓超出規定范圍的可能性更大。調節DG的功率因數，使DG從配電網吸收一定的無功，可以改善DG的接入使得饋線上某些點電壓越限的問題。如圖7所示，在負荷點6接入5MW的DG后，饋線上的某些點電壓大于10.5 kV。將DG的功率因數由1調為0.95后，負荷點電壓全部降到了安全范圍之內，這說明通過調解DG的功率因數可以很好的解決配電線路電壓越限的問題。為了環保及資源利用率最大化，通過不同種類型的分布式電源的不同運作原理，通常讓DG發出的有功最大化，再配合靜止無功發生器SVG等無功補償裝置調節電壓，可以保證配電線路的電壓不會超出允許范圍。但增加無功補償裝置就意味著增加投資，這就需要綜合考慮投資和運行的經濟問題進行規劃。

結合以上仿真分析，針對DG對配電網穩態電壓分布的影響，得出以下結論：

1）一定容量的DG接入配電網將會改變饋線上的電壓分布，但是具體效果與DG的接入位置及容量有密切的關系。

2）當分布式發電相對網絡負荷較大時，饋線上某些點的電壓會超出規定范圍，可以通過調節DG的功率因數或利用無功補償裝置解決此類問題，但正常情況下，分布式發電應多發有功、少發無功，保持高功率因數運行。

3）相同容量的分布式發電，散布在饋線上比集中在同一個位置對電壓控制有利。

4）由于特定地理位置限制及其它一些原因，一般安裝位置相對確定，因此分布式發電的規劃內容主要集中在定容方面。

3 結束語

本文通過仿真，驗證了不同容量不同地點DG接入配電網對用戶端電壓的影響，并通過對比不同功率因素DG接入配電網中對配電網電壓分布的影響，得出可通過調節分布式電源的功率因素來調節配網線路電壓分布。為分布式電源參與電網調壓提供了一定參考依據，也為配網滾動規劃提供一個有益的參考。

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