分布式電源滲透率對(duì)10 kV配電網(wǎng)運(yùn)行的影響研究*

王漢華，陳小明

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，廣東韶關(guān) 512028）

0 引言

當(dāng)前，全球化石能源日趨枯竭，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，推進(jìn)風(fēng)電、光伏等可再生能源的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。隨著電力政策的放開，分布式電源(Distributed Generation，DG)以其投資成本低、發(fā)電方式靈活、綠色清潔等特點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[1-2]。

DG的應(yīng)用主要以接入配電網(wǎng)運(yùn)行為主，這樣既便于可再生能源的就地利用，又可以減少傳輸電能的損耗和延緩配電網(wǎng)的升級(jí)改造。DG的接入使單電源放射型的傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)，變成多電源分散分布的有源網(wǎng)絡(luò)，使得配電網(wǎng)的潮流分布更加復(fù)雜多變，對(duì)配電網(wǎng)電壓質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)損耗和繼電保護(hù)等造成影響[3-4]。隨著DG接入容量的增大，配電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)和可靠性受到了威脅[5-7]。文獻(xiàn)[8]在Digsilent平臺(tái)上仿真分析了分布式風(fēng)電和分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響；文獻(xiàn)[9]研究了分布式光伏接入后配電網(wǎng)網(wǎng)損的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[10]基于威布爾—馬爾科夫模型進(jìn)行了分布式電源多運(yùn)行狀態(tài)的配電網(wǎng)可靠性分析。DG配電網(wǎng)的影響與其接入容量密切相關(guān)，文獻(xiàn)[11]以滲透率描述DG接入容量與系統(tǒng)負(fù)荷的關(guān)系，并研究DG滲透率對(duì)電壓的影響。上述研究往往通過仿真分析得到DG對(duì)配電網(wǎng)的影響規(guī)律，鮮有從機(jī)理上分析DG對(duì)配電網(wǎng)的影響。

因此，本文引入DG滲透率的概念，從機(jī)理上分析DG接入對(duì)配電網(wǎng)、電流和網(wǎng)絡(luò)損耗的影響，并以典型10 kV配電線路進(jìn)行仿真，研究DG滲透率對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的影響規(guī)律，最后提出提升配電網(wǎng)DG消納能力的措施。

1 DG接入對(duì)配電網(wǎng)影響機(jī)理分析

如圖1所示，為DG接入10 kV配電網(wǎng)的簡(jiǎn)化示意圖，其中，配電線路共有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)i上的負(fù)荷為PLi+jQLi,；線路Li上的阻抗為Ri+jXi；饋線首端為該網(wǎng)絡(luò)的平衡節(jié)點(diǎn)，電壓幅值為V0，節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值為Vi；DG接入節(jié)點(diǎn)為p，其輸出功率為PDG+jQDG。下面將從機(jī)理上分析DG接入對(duì)配電網(wǎng)電壓、電流和網(wǎng)損的影響。

圖1 DG接入配電網(wǎng)的簡(jiǎn)化示意圖

1.1 對(duì)電壓的影響

配電網(wǎng)兩節(jié)點(diǎn)間電壓相角相差很小，因此忽略電壓降落橫分量，第m-1個(gè)和第m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓降落縱分量為：

由式（3）可知，DG接入后對(duì)配電網(wǎng)電壓有抬升作用，DG接入容量越大，配電網(wǎng)電壓抬升效果越明顯。

1.2 對(duì)電流的影響

DG接入前線路Lm的電流為：

DG接入后線路Lm的電流為：

由式（5）可知，DG接入配電網(wǎng)后，對(duì)于DG接入節(jié)點(diǎn)后的線路電流沒有影響；對(duì)于DG接入節(jié)點(diǎn)前的線路，隨著DG接入容量的增大，線路電流逐漸減小，當(dāng)DG接入容量足夠大，線路電流出現(xiàn)反向，并可能超過線路最大載流量。

1.3 對(duì)網(wǎng)損的影響

DG接入前，配電網(wǎng)的總有功損耗為：

由式（7）可知，隨著DG接入容量的增大，配電網(wǎng)線路總有功損耗先減小后增加：當(dāng)DG接入容量較小時(shí)，DG接入配電網(wǎng)有利于減小有功損耗；當(dāng)DG接入容量過大，DG接入配電網(wǎng)會(huì)增大配電網(wǎng)的有功損耗。

2 DG滲透率對(duì)配電網(wǎng)影響仿真分析

本文以一條實(shí)際配電線路仿真分析不同DG接入容量對(duì)配電網(wǎng)電壓、電流和網(wǎng)損等運(yùn)行參數(shù)的影響。該配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其主干線總長(zhǎng)度為10.5 km，配變總?cè)萘科骄萘繛?00 kVA，配變負(fù)載率為35%，負(fù)荷平均功率因數(shù)為0.85。

本文采用滲透率描述DG接入容量的大小，滲透率定義為：DG總裝機(jī)容量與配電線路最大負(fù)荷的百分比，具體如式(8)所示：

式（8）中：δ為配電線路滲透比，PDGi為第i個(gè)DG的裝機(jī)容量，PLm為配電線路最大負(fù)荷。

隨著接入DG滲透率的變化，配電網(wǎng)的電壓、線路電流和網(wǎng)絡(luò)損耗等指標(biāo)也呈現(xiàn)出特定的變化規(guī)律。本文利用在Matlab軟件調(diào)用Matpower工具箱進(jìn)行潮流計(jì)算，設(shè)置DG滲透率分別為0%、10%、40%、70%、100%和130%，研究不同DG滲透率對(duì)配電網(wǎng)電壓、線路電流和網(wǎng)絡(luò)損耗等指標(biāo)的影響。

圖2 典型10 kV配電線路結(jié)構(gòu)

2.1 不同DG滲透率對(duì)電壓的影響

當(dāng)DG在配電線路末端接入，DG滲透率為0%、10%、40%、70%、100%和130%不同情況下，配電線路主干沿線的電壓分布如圖3所示。

圖3 不同DG滲透率下配電網(wǎng)電壓分布情況

由圖3可見，無DG接入時(shí)，配電線路沿線電壓從饋線首端往線路末端逐漸減低，線路末端電壓偏低，存在電壓越下限的風(fēng)險(xiǎn)。DG接入配電網(wǎng)，對(duì)配電網(wǎng)電壓有抬升作用，DG滲透率越高，抬升效果越顯著。當(dāng)無DG接入時(shí)對(duì)應(yīng)線路沿線電壓最低，當(dāng)DG滲透率為130%時(shí)對(duì)應(yīng)線路沿線電壓最高。同時(shí)，隨著DG滲透率的增大，從饋線首端到線路末端沿線電壓分布存在三種情況：

①沿線節(jié)點(diǎn)電壓逐漸降低；

②沿線節(jié)點(diǎn)電壓先下降后上升；

③沿線節(jié)點(diǎn)電壓逐漸上升。

因此，當(dāng)DG滲透率過大時(shí)，線路電壓從饋線首端到線路末端逐步升高，饋線末端成為電壓最高點(diǎn)，將最先面臨越上限的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 不同DG滲透率對(duì)線路電流的影響

當(dāng)DG在配電線路末端接入，DG滲透率為0%、10%、40%、70%、100%和130%不同情況下，配電網(wǎng)最大的線路電流及其對(duì)應(yīng)的線路如表1所示。

表1 不同DG滲透率下配電網(wǎng)線最大路電流變化情況

由表1可見，當(dāng)無DG接入時(shí)，配電網(wǎng)最大線路電流為244 A，對(duì)應(yīng)線路為L(zhǎng)1，這是因?yàn)榕潆娋W(wǎng)所需功率均由變電站提供，功率流動(dòng)方向從饋線首端向線路末端單向流動(dòng)，即電流方向從饋線首端流向末端，此時(shí)最大線路電流位置位于饋線首端與第一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的線路L1；當(dāng)DG接入配電網(wǎng)后，DG滿足部分負(fù)荷所需的功率，饋線首端下送功率減小，此時(shí)線路的最大線路電流有所下降，最大電流對(duì)應(yīng)的線路仍為L(zhǎng)1；當(dāng)DG滲透率增大時(shí)，DG所發(fā)功率除了平衡負(fù)荷所需功率外，還將向饋線首端倒送功率，由于DG主要發(fā)有功功率，有功電流從DG接入節(jié)點(diǎn)向饋線首端流動(dòng)，此時(shí)最大線路電流對(duì)應(yīng)線路為DG節(jié)點(diǎn)與其相鄰上游節(jié)點(diǎn)之間的線路L31；隨著DG滲透率進(jìn)一步增大，最大線路電流大于無DG接入時(shí)的情況，甚至可能超過線路的最大載流量，配電網(wǎng)存在電流過載的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 不同DG滲透率對(duì)有功損耗的影響

當(dāng)DG在配電線路末端接入，DG滲透率為0%、10%、40%、70%、100%和130%不同情況下，配電網(wǎng)有功損耗變化情況如圖4所示。

圖4 不同DG滲透率下配電網(wǎng)網(wǎng)損變化情況

由圖4可見，隨著DG在配電線路中滲透率的提升，線路網(wǎng)損呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，這是由于容量較小的DG接入配電網(wǎng)，能滿足部分負(fù)荷所需的功率，線路流動(dòng)功率減小，因此有功損耗降低；隨著DG滲透率持續(xù)上升，DG將向饋線首端倒送功率，線路流動(dòng)功率增多，因而有功損耗逐漸上升。由圖4可知，配電線路存在最佳DG滲透率，在該滲透率下，配電網(wǎng)的有功損耗最低，節(jié)能降損效果最好。

通過上述分析可知，當(dāng)DG滲透率較小時(shí)，DG接入可以改善配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，體現(xiàn)為電壓升高、最大線路電流和有功損耗減小；當(dāng)DG滲透率較大時(shí)，DG接入會(huì)惡化配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，存在電壓越上限和電流過載的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)安全性面臨威脅，而且有功損耗增加，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性變差。

3 分布式電源消納能力提升措施

隨著DG滲透率提高，配電網(wǎng)的運(yùn)行面臨安全風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性也將下降。這是限制配電網(wǎng)DG消納能力的主要因素。通過線路改造、安裝又在調(diào)壓變壓器和儲(chǔ)能裝置、對(duì)DG進(jìn)行主動(dòng)控制等措施，可有效提高配電網(wǎng)DG消納能力。

（1）線路改造

配電網(wǎng)一些老舊的配電線路，其導(dǎo)線截面積較小，電阻和電抗較大，載流能力較弱，極大地限制了DG的消納。可以通過改造部分線路，將鋼/鋁絞線等更換成電纜線路，加大導(dǎo)線截面積，提高線路的傳輸能力，降低功率倒送引起的電壓抬升，從而提高配電網(wǎng)DG消納能力。

（2）安裝有載調(diào)壓變壓器

過電壓?jiǎn)栴}是限制DG應(yīng)用的主要因素之一。通過合理的調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器的抽頭，控制其二次側(cè)電壓，可使配電網(wǎng)電壓保持在規(guī)定范圍內(nèi)，從而解決DG接入容量過大引起的過電壓?jiǎn)栴}，有效提高配電網(wǎng)DG消納能力。

（3）安裝儲(chǔ)能裝置

DG出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，其接入給配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來嚴(yán)重的危害。儲(chǔ)能裝置可以通過充發(fā)電實(shí)現(xiàn)電能的跨時(shí)段轉(zhuǎn)移，進(jìn)行“削峰填谷”：在DG出力大、負(fù)荷小時(shí)，進(jìn)行充電，降低配電網(wǎng)電壓和電流過載風(fēng)險(xiǎn)；在DG出力小，負(fù)荷大時(shí)，進(jìn)行放電，改善配電網(wǎng)的低電壓?jiǎn)栴}。

（4）對(duì)DG進(jìn)行主動(dòng)管理

部分DG具有無功輸出能力，通過對(duì)DG輸出無功功率的主動(dòng)控制，當(dāng)DG有功出力過大、負(fù)荷較小時(shí)，控制DG吸收無功功率；當(dāng)DG有功輸出較小、負(fù)荷較大時(shí)，控制DG發(fā)出無功功率。這樣，可協(xié)調(diào)控制配電網(wǎng)的電壓，使配電網(wǎng)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。此外，當(dāng)DG的無功輸出不足以解決其并網(wǎng)引起的過電壓時(shí)，可通過主動(dòng)削減DG的有功出力，將電壓維持在安全范圍內(nèi)。可見，通過對(duì)DG進(jìn)行無功輸出控制和有功削減等主動(dòng)管理措施，可以提高配電網(wǎng)DG消納能力。

4 結(jié)語

（1）合理的DG滲透率對(duì)電壓有抬升作用，可以減小線路電流和網(wǎng)絡(luò)損耗，但過大的DG滲透率會(huì)引起電壓越限、電流過載和網(wǎng)損增加等問題，這成為限制配電網(wǎng)DG消納能力的主要因素。

（2）結(jié)合DG滲透率對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的影響規(guī)律，提出了配電網(wǎng)DG消納能力提升措施，可以指導(dǎo)配電網(wǎng)更加合理地進(jìn)行DG規(guī)劃和管理。

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