分布式風光儲對中壓配電網的影響

張 師，劉競澤，田 蕾，鄂立順，于 躍

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.國網黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090； 3.國網吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林 132001; 4.國網黑龍江省電力有限公司綏化供電公司，黑龍江 綏化 152000)

0 引 言

隨著經濟發展和居民用電量不斷增多，配電網供電可靠性與電壓質量問題日益凸顯，需要接入分布式電源以提高供電可靠性并改善配電網低電壓問題[1-3]。

分布式風光儲接入配電網可以緩解風電和光伏功率隨機波動對電網造成的消極影響，提高風電和光伏的利用率[4-6]。風能和太陽能作為分布最廣泛的可再生能源，利用其形成分布式風光儲接入配電網是多能互補技術的典型應用模式[7]。

目前，國內外關于分布式風光儲接入配電網方面的研究已經取得了一些進展，文獻[8]推導了電壓穩定H指標，并結合L指標深入分析分布式電源接入對系統電壓穩定的影響機制，并給出提高電壓穩定性的措施；文獻[9]將理論分析與仿真分析相結合，研究了分布式儲能在不同位置接入后對配電網電壓穩定的影響；文獻[10]通過研究表明對地方性電廠的出力進行重新分配可減小系統網損指標、電壓偏移指標及電壓穩定L指標。綜上可知，合理布置分布式風光儲會使配電網電壓質量和經濟性得到有效改善。關于風光儲聯合接入配電網系統方面的研究也取得了一些成果，如分析風光儲接入對系統調峰能力的影響[11]、風光儲系統接入的最優化調度方法[12]和風光儲系統的設計[13]。但未見風光儲接入對配電網的影響機理研究，而隨著配電網中多種電源的分布式接入，分布式風光儲接入配電網是一項值得深入研究的工作。

基于此，以電壓穩定L指標、電壓偏移、有功網損為評價指標，對分布式風光儲的接入對中壓配電網的影響進行研究。

1 配電網評價指標

所采用的配電網評價指標主要包括電壓穩定指標、網損指標和電壓偏移指標。

配電網電壓穩定L指標是基于潮流可解性推導出的。系統中任意兩個相鄰節點i和j，假設功率從節點i流向節點j，則節點i和節點j電壓的關系可以表示為

(1)

將式(1)展開并化簡可得：

(PjXij-QjRij)2=0

(2)

式中：Ui為節點i電壓幅值；Uj為節點j電壓幅值。

若Uj有解，則根據一元二次方程根判別式可知：

(PjXij-QjRij)2]≥0

(3)

化簡式(3)可得：

(4)

因此可得出電壓穩定L指標：

(5)

取各支路中最大的L作為系統的L指標。如果L≤1，則Uj有解，電壓穩定；如果L>1，則Uj無解，電壓不穩定。

配電網網損指標即為網絡中的有功功率損耗，可以表示為

(6)

式中：Pk、Qk為第k條支路首端流入的有功功率、無功功率；Uk為第k條支路首端電壓幅值；Rk為第k條支路的電阻；n為支路數。

配電網電壓偏移指標可以表示為

(7)

式中：Uri為節點i額定電壓幅值，m為節點個數。

2 分布式風光儲接入對配電網的影響

根據電力系統對電能質量的約束，可以近似認為系統各節點電壓為額定電壓，式(5)可以轉化為

(8)

式中：UN為額定電壓。通常額定電壓標幺值為1.0，因此可以將L進一步簡化：

L=4[(PjXij-QjRij)2+(PjRij+QjXij)]

(9)

若分布式風光儲的接入減小了節點i和節點j間的功率，該支路的L指標會相應減小，從而提高電壓穩定性。根據式(6)可知，支路流過的功率減小會減小支路的網損，從而提高配電網運行的經濟性。

相鄰的節點i和節點j的電壓幅值可以近似表示為

(10)

當支路流過的功率增加時，兩端電壓幅值之差增加，從而降低末端電壓。

基于以上分析可知，如果分布式風光儲的接入降低了線路流過的功率，會使配電網的電壓穩定性和經濟性均得到提升。

3 算例分析

以吉林市某地區10 kV配電網為例進行分析，如圖1所示，節點編號如表1所示，共20個節點，25條支路。將2014年某一時刻的負荷數據注入仿真模型，進行潮流計算，可以得到該時刻的配電網潮流分布。

圖1 某地區20節點配電網Fig.1 20-node distribution network in a certain area

表1 節點編號Table 1 Node number

將棋盤變、化工變、土城變合并為1個節點，作為該區域配電網的平衡節點。設定收斂精度為10-6，采用極坐標形式的牛頓法進行潮流求解?？梢缘玫?，當前時間斷面下的總網損為9.04 MW，靜態電壓穩定指標L為0.280 2，電壓偏移指標為0.538 3 p.u.，節點電壓最低為0.788 5 p.u.。

將2 MW的風光儲接入配電網，各支路電壓穩定L指標如圖2所示。各支路中L最大值為系統的L指標，可以看出，當2 MW風光儲接入化建(節點13)、水分廠(節點14)、民主(節點15)、北甸(節點16)、農電2(節點17)時，L較低，電壓穩定性較好。根據圖1可知，這5個節點均在配電網末端。當風光儲接入配電網首端位置(如節點1)時，系統的電壓穩定L指標在0.28附近，和原系統幾乎相同。

圖2 各支路N指標Fig.2 N index of each branch

圖3為風光儲接入不同位置的系統有功網損，可以看出，在2 MW風光儲接入化建(節點13)、水分廠(節點14)、民主(節點15)、北甸(節點16)、農電2(節點17)時，系統網損較少，經濟性較好。

圖3 2 MW風光儲接入不同位置時系統的有功網損Fig.3 Active power loss when 2 MW wind-solar-storage system is connected to different positions

將20 MW風光儲接入不同位置，系統的有功網損如圖4所示，可以看出，隨著風光儲接入容量的增加，網損越來越少。

圖4 20 MW風光儲接入不同位置時系統的有功網損Fig.4 Active power loss when 20MW wind-solar-storage system is connected to different positions

將100 MW風光儲接入配電網不同節點后，接入不同容量下的系統有功網損如圖5所示。

從圖5可以看出，接入配電網末端風光儲容量過大會導致線路流過功率過大，增加有功網損。

圖5 不同風光儲接入不同位置時系統的有功網損Fig.5 Active power loss when different wind-solar-storage systems are connected to different positions

當風光儲分布式接入時，即化建(節點13)、水分廠(節點14)、民主(節點15)、農電2(節點17)各接入5 MW，仿真結果圖6所示。

圖6 各節點電壓Fig.6 Voltage of each node

當配電網末端集中接入20 MW分布式風光儲時，系統電壓水平最好。這是由于風光儲接入前系統存在末端電壓水平較低的問題，而風光儲接入末端后會顯著提升末端電壓水平，并使臨近節點電壓幅值得到提高。4種算例下的系統L指標和有功網損如表2所示。

表2 不同系統的L指標和有功網損Table 2 L Index and active power loss of different systems

根據以上分析可知，分布式風光儲接入配電網末端可顯著改善系統電壓水平、電壓穩定性和經濟性。當風光儲系統集中接入配電網時，若接入位置選擇恰當，同樣可以有效改善系統電能質量和經濟性，如表2所示，20 MW風光儲集中接入民主的L指標和網損指標最優。

4 結 語

分析了分布式風光儲接入對配電網的電壓穩定、電壓偏移、網損的影響機理。當適量風光儲接入配電網末端時，會提高電網的電壓穩定性和電能質量，提高運行經濟性；若末端接入過多風光儲，會增加線路流過的功率從而增加網損。若實際安裝時位置不便，可遵循末端接入的原則，集中接入和分布式接入均可有效提高運行經濟性和電壓水平。