分布式发电系统接入对配电网电压分布的影响分析

邢晓敏，张 萌，商国敬，刘曼曼

(1．东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012;2．大唐东北电力试验研究所有限公司，吉林长春010020;3．国家电网吉林供电公司，吉林吉林132300)

随着全球能源危机的日益加剧和人们环保意识的不断增强，清洁和可再生能源备受青睐，新能源发电的相关问题也随之成为电力领域专家和学者们的研究热点［1～4］．就配电网而言，由于分布式发电(Distributed Generation，DG)的并入，使其处于一个从传统的放射性无源网络向含源电力网过渡的时代［5～8］．当然，这种变化也同时对配电网产生了全方位的影响，其中包括分布式发电并网时对配电网扰动导致电能质量受到影响的问题［9～12］．

文献［13］应用多个算例验证了单个分布式电源在不同接入位置和接入容量的情况下对电压分布影响极大．文献［14］提出利用灵敏度分析方法研究DG不同出力对系统电压造成的影响．本文从分布式电源接入个数、接入位置和容量等方面研究DG并网后对电压分布的影响规律．在大量仿真算例与数据的基础上，总结出一套切实可行的分布式电源并网方案．

1 系统模型

配电网系统是一个复杂的电力网络，为方便对配电网的研究，利用配电网的等效模型对DG接入配电网的影响进行研究分析．图1是简单配电网的等效结构图．PDG+QDG代表分布式电源接入配电网．其中PDG、QDG分别代表分布式电源的有功功率和无功功率．

图1 配电网系统结构图

国际上典型的馈线辐射状配电网模型IEEE33节点配电系统，额定电压为12．66 kV，图2为IEEE33节点配电系统图，节点和支路分布如图所示．仿真中，系统电源采用电压源模型，频率为50 Hz．负荷和线路模型采用仿真软件中自带的模块，由于不考虑分布式电源接入配电网时的暂态过程和动态电压调整问题，搭建分布式电源模型时以受控电流源为基础．为了使分布式电源的投入/退出时对配电网的影响程度尽量降低，所有分布式电源都应维持在高功率因数下运行，因此功率因数取0．9．

图2 IEEE33节点配电系统图

2 DG接入配电网的数学模型

2.1 无DG接入时电压降

配电网系统正常运行情况下，假设相邻节点间的阻抗大小均为R+jX，每个节点的负荷大小为Pi+jQi，线路存在一定的电压降落，系统未接入DG的情况下，配电线路中任意节点m与系统电源的电压降表示为

其中:ΔUsm+为m点之前的等效负载与系统电源的电压降;ΔUsm－为m点之后的等效负载与系统电源的电压降．

公式(4)计算出的电压降为DG未接入馈线时，在仅有系统电源作用下，配电网中m节点处与系统电源间的电压降落．

2.2 DG单独作用下的电压降

当考虑只有DG单独作用于配电网系统时，需先将配电网系统电源置零．由于线路中的阻抗远小于负荷，因此在考虑DG对电压降的影响时，只需考虑DG接入点k之前的线路，对于k点之后的线路，DG的接入对电压可能有提升的作用，对电压降落的影响不大．节点k到系统电源的电压降为:

2.3 DG与系统电源作用下的电压降

利用叠加原理，将公式(4)与公式(5)、公式(6)分别进行叠加计算，得到在系统电源和DG的共同作用下m点到系统电源的电压降，如公式(7)、公式(8)所示:

因此，如果已知线路首端电压为U0，则该线路上m点的电压可表示为

由上式结论可知，DG的容量、接入位置及接入数量都会影响到馈线上的电压分布．

2.4 网损最小时的DG接入位置和容量分析

只要有功率流过，线路因为有电阻的存在，就会存在损耗，首先研究有功率流过时的情况．以图1为例，计算m点(m点为馈线上任意一点)的负荷功率时，应分成0～k，k～N两段进行分析计算．m点的有功功率用Pm表示，计算结果见公式(11)，公式(12):

计算馈线上总的有功损耗:

解得:

据公式(15)的结果可知，当单个分布式电源接入配电网时，若DG注入电网容量为配电系统负荷有功功率总量的2/3，并在距离电源点2/3节点处接入时，会使网损最小．

3 算例仿真

为验证DG的容量、接入个数和接入位置对馈线电压分布的影响，利用MATLAB中提供的电力系统模块在Simulink环境下搭建IEEE33节点配电网系统模型进行仿真分析．

3.1 单个DG接入位置对电压分布的影响

基于以上采用的配电网模型，首先计算无DG接入时，配电网各节点的电压分布情况，然后计算在单条馈线上接入单个DG后对电压分布的影响．DG参数设定:DG容量为500 kW，接入点设定为节点2、节点7、节点12、节点17．电压分布数据如表1所示．

表1 单个DG接入时电压分布数据(单位V)

通过仿真发现，光伏发电系统的接入对线路电压有一定的提升作用，接入位置越靠近馈线首端时，对电压的提升作用越小;接入位置越靠近末端，对电压提升作用越大，但可能会超过电压额定限值;数据也验证了DG在距离首端2/3位置时，效果较为理想．

3.2 多个DG接入对电压分布的影响

以两个相同DG接入为例，研究多个DG接入对馈线电压分布的影响．保持DG的状态固定，只改变其位置的情况下研究对配电网电压分布的影响．DG参数设定:DG容量为500 kW．具体设计方案如表2所示．

仿真结果如表3所示，对比表中数据可知，多个DG同时并网后确实较大程度上改变了原有的电压分布，未接入任何DG的数据起参考作用，由数据可知，DG接入后都对电压起到了一定的提升作用，而且多个DG接入越靠近末端提升电压效果越明显．仿真显示靠近线路末端时电压被抬升过高，如果发生DG脱离馈线，会使得电压的变化幅度很大．

表2 多个DG接入的设计方案

表3 多个DG接入时电压分布数据(V)

3.3 DG容量的变化对电压分布的影响

由于分布式发电系统的效率受自然环境变化的影响，因此DG的容量会随环境的变化而改变．以两个分布式发电系统接入配电网系统为例，研究DG的容量对电压分布的影响．选用中间位置8和9两个节点作为DG的接入点．DG的容量参数如表4所示．

仿真结果如表5所示．对比上表数据可知，分布式发电系统容量的变化会改变配电网系统的电压分布．随着容量的增加，对电压抬升效果越明显，而且，当接入容量相同时，位置变化不大电压基本保持不变．

表4 DG不同容量接入的设计方案(kW)

表5 DG不同容量接入时电压分布数据(V)

4 结 论

采用IEEE33节点系统配电网模型评估分布式发电系统对配电网电压分布的影响，并通过仿真建模分析仿真数据，通过对比分析分布式发电系统接入对配电网的影响，结论如下:

(1)分布式发电系统接入配电网就会对配电网电压有一定的抬升作用，而且越靠近末端对配电网电压的抬升效果越明显;

(2)多个分布式发电系统接入时也符合单个分布式发电系统的规律．如果考虑网损的情况下，假设负荷基本保持不变的前提下，距离电源点2/3处效果最理想;

(3)分布式发电系统在一定的接入容量范围内，随着容量的增加对配电网电压的提升越明显．

参考文献

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