分布式发电及其对配电网网损的影响分析

刘 琳，陶 顺，肖湘宁，李英毓

(华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206)

1 引言

传统的集中供电因其高效、低损耗且易于管理等诸多优点得到了普遍的推广。然而，大电网不能灵活跟踪负荷的变化，使得设备利用率低。不仅如此，在大型互联电力系统中，局部故障极易扩散，往往导致大面积的停电，对整个电网带来不利影响。因此，国外的专家学者提出了分布式发电(Distributed Generation，DG)与配电网联合运行的方式，从而提高了电力系统运行的灵活性、可靠性和安全性［1-3］。这种方式已经成为配电系统的发展方向之一。

本文将在一个简化的配电网模型上重点分析DG引入后影响配电网网损的因素，为降低网损提供一定的理论依据。

2 模型的建立

为方便建立模型，本文首先做出以下假设:①配网输电线路不长(L≤20km)，输电线路均匀，单位长度电阻值恒定;②输电线路各处电压相等且在引入DG前后，输电线路电压基本不变;③负荷以Y型接入系统且三相负荷平衡;④除分布式电源外，DG接入前后两模型在变压器型号、线路参数、负荷大小等方面完全相同。

配电网模型如图1和图2所示，图1为未接入DG的模型，图2为接入DG后的配电网模型。

图1 未接入DG的配电网Fig.1 Distribution network without DG

图2 接入DG的配电网Fig.2 Distribution network with DG

图中电网侧电压等级为UN1，线路电压等级为UN2，变压器额定电压比为UN1/UN2。由图可知，网络的损耗是变压器和线路的有功损耗之和。

未引入DG时，模型1的总损耗为线路有功损耗Tline1与变压器损耗Ttrans1之和为［4］

其中，r为输电线路单位电阻值;PL为负荷消耗的有功功率;QL为负荷消耗的无功功率;为线路相电压相量，以电压相量为参考量，=U∠0°;为流入负荷的电流相量，电流相位即为负荷的负荷角，=IG∠φL。

引入DG后，网络损耗的变化量可以体现在三部分:①电源和DG间的线路损耗T11;②DG和负荷间的线路损耗T12;③变压器的损耗 Ttrans2。因此，接入DG后系统的总损耗为

接入DG前后网损的变化量为

若ΔT＞0，则说明引入分布式电源后可以减少网损，否则说明分布式电源使系统网损增加。设网损变化率(Hrate)为

为了方便分析，假定负荷从系统中吸收有功和无功功率，则负荷的无功功率可以表示为

DG发出无功功率时为滞后功率因数方式运行，吸收无功功率时为超前功率因数运行，此时DG的无功功率有两种表示形式。

其中，DG在滞后功率因数下运行时取正号，DG在超前功率因数下运行时取负号。

分别将式(5)和(6)代入式(4)，可以得到整理后的网损变化率。

设X=PDG/PL为DG输出功率相对负荷的大小。若X≤1，表示 DG发出功率全部被负荷吸收;反之，若X＞1，表示DG发出功率部分被负荷吸收，剩下的则上网供电。

由式(7)可以看出，在选定的配电馈线上，系统网损的变化情况与变压器电阻(RT)、变压器运行台数(K)、DG的运行方式(cosφDG)、DG的接入位置(M)以及 DG输出功率相对负荷的大小(X)有关。现对这五个因素进行计算分析。

3 计算分析

本节计算中选用的导线型号为LJ-35，其单位电阻值为 0.91Ω/km，L=20km，cosφL=0.8，UN1=35kV，UN2=10kV。

3.1 DG接入对变压器运行台数及网损的影响

变压器的台数一般根据负荷等级、用电容量和经济运行等条件综合考虑确定。为了使变压器能够在经济方式下运行，需要根据负荷的大小来决定投入变压器的台数和容量，从而减小功率损耗。所谓变压器的经济运行，就是要确定对应于某一负荷，投入几组变压器，可使总的有功功率损耗最小。投切变压器的负荷功率值称为Scr。

其中，Sn为变压器的额定容量;P0为变压器的空载损耗;Pk为变压器的短路损耗。

当负荷功率SL＞Scr，系统宜投入K台变压器运行。当负荷功率SL＜Scr时，系统宜投入K－1台变压器运行。DG的接入分担了系统的一部分负荷，这就可能减小流经变压器的负荷，从而影响变压器台数的选择。

假设负荷功率 SL=250kVA，DG容量 SDG=200kVA。一般情况下，变电所有两台主变压器，可选K=2。选择了4种不同容量的变压器，并计算出对应的Scr和电阻值。

显然，未接入DG时流经变压器的负荷功率SL=250kVA＞Scr，此时系统宜投入2台变压器运行;接入DG后，流经变压器的负荷功率SL－SDG=250－200=50＜Scr(单位:kVA)。此时系统仅投入1台变压器运行即可。因此，在适当的条件下，根据DG的并网容量和运行输出功率，有必要经济调度变压器台数的运行，减小系统的网损。

3.2 变压器电阻对网损的影响

同样，规划DG的接入会导致流经变压器的功率发生变化，从电网经济运行的角度来说，也可能影响到变压器容量的选择或调整。在额定电压一定的条件下，变压器电阻与其额定容量的平方成反比。由式(7)可以看出，变压器电阻大小与DG接入前后的网损变化率有关。也就是说，接入DG后会影响变压器容量的选择，进而影响到系统网损。

由表1可以看出，变压器容量越大，对应的电阻值越小。假设此时负荷功率SL=400kVA，DG容量SDG=200kVA。显然，未接入DG时流经变压器的负荷功率SL=400kVA，此时系统需要投入2台容量大于315 kVA的变压器运行;接入DG后，流经变压器的负荷功率 SL－SDG=200kVA，系统仅投入2台容量为200 kVA的变压器运行即可。因此，对于不同的DG的并网容量和运行输出功率，适宜选择不同容量的变压器，进而可以降低系统的网损。

表1 不同变压器对应的Scr及电阻值Tab.1 Scrand resistance of different transformers

3.3 DG接入位置对网损的影响

由式(7)可知，DG的接入位置对配电网网损有较大的影响，文献［6］也对此进行了讨论。本文选取11个不同的DG接入位置，绘制出了网损变化率在不同的DG功率因数以及DG容量下的变化情况，如图3所示。

从图3可以看出，如果DG向系统发出无功功率，当DG容量较小时，网损变化率为正值，说明DG并网能够减小系统网损，且DG接入位置越靠近负荷侧，网损减少的越多;而DG容量较大时，网损变化率为负，说明DG并网增大了系统的网损，且DG接入位置越靠近负荷侧，网损增加的越多。

如果DG只发出有功功率，网损变化率较发出无功功率时幅度减小，但网损变化趋势仍与DG发出无功时相似。如果DG从系统中吸收无功功率，当DG容量很小时，系统网损变化率为正值，但减小网损不明显;当DG容量不仅向负荷供电，同时上网供电时，DG并网会增加系统的损耗，且DG接入位置越靠近负荷侧，网损增加越多。

图3 DG接入位置对网损的影响Fig.3 Influence on losses by DG's location

3.4 DG容量对网损的影响

DG容量对配电网网损也有很明显的影响［7］。本文分别选取5种不同的DG容量，绘制出了网损变化率在不同的DG功率因数以及接入位置下的变化情况，如图4所示。

图4 DG容量对网损的影响Fig.4 Influence on losses by DG's capacity

从图4可以看出，如果DG向系统发出无功功率，当DG容量小于负荷2倍时，网损变化率大于0，即DG并网能够减小网损。此时，DG越靠近负荷侧，对减少网损越有利。当DG容量增大到2倍负荷时，DG除了向负荷供电外，还向系统提供相同的有功，系统的网损变化率为0，即DG接入前后系统网损不变。这是因为此时流经线路和变压器的潮流与未接入DG时完全相同，只是潮流相反。一旦DG容量大于2倍负荷，DG的接入就会使网损增加，在这种情况下，DG的接入位置越接近上一级电网侧，对减小网损越有利。

同理可知，DG只发出有功功率或从系统中吸收无功功率，DG并网后对系统减少网损是不利的。

3.5 DG运行方式对网损的影响

DG运行方式对配电网也有较大的影响。从图3或图4可以看出，在其他条件一定的情况下，DG向系统发出无功功率越多，网损减少的越多。这是因为当DG向系统发出无功功率时，有助于补偿负荷的无功功率，从而减少因无功电流在输电线路和变压器上的传输而形成的有功损耗。因此，DG要尽量在滞后功率因数下运行。

4 结论

本文通过建立引入DG前后配电网的简化模型，推导出网损变化的表达式，经过具体数值的理论计算与分析，研究了各种不同情况下分布式电源的接入对系统网络损耗的影响，得出影响系统网损的五个因素。主要结论如下:

(1)在适当的条件下，有必要根据DG的并网容量，经济调度变压器的运行台数，从而减小系统网损。

(2)DG要尽量在滞后功率因数下运行，如若不能，则应加入相应的无功补偿装置。

(3)DG容量小于2倍线路负荷时，应将DG配置在馈线靠近负荷的位置，且尽量选择与负荷容量相适应的变压器。

(4)DG容量大于2倍线路负荷时，应将DG配置在靠近上一级电网的位置，且尽量选择与DG容量相匹配的变压器。

［1］陈琳 (Chen Lin).分布式发电接入电力系统若干问题的研究 (Research on power system with penetration of distributed generators)［D］.浙江:浙江大学 (Zhejiang:Zhejiang Universtiy)，2007.

［2］李晶 (Li Jing).分布式发电系统对配电网网损影响的仿真研究 (Simulation research of effects of distributed generation on distribution network loss)［J］.沈阳工程学院学报 (Shenyang Institute of Engineering)，2009，34(8):205-207.

［3］Chiradeja P.Benefit of distributed generation:a line loss reduction analysis［A］.IEEE/PES Transmission＆ Distribution Conference ＆ Exposition:Asia and Pacific［C］.Dalian，2005.1-5.

［4］贺先豪 (He Xianhao).含分布式电源的配电网理论线损计算方法 (Calculation of transmission loss in distribution networks with distributed generations)［D］.长沙:湖南大学(Changsha:Hunan University)，2009.

［5］王菊萍 (Wang Jvping).对如何降低网损、提高电网经济运行的技术措施分析 (Technological analysis on how to reduce network loss and improve the economic function of the grid)［J］.广东科技 (Guangdong Technology)，2010，3(233):124-25.

［6］马明 (Ma Ming).分布式电源对配电网网损影响及配置的研究 (Studies on the loss impact and placement of distributed generation in distribution system)［D］.南京:南京理工大学 (Nanjing:Nanjing University of Science and Technology)，2007.

［7］彭怡 (Peng Yi).分布式电源优化配置及配电网重构研究(Study on optimal allocation of distributed generation and reconfiguration of distribution network)［D］.重庆:重庆大学 (Chongqing:Chongqing University)，2009.