分布式电源对辐射状电网的电压影响性分析＊

柳 昂，王 雯，孙秋野

（1.湖州电力局，浙江 湖州313000；2.东北大学，辽宁 沈阳110004）

0 引言

随着智能电网的发展及对绿色电网的倡导，以天然气为燃料小容量燃气轮机、内燃机、微型气轮发电机、光伏电池，以及以氢气为燃料的燃料电池，风能发电等分布式电源在电网中所占的比例越来越大，其接入电网形式也将从单一的直接接入变电站改为灵活的接入配网线路，其对电网的影响成为近年来研究及发展的热点［1，2］.

分布式电源（Distributed Generation，简称DG）大多并入低电压等级的辐射状配网中，因此本文研究的网络都是放射状的配电网络.采用负荷静态模型中最复杂的等腰负荷静态模型，在模型中引入分布式电源，建立含DG的配电网静态负荷模型，针对不同容量及不同接入地点，对模型电压区段电压值的影响进行MATLAB仿真分析，最后提出了考虑DG影响的配网电压控制原则.

1 考虑DG并网等腰负荷模型的建立

同时假设负荷三相对称，忽略线路间互感，为了定量的研究DG引入后配电网的电压分布，在模型中不将原电源做电压源，分布式电源将馈线上原有负荷定义为正性负荷，将DG定义为负性负荷，计算DG引入后的配电网电压分布.

一条含有DG的负荷等腰分布的配电线路如图1所示.设总的有功负荷为PL，无功负荷为QL，线路长度为l，负荷在0到l之间呈等腰分布.k点为分布式电源的接入位置.分布式电源的大小为PDG＋jQDG.

在上述配电线路中引入分布式电源DG，配电线路的参数不变，分布式电源的大小为PDG＋jQDG，对于负荷等腰分布的配电线路，根据DG接入位置和线路上任一点d点位置的不同，负荷要分以下四种情况讨论：① 当d在前l／2，且0＜d≤k时；② 当d在前l／2，k＜d≤l时；③ 当d在后l／2，且0＜d≤k时；④ 当d在后l／2，且k＜d≤l时.

根据上述负荷模型分布情况，可以得出四组对应模型，见表1.

表1 含分布式小电源的等腰负荷模型

2 DG并网后对配电网电压调整作用的研究

依照所建模型，在含DG的配电线路中，根据DG和所求点电压位置的不同分四种情况讨论.各点的电压近似计算如下：

情况I：当d在前l／2，且0＜d≤k≤l时，配电线路中任一点d处的电压为：

其中，电压降落△U1是由于d点之后的等效综合负荷引起的；另一部分电压降落△U1是由于d点之前的等腰分布式负荷和分布式电源引起的.第一部分电压降落表达式如下：

在计算等腰分布式分布负荷线路的电压损耗时，因为当d在前l／2，且0＜d≤k，所以可以设线路全长l／2前的密度函数ρ＝kλ.其中k为负荷密度系数，k＝k1＋jk2.λ为线路上从始端开始的某点线路长度距离.0～λ处的负荷大小为：

由0～l／2处的负荷大小为：

可以得出：

则第二部分的电压降落为：

情况II：当d在前l／2，k＜d≤l／2时，配电线路中任一点d处的电压为：

解得：

其中，

M＝rkPDG＋xkQDG.

情况Ⅲ：当d在后l／2，且l／2＜d≤k时，配电线路中任一点d处的电压为：

在计算等腰分布式分布负荷线路的电压损耗时，设前l／2的负荷密度函数为：

设后l／2的负荷密度函数为：

ρ＝－k（λ2－l），λ2∈ （0～d）.

第二部分的电压降落为：

解得：M＝rkPDG＋xkQDG.

对等腰分布的负荷线路进行电压分布仿真分析时，需要根据分布式电源相对于配电线路中点的位置将电压分布情况分为两个模型.根据所求电压点和分布式电源及线路中点的相对位置情况，将每个模型分为三个子区段.

综合上面四种情况，得出如下两种模型：

当DG位于线路中点之前时的电压分布如下：

当DG位于线路中点之后时的电压分布如下：

根据图1DG并网后的配电线路模型，一条10kV的配电线路参数为：线路长度d＝9.5km，电阻r＝0.15Ω／km，电抗x＝0.3Ω／km.线路总负荷为PL＝6MW，QL＝4Mvar，配电线路始端电压为10.5kV（标准值），额定电压10kV.DG的功率因素，仿真结果如下：

仿真图1和图2分别是PG＝2MW，cosθ＝0.9，DG安装在d＝3km处和PG＝4MW ，cosθ＝0.9，DG安装在d＝3km处的线路电压分布曲线.可见DG容量越大，对线路电压的影响也越大.

图1 PG＝2MW，cosθ＝0.9，DG安装在d＝3km处

图2 PG＝4MW，cosθ＝0.9， DG安装在d＝3km处

图3 PG＝2MW，cosθ＝0.9，DG安装在d＝8km处

图4 PG＝4MW，cosθ＝0.9， DG安装在d＝8km处

仿真图3和图4分别是PG＝2MW，cosθ＝0.9，DG安装在d＝8km处和PG＝4MW ，cosθ＝0.9，DG安装在d＝8km处的线路电压分布曲线.可见，在线路末端，DG对线路电压的影响比在线路中间时要大，DG的容量越大，对线路电压的影响越大，当DG过大时，线路末端电压可能超过电压上限.

3 考虑分布式电源投切的无功补偿接入容量的选择

传统配电网中有功、无功负荷变化会引起系统电压波动.朝线路末端方向，电压的波动越来越大.如果负荷集中在系统末端附近，电压的波动会更大.当DG接入配电网后，会使得馈线电压升高，DG退出运行时，对于依靠DG支撑电压的馈线又可能会使末端电压超出电压偏差范围.因此需要保证分布式电源在投入和退出运行的情况下，配电网馈线电压都能满足供电需求，必需考虑调压.

分布式发电接入系统后，对配电系统电能质量影响较大，而配电系统近年来逐渐解除了管制，引入竞争，对电能质量要求日益提高，因此有必要引入电力设备，以保证系统电能质量.采用SVC作为控制线路潮流的有效手段，在电压变化时能快速、平滑地调节无功功率，满足动态无功补偿的需要.SVC对于冲击负荷也有较强的适应性，因此能有效地控制风力发电状态突变对电压波动的影响［3］.对风电等对电能质量影响大且有重要用户的线路，可采用静止无功补偿装置与DG配合调节配电网电压.对其它一般的线路也可以考虑在适当的地点装置并列电容器调整电压.DG并网运行时配电系统的电压可能越上限也可能越下限.

考虑在补偿容量时，按满足运行电压质量确定补偿容量，考虑在DG投入时，无功补偿投入后线路首末端电压不超上限，且能满足在电压最低点电压合格的要求.在DG退出时，无功补偿能使线路末端电压合格.

4 结束语

由于在配电网中引入分布式电源，使得原有配电网的电压分布发生了改变.本文使用负荷方法建立含DG的配电网静态负荷模型，对模型线路上任意处的电压值进行了定量分析和仿真.研究仿真结果，发现分布式电源的大小和接入位置不同都会对电压分布造成一定的影响，使线路上各点的现有电压分布偏离原有的电压分布.大容量DG的并网会使配网线路上的电压超越电压上限值或电压下限值.为了防止DG引入配电网后电压越限情况的发生，提出采用静止补偿装置或电容器与分布式电源的投切配合来调节配电网电压.

［1］王希舟.分布式发点与配电网保护协调性研究［D］.浙江大学硕士学位论文，2006.

［2］顾承红.电力系统中分布式发电优化计算［D］.上海交通大学硕士学位论文，2007.

［3］白茜.分布式发电对配电网电压调整作用的机理研究［D］.华北电力大学硕士学位论文，2006.