分布式电源接入配电网最佳方式的研究

胡英龙，李 岩

（1.国网南平供电公司，福建 南平353000；2.国网开封供电公司，河南 开封475000）

随着全球温室效应的加剧，急需一种新能源作为电能的补充，以减少二氧化碳排放.可再生能源发电以其高效、灵活、低碳的特点引起了人们的广泛关注［1－2］.高效、可靠的可再生能源以分布式电源（distributed generation，简称DG）方式引入配电网中.分布式电源的引入给配电网的潮流、电压质量、功率损耗和可靠性带来一定的影响.为了充分利用可再生能源，减少分布式电源引入对配电网的影响，必须要一个合理的接入点和最佳容量［3－4］.近年来，国内外已有学者对分布式电源选址、定容及其对配电网的影响进行了研究.文献［5－6］仅从配电网年运行费用最小的角度来对分布式电源的位置和容量进行研究，文中没有考虑配电网的电压变化及网损.文献［7］用概率方法确定了分布式电源的接入点应为负荷中心区域.文献［8］仅从分布式电源对配电网电压的影响来确定其接入位置和选择容量，文中没有从网损和经济角度进行分析.文献［9］利用等效网损微增率来确定分布式电源的位置，从有功损耗和电压改善程度来确定分布式电源容量，文中没有考虑无功功耗、反向潮流和其自身功率因数对配电网的影响.

作者针对日负荷曲线中最大负荷和最小负荷的瞬时性，选取加权最大负荷、加权最小负荷两种运行方式，根据潮流计算中配电网电压的变化，确定配电网中需要电压改善的区域；然后根据分布式电源能够提高配电网电压水平，以反向潮流次数最小和网损最小为目标，结合分布式电源自身功率因数和类型，确定该分布式电源在该区域中的最佳接入点和最佳容量.算例采用河南省某地区35kV配电网进行仿真计算.

1 配电网中典型日负荷曲线和分布式电源的处理

1.1 日负荷曲线的最大、最小负荷分析

电力系统日负荷曲线是某个地区全部用电负荷的日变化曲线.日负荷曲线跟电力系统规模、季节、用电负荷变化有关，最大负荷、最小负荷具有瞬时性.为了更加准确地分析负荷高峰期和低谷期配电网电压变化和网损情况，不能简单地将日负荷曲线中最大、最小负荷相加作为负荷高峰期和低谷期的负荷.鉴于此，该文采用加权最大负荷、加权最小负荷来分析负荷高峰期和低谷期的负荷情况.

1.2 加权最大负荷、加权最小负荷分析

选取日负荷曲线中负荷高峰期、负荷低谷期进行加权，设负荷低谷期时段为t1－t2，加权最小负荷为Pmin（J），负荷高峰期时段为t3－t4，加权最大负荷为Pmax（J）.图1为日负荷曲线.

从图1中可以发现加权最大负荷Pmax（J）比最大负荷Pmax小，加权最小负荷Pmin（J）比最小负荷Pmin大.加权最小负荷为Pmin（J）、加权最大负荷为Pmax（J）的定义如下

其中：P（t）为时刻t的负荷大小.

1.3 分布式电源的节点

分布式电源通常发出较高的有功功率，很少用来调节电力系统中的网络电压，因此把它所连接的节点归为PQ节点［10－12］.但是有一些分布式电源，它们有中央控制系统，能够提供实时的无功补偿，此时这种发电机组就可看作PV节点［13］.

2 分布式电源对配电网的影响

图2为含分布式电源的配电网结构模型图.城乡配电网大多以放射状链式结构为主，对于每条主干路都可以简化为该图所示的结构.假设配电网馈线上有N个负荷，依次编号为1，2，…，N，功率为Si＝Pi＋jQi，每段线路阻抗为Ri＋jXi（1≤i≤N），U1为首节点，DG从k（1＜k＜N）点接入.

2.1 分布式电源对配电网潮流的影响

首端功率为P′1，首端电压为U1，各节点功率满足

由公式（4）可知，随着分布式电源容量的增加，即当（P′i＋Pi－PDG）≤0时，配电网潮流反向，其具体关系如下：

由上可知，随着分布式电源容量的增加，配电网反向潮流次数增加.

2.2 分布式电源对配电网电压的影响

根据电压偏移方法可得与各节点电压Vj有关参量如下

根据公式（5）～（7）可知，分布式电源接在k点之前和之后时，传输功率减小会导致节点电压增加.分布式电源接在k点时，可以通过调度k点的节点电压来使得k点前后的节点电压也升高，所以分布式电源的接入总体上提高了配电网的电压水平.

2.3 分布式电源对配电网网损的影响

配电网总网损大小为

由式（8）可知：接入分布式电源后的网损依赖于分布式电源的接入点和接入容量，故需要在接入点与最佳接入容量上进行合理选择才能获取最佳效益.

3 分布式电源最佳方式的确定

该文不考虑分布式电源受自然条件的影响，只从电路上考虑，分布式电源自身容量及其接入点、注入容量对配电网电压、网损及反向潮流次数的影响.

3.1 最佳接入点的确定

根据配电网在加权最大负荷、加权最小负荷两种运行方式下配电网电压分布的特点，确定配电网需要改善电压的区域，然后将其接入配电网该区域中的各个节点，以该区域中节点电压改善（ΔU1max%）最佳、网损P′loss最小和反向潮流次数m最小为目标，来确定分布式电源的最佳接入点［14］.目标函数如下

其中：Vj为节点电压；Vje为DG未接入配电网前该点电压；m1为加权最小运行方式下不同节点处反向潮流次数；m2为加权最大运行方式下不同节点处反向潮流次数.DG接入配电网会对配电网的运行和稳定产生影响［11］，所以必需对其进行一些约束，其约束条件如下

其中：PGi、QGi为节点的有功功率和无功功率；cosφDG为分布式电源的功率因数.

3.2 最佳容量的确定

作者同时考虑分布式电源容量和功率因数对配电网电压的影响.不断改变分布式电源容量，以改善配电网电压水平（ΔU2max%）、网损P″loss最小和反向潮流次数m3最小为目标，来确定分布式电源的最佳容量，目标函数如下

其中：PA、PB分别为分布式电源在加权最大、最小负荷运行方式时的极限容量；m3为不同容量DG在加权最小负荷运行方式时的反向潮流次数.

4 算 例

4.1 算例系统简介

该算例用河南省某地区35kV配电网作为研究对象，该配电网结构图如图3所示，其基准功率为100MVA，电压基值为37kV.

4.2 分布式电源最佳接入点

图4为配电网在两种运行方式下各节点电压分布.由图4可知，节点2、3、4所在馈线电压处于较低的水平，尤其是节点4电压在加权最大负荷运行方式处于越限状态.

根据该地区可再生能源条件，选取分布式电源最大容量为2.4MW，其接入点为PQ节点，将其分别接入馈线1、2、3、4.

表1为加权最大负荷运行方式下DG接入不同节点处的反向潮流次数，表2为加权最小负荷运行方式下DG接入不同节点处反向潮流次数.表1、2表明最大容量时分布式电源接入不同节点处的反向潮流次数为0.

表1 加权最大负荷运行方式下DG接入不同节点处的反向潮流次数Tab.1 The numbers of reverse trend of the different nodes that DG is connected under the maximum weighted load

表2 加权最小负荷运行方式下DG接入不同节点处反向潮流次数Tab.2 The numbers of reverse trend of the different nodes that DG is connected under the minimum weighted load

表3为DG接入不同接入点时配电网节点电压分布，由表3可知分布式电源可以提高配电网电压水平，而且接入点越接近配电网末端时，电压改善效果越好.表4为DG接入不同接入点时配电网网损，由表4可知分布式电源还可以降低配电网网损，而且接入点越接近配电网末端，网损越小.节点4处于配电网的末端，电压处于越限状态，分布式电源接入该点电压改善最好，没有潮流反向，网损最小，所以该配电网中分布式电源的最佳接入点为节点4.

表3 DG接入不同接入点时配电网节点电压分布Tab.3 The node voltage distribution of distribution network when DG is connected to different access point

表4 DG接入不同接入点时配电网网损Tab.4 The distribution network loss when DG is connected to different access point

4.3 分布式电源最佳容量

已求出节点4为最佳接入点，因此在求该系统的最佳容量时，选节点4作为接入点.根据配电网中分布式电源高功率因数的要求，选取分布式电源功率因数为0.9.

图5为不同容量DG在加权最大负荷运行方式下电压的变化.由图5可知，在加权最大负荷运行方式下，分布式电源注入容量为29.9MW时，节点4的电压越限.图6为不同容量DG在加权最小负荷运行方式下电压的变化.由图6可知，加权最小负荷运行下分布式电源的注入容量为15.6MW时，节点4的电压越限，因此要使配电网在日负荷曲线下正常运行，分布式电源容量应小于15.6MW.

表5为不同容量DG在加权最小负荷运行方式下的潮流反向次数.由表5可知，分布式电源的容量不大于4.22MW时，反向潮流次数最小为0次；另根据PDG小于6.89MW，结合配电网在日负荷曲线下正常运行的分布式电源容量小于15.6MW，以及配电网损耗随分布式电源容量增加而降低特点，可知分布式电源的最佳容量为4.22MW，此时配电网有功功率损耗为2.76MW，无功功率损耗为7.43Mvar.

表5 不同容量DG在加权最小负荷运行方式下的潮流反向次数Tab.5 The change of reverse trend numbers with DG different capacities under the minimum weighted load

5 结束语

（1）分布式电源在加权最大、最小负荷运行方式下的最佳方式，能满足其在日负荷曲线下正常运行，并且网损和反向潮流次数最小，电压改善最佳.

（2）分布式电源可以提高配电网电压水平，而且分布式电源接入点越接近配电网末端，配电网电压升高效果越好.

（3）分布式电源接入配电网可以减少配电网的网损，而且接入点越接近配电网的末端，网损越小，提高了经济效益.

［1］张立梅，唐巍，赵云军，等.分布式发电对配电网影响的综合评估［J］.电力系统保护与控制，2010，38（21）：132－135，140.

［2］刘健，同向前，潘忠美，等.考虑过电压因素时分布式光伏电源的准入容量［J］.电力系统保护与控制，2014，42（6）：45－51.

［3］王韶，江卓翰，朱姜峰，等.记及分布式电源接入的配电网状态估计［J］.电力系统保护与控制，2013，41（13）：82－87.

［4］高志远，姚建国，等.智能电网发展机理研究初探［J］.电力系统保护与控制，2014，42（5）：116－121.

［5］叶德意，何正友，臧天磊.基于自适应变异粒子群算法的分布式电源选址与容量确定［J］.电网技术，2011，35（6）：155－160.

［6］Shukia T，Sinqh S，Srinivasarao V.Optimal sizing of distributed generation placed on radial distribution systems［J］.Electric Power Components and Systems，2010，38（3）：260－274.

［7］Silva M R，Vale Z，Ramos C.A probabilistic methodology for distributed generation location in isolated electrical service area［J］.Electric Power Systems Research，2010，26（2）：390－399.

［8］EI－Saadany E F，Atwa Y M.Distributed generation placement and sizing method to improve the voltage stability margin in a distribution system［C］／／Electric Power and Energy Conversion Systems，Sharjah，2011：1－7.

［9］郑漳华，艾芊，顾承红，等.考虑环境因素的分布式发电多目标优化配置［J］.中国电机工程学报，2009，29（13）：23－28.

［10］杨欢，赵荣祥，辛焕海.海岛电网发展现状与研究动态［J］.电工技术学报，2013，28（11）：95－105.

［11］陈燕东，罗安，彭自强，等.光伏并网发电与无功补偿的鲁棒预测控制［J］.电工技术学报，2013，28（11）：239－246.

［12］陈征，肖湘宁，路欣怡，等.含光伏发电系统的电动汽车充电站多目标容量优化配置方法［J］.电工技术学报，2013，28（6）：238－248.

［13］朱星阳，张建华，刘文霞，等.风电并网引起电网电压波动的评价方法及应用［J］.电工技术学报，2013，28（5）：88－98.

［14］夏成军，崔弘，王强，等.考虑静态安全约束的分布式电源准入容量计算［J］.电网技术，2009，33（16）：96－100.