分布式电源接入对配电网电压稳定性的影响

张 师，李卫国，田 蕾，赵天晓

(1. 东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012； 2. 国网黑龙江省电力有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090; 3. 国网吉林省电力有限公司辽源供电公司，吉林 辽源 136200)

分布式电源接入对配电网电压稳定性的影响

张 师1，李卫国1，田 蕾2，赵天晓3

(1. 东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012； 2. 国网黑龙江省电力有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090; 3. 国网吉林省电力有限公司辽源供电公司，吉林 辽源 136200)

分布式电源 (distributed generation，DG) 接入配电网对系统电压稳定性有较大影响，其影响机制值得深入研究。推导电压稳定H指标，并结合L指标深入分析DG接入对系统电压稳定的影响机制，并给出提高电压稳定性的措施。由分析可知：线路流过的功率、电压降落纵分量均与电压稳定性呈正相关，合理调节DG功率因数可有效提高配电网电压稳定性。IEEE 33节点配电网系统算例验证了所得结论的有效性。

分布式电源 (DG)；配电网；电压稳定指标；电压降落；功率因数

0 引言

随着配电网用电需求的增加与分布式电源(distributed generation，DG)技术的日趋成熟，越来越多的DG接入配电网。随着DG并网容量的增加及配电网电压失稳事故的频频发生，DG接入对配电网电压稳定性的影响引起了国内外学者们的广泛关注[1-6]。

目前关于DG接入配电网系统的电压稳定研究已经取得了一些成果。文献[7]基于潮流可解性和负荷电压特性建立了电压稳定指标，并给出配电网电压稳定的判据。文献[8]建立了含小型光伏发电的配电网模型，并研究了不同天气类型下配电网的电压稳定性。文献[9]采用改进遗传算法以电压稳定裕度指标作为优化目标，对发电机电压、变压器变比及无功补偿容量进行优化，可以提高电压稳定性并降低网损。文献[10]简化了L指标，并结合L-Q灵敏度，提出了电压稳定L指标的在线监控方法。在现有的研究成果中，大部分都是基于仿真分析来提高含DG的配网电压稳定性，或采用智能算法优化配网电压稳定指标，未见关于DG并网对配网电压影响机制的深入分析[11-13]。

基于此，本文首先推导电压稳定L指标及判据，并提出新的电压稳定H指标及判据；基于电压稳定指标分析DG接入对电压稳定的影响机制；最后，通过IEEE 33节点配电网系统加以验证。

1 配电网电压稳定指标

1.1基于潮流可解的电压稳定L指标

系统中任意两个相邻节点i和j，假设功率从i节点流向j节点，则i节点和j节点电压的关系可表示为

(1)

(2)

式中：Ui为i节点电压幅值；Uj为j节点电压幅值。

式(2)可化简为

(3)

若Uj有解，则根据一元二次方程根判别式可知

(4)

将式(4)化简可得

(5)

因此可得出电压稳定L指标：

(6)

如果L≤1，则Uj有解，电压稳定；如果L>1，则Uj无解，电压不稳定。

1.2基于伏安特性的电压稳定H指标

动态过程中，当潮流可解时，系统也可能电压失稳，因此，需要基于伏安特性研究系统动态过程的电压稳定性。

图1为i、j节点电压向量图。根据图1可得知从i节点流向j节点的电流Iij与受端电压Uj的关系：

(7)

图1 节点i、j的电压向量图Fig.1 Voltage vector diagram of node i and node j

式中：Zij为i、j节点间阻抗；δ为i、j节点电压相角差。

另外，Iij与受端电压Uj的关系还满足

(8)

式中Sj为ij支路末端的视在功率。

从图2所示伏安特性曲线可看出，A和B分别为稳定平衡点和不稳定平衡点。设两条曲线的斜率分别为k1和k2，在稳定平衡点A，两条曲线的斜率满足

(9)

图2 伏安特性曲线Fig.2 Volt ampere characteristic curve

在不稳定平衡点B，两条曲线的斜率满足

(10)

根据式(8)，对Uj求导，可得|k1|：

(11)

根据式(7)，对Uj求导，可得|k2|：

(12)

根据以上分析可以得出电压稳定H指标：

(13)

若H<1，电压稳定；若H>1，电压不稳定。

2 DG对配电网电压稳定的影响

由式(6)可看出，节点注入的有功功率和无功功率发生变化会影响电压稳定L指标，当PjXij=QjRij时，L可简化为

(14)

可看出，线路电压降落纵分量与L呈正相关：线路流过的功率小，L越小。

电压稳定H指标如式(13)所示，可看出：支路流过的功率、支路阻抗均与H呈正相关。线路流过功率增加和支路阻抗增加均会降低电压稳定性。式(13)还可表示为

(15)

式中：ΔU为ij支路电压降落纵分量；δU为ij支路电压降落横分量。

δU越大，H越大，δU可表示为

(16)

当Sj一定，δU为0时，H指标最小，此时有PjXij=QjRij。

根据以上分析可知，降低线路流过的功率或减小线路阻抗均有利于提高电压稳定。当线路流过的Sj为定值，若PjXij=QjRij，电压稳定H指标最小。

3 算例分析

以IEEE 33节点配电网系统为例，分析分布式电源对配电网电压稳定的影响，原始系统如图3所示，该系统的电压稳定L指标和H指标如图4所示。

图3 IEEE 33节点配电网Fig.3 IEEE 33 node distribution network

图4 IEEE 33节点系统电压稳定指标Fig.4 IEEE 33 node system voltage stability index

图5 不同DG功率因数下各节点的电压稳定H指标Fig.5 Voltage stability H index of each node under different DG power factors

设在33节点接入1 MV·A的DG，计算不同DG功率因数下系统各支路电压稳定H指标，如图5所示。

33节点接入了0.6+j0.4 MV·A的负荷，随着DG功率因数的升高，32支路(32-33线路)流过的功率逐渐减小，H逐渐减小，当32支路流过功率与电压降落横分量均较小时，32支路的H出现最低点。此外，其他支路的H与线路流过功率和电压降落呈正相关。

系统各支路电压稳定L指标如图6所示。从图6也可看出，32支路的L值也随着DG功率因数升高，先降低后升高。33节点处DG功率因数变化，改变了其他支路流过的功率和电压降落横分量。

基于以上分析可知，系统电压稳定与各支路流过的功率、电压降落横分量均有较大关系：线路流过的功率越小，电压稳定性越好。当线路流过功率受限时，通过合理调节DG功率因数可有效改善系统电压稳定性。

图6 不同DG功率因数下各节点的电压稳定L指标Fig.6 Voltage stability L index of each node under different DG power factors

4 结论

本文基于伏安特性推导了电压稳定H指标，并结合电压稳定L指标深入分析DG接入对配电网电压稳定的影响机制。通过本文的分析可知，减小支路功率有利于提高该支路的电压稳定性；合理调节DG功率因数，从而减小电压降落横分量，可有效改善系统电压稳定性。通过IEEE 33节点配电网系统算例验证了本文结论的有效性。

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张 师

(编辑 谷子)

EffectofDistributedGenerationonVoltageStabilityofDistributionNetwork

ZHANG Shi1, LI Weiguo1, TIAN Lei2, ZHAO Tianxiao3

(1. School of Electric Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150090, Heilongjiang Province, China; 3. Liaoyuan Power Supply Company of State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Liaoyuan 136200, Jilin Province, China)

The distributed generation (DG) access in distribution network has a great influence on the voltage stability of the distribution system, whose influence mechanism is worth further studying. This paper derives the voltage stability H index, and analyzes the influence mechanism of DG on the system voltage stability with the L index, and presents the measures to improve the voltage stability. The analysis results show that: the power and voltage drop across the lines are positively correlated with the voltage stability, and the reasonable adjustment of the DG power factor can effectively improve the voltage stability of distribution network. The validity of the conclusion is verified by the example of IEEE 33 node distribution network system.

distributed generation (DG); distribution network; voltage stability index; voltage drop; power factor

TK 01;TM 71

： A

： 2096-2185(2017)04-0036-04

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.04.006

广东电网有限责任公司科技项目(GDKJQQ20152044)

2017-04-25

张 师(1989—)，男，硕士，助理实验师，研究方向为电力系统稳定与控制，zs472254835@126.com；

李卫国(1970—)，男，硕士，高级实验师，副教授，研究方向为电力系统规划，1677493048@qq.com;

田 蕾(1982—)，男，硕士，助理工程师，研究方向为配电网规划，tianleiguojiadw@163.com；

赵天晓(1989—)，男，学士，助理工程师，研究方向为电力系统稳定与控制，292511009@qq.com。