多个分布式电源接入对配电网的网损和电压的影响

王 灿1，王秋红1，唐 军，詹红霞，李 潮，梅 哲，邓 强

(1.重庆电力高等专科学校，重庆 400053；2.西华大学 电气与电子信息学院, 四川 成都 610039)

面对能源危机、环境污染以及经济发展的多重压力，可再生能源及其相关的分布式发电技术成为21世纪最具发展潜力的选择。特别是在我国的国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要(简称“十三五”规划)中，国家明确指出要将绿色发展、节能环保作为未来5年能源和电力发展的主基调，并着手大力发展清洁可再生能源。在此背景下，以太阳能、风能等清洁能源为主的分布式电源(distributed generation, DG)受到了广泛的关注和重视。DG是一种以分散的方式安装于用户侧的电源，主要以风能、太阳能、地热能、生物质能等一系列清洁能源为主。大规模的DG接入配电网会给配电网带来诸多益处，在削峰填谷、节省输变电投资、降低系统网损、节能减排等方面效果显著。但不合理的DG规划也会对配电网带来很多不利的影响，这些不利的影响主要体现在：用电低谷时会有大量多余发电量，可能出现馈线和变压器过载的现象；过量的DG接入会导致馈线出现过电压的风险大大增加；由于DG自身的不稳定性可能导致电能质量的下降超过预期；继电保护装置的误动作等。

基于以上背景，DG的接入对配电网的影响也就成了近年来电力行业专家学者关注和研究的热门话题。文献[1]对DG的概念和类型进行了介绍，并对DG的引入可能对配电网的网损、线路上的潮流、电压、电能质量、系统的保护和系统的可靠性等方面带来的有利和不利影响进行了概括性分析，为后面的研究提供了大体方向。文献[2]从DG的不同接入位置和容量角度出发，对DG接入后对系统的电压分布进行了分析。文献[3-5]针对DG的接入对系统的电压质量影响进行了相关的理论分析和仿真验证。文献[6-7]从DG接入对系统的保护影响角度出发进行了深入研究，指出DG的接入位置和容量是影响短路故障电流的关键。文献[8-10]在不改变系统现有保护配置的前提下，采用人工智能算法对DG的接入位置和最大准入容量进行了优化。文献[11]以DG接入后系统网损最小为优化目标，对DG的接入位置和容量进行了仿真研究。从以上研究可以看出，DG的接入位置和容量是影响其接入后系统的潮流流向、电压质量、故障电流、系统网损的关键因素。

在前人的研究基础上，本文在综合考虑DG接入的电流保护约束、电压约束、总容量约束，以及潮流等式约束等约束条件后，确定了DG的接入位置和容量，并以此建立了含多个DG接入后的配电网潮流计算模型。对该方案下DG接入后系统的网损和电压水平进行了分析。结果表明，合理规划DG的接入位置和容量能有效降低系统的网损，并提高系统的电压水平。

1 确定DG的候选站址

1.1 总体思路

如何确定多个DG的并网位置是研究其接入后对配电网影响的关键。为保证DG接入位置和容量的合理性，本文采用MATLAB编程的方法，综合考虑DG接入的电流保护约束、电压约束、总容量约束、潮流约束等与系统安全和稳定运行相关的必不可少的约束条件，以此筛选出接入总容量最大的一组接入方案。

1.2 约束条件

1.2.1 电流保护约束

电流约束主要考虑了DG接入对其上游、下游和相邻线路保护的影响，具体包括以下3个方面。

1) DG接入位置下游发生短路故障时，DG上游相关保护不拒动，即

(1)

2) 短路故障发生在DG接入点下游线路末端时，下游相关保护不误动，即

(2)

3) 当相邻线路出口故障时，DG支路保护检测到的流向故障点的方向电流不应造成该保护误动作，即

(3)

1.2.2 电压约束

根据相关的国家标准对DG接入后配电网电压做了如下约束[12]，即

0.93VN≤Vi≤1.07VN

(4)

式中：VN为标称电压；Vi为各节点电压。

1.2.3 总容量约束

DG接入的容量不超过线路的承载能力，根据相关标准对并网总容量作了如下约束[13]，即

0≤SDG，total≤25%Stotal

(5)

式中：SDG，total为系统接入的DG总容量；Stotal为系统的总负荷容量。

1.2.4 潮流等式约束

在DG并网后的正常运行状态下，其应满足基本的潮流等式约束，即

(6)

式中：Pi，Qi分别为节点i的有功和无功功率；Ui，Uj分别为节点i和j的电压幅值；Gij，Bij为支路ij的电导和电纳；δij表示电压的相角差；N为系统的总节点数。

1.3 DG接入位置和容量筛选流程

文章采用MATLAB编程的方法进行DG接入位置和容量的筛选，具体流程如图1所示。

图1DG接入位置和容量筛选流程

通过图1所示的流程就可筛选出满足各个约束条件的接入总容量最大的DG候选站址。

2 多DG并网后的潮流计算模型

对多个DG并网后进行潮流分析，是判断其接入后系统网损、电压水平的关键问题。目前使用最多的方法有直接法、前推回代法、牛顿拉夫逊法。在本文中为了便于在MATLAB中实现含多个DG的系统潮流计算，笔者选择了具有易编程、计算效率高等优点的前推回代法。以图2所示的简单馈线图为例，对传统的前推回代法潮流计算公式进行相关推导。

由图2(a)前推进行支路功率计算可得

(7)

其中

(8)

式中：i为节点数；P(i+1)，Q(i+1)分别为节点i+1处的有功和无功功率；PL,i，QL,i分别为节点i处的有功和无功负荷；ΔP(i)，ΔQ(i)分别为第i条线路的有功和无功损耗；Ri，Xi分别为修正后的第i条支路的电阻和电抗；Ui+1为节点i+1的电压。

(a)

(b)

图2前推回代法潮流计算

结合图2(b)的向量图可得各节点电压表达式

(9)

为在MATLAB中实现含多个DG接入下的潮流计算，对含多个DG的系统做了如下操作，具体步骤如下。

1)输入DG接入前系统的负荷参数矩阵Bus=[iPL,iQL,i]。

2)将各个DG接入的容量等效转换为PQ节点类型，若PDG，i≥PL，i则该节点等效为电源节点，等效电源的容量为{P=PDG，i-PL，i，Q=QDG，i-QL，i}；若PDG，i=PL，i则该节点等效为互联节点，流入和流出该节点的功率是平衡的；若PDG，i≤PL，i则该节点等效为负荷节点，等效负荷为{P=PDG，i-PL，i，Q=QDG，i-QL，i}[14]。由此得到含多个DG的负荷修正参数矩阵Bus′=[iPQ]。

3)输入含DG的系统阻抗修正参数矩阵Branch=[ijZij]。

4)带入公式(7)求解各支路的功率；带入公式(9)求解各节点的电压。

3 算例验证

为验证上述多个DG接入的候选站址筛选过程的正确性和可靠性，通过潮流计算对其接入后对系统的网损和电压的影响进行了算例验证，算例的建模和计算在如图3所示的IEEE33节点系统上完成的。取系统的基准容量SB=10 MVA；线路的基准电压VB=12.66 kV；平衡节点1的电压标幺值为1.0；系统的总负荷为(3 715+j2 300) kVA；初始的DG接入随机数组为2 000个(2 000×32的DG接入信息矩阵)；各母线负荷数据和支路参数详情参见参考文献[15]。

图3中CB1～CB7为对该系统配置的Ⅰ、Ⅲ段电流保护，保护的相关数据如表1所示[16]。

表1 DG接入前电流保护相应整定值

按图1所示的DG候选站址筛选流程得到的接入总容量最大(1 089.4 kVA)的具体方案如表2所示。

表2 DG的候选站址和容量分布

将表2中的DG接入方案按第2节所述的方法通过MATLAB进行潮流计算分析，得到的DG接入前后各支路网损(本文中特指有功网损)变化详细对比数据如表3所示，相应的网损变化对比图如图4所示。

表3 DG接入前后各支路网损变化详细对比数据

图4 DG接入前后各支路的网损变化

由表3和图4的数据分析可以看出，在本文的DG接入方案下，DG接入后在各馈线前段，大部分的支路网损下降较为明显，系统的总网损也有大幅下降，从接入前的202.6 kW下降到DG接入后的99.8 kW，降幅达到了50.74%。由此可见，合理安排DG的接入位置和容量，能大幅降低系统的网损。

潮流计算中得到的DG接入前后各节点电压标幺值的详细对比数据如表4所示，相应的节点电压标幺值变化如图5所示。

表4 DG接入前后各节点电压标幺值详细对比数据

图5 DG接入前后各节点的电压变化

结合图5和表4的数据可以看出，DG接入后，各节点的电压标幺值基本都有所提高，特别是对处于各馈线末端的节点，其提升效果尤为明显。数据表明，合理地规划DG的接入位置和容量大小能有效改善各馈线的电压水平，提升系统的稳定性。

4 结论

本文在综合考虑DG接入的电流保护约束、电压约束、总容量约束，以及潮流等式约束等约束条件后，通过MATLAB编程的方法，从众多的DG接入方案中，筛选出满足各个约束条件并且接入总容量最大的方案，作为DG接入的候选站址。并以此建立了含多个DG接入的配电网潮流计算模型，对IEEE33节点系统进行了算例验证。结论表明，在本文的DG接入方案下，系统的网损和电压水平均有大幅改善，验证了本方法的合理性和可行性，具有一定的参考价值。

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