电力系统中的分布式电源接入与管理

阳桂国

传统的配电网络依赖于分布式接入，难以实现网荷均衡，分布式电源（Distributed Generation，DG）的出力与负载的不确定，使得DG 对电力系统的影响更为严重［1］。分布式新能源在电网中的渗透性不断提高给电网的安全、稳定运行带来了巨大的冲击。因此，深入剖析其风险来源、探索适合其特点的电网风险评价方法是实现分布式新能源接入电网后实时掌握电网运行状况、防范电网风险、保障其安全稳定运行的关键。

1 分布式电源概述

1.1 分布式发电

按照发电使用的一次能源，可以将分布式电源分为两类：一类是可再生能源发电，例如风能发电、太阳能发电、地热能发电等；另一类是非可持续的发电方式，例如小燃气轮机发电、热电联产发电、冷热联产发电、燃料电池发电等［2］。分布式发电的特点是运行方式灵活，使用的能源是清洁环保的，设备的安装和维护方便，投资费用低、供电可靠性高，为清洁能源的有效使用开辟了一条新的道路。发展分布式电源是我国大规模电力系统的重要组成部分。

1.2 分布式电源

分布式电源是一种能独立供给负载的小规模电源系统［3］。伴随着清洁能源的持续发展，分布式发电的类型也在增加，按照对初始能量的利用情况不同，可划分为可再生与不可再生两类；按照分布式电力并网方式的不同，可以划分为直接并网发电和经逆变器的间接并网发电；根据产生的机理，可划分为太阳能、风能、生物质能、水力、潮汐能、地热能等。

2 分布式电源发电原理

2.1 光伏发电

图1给出了一种光伏发电较为常见的数学模型。

图1 光伏电池的数学模型

在图1中可以看到单个光电电池的数学模型，由并联的二极管D和串并联电阻组成，一般的输出电压在0.5 ～0.6 之间，太高的电压将导致二极管处于饱和状态。在图1 中，I表示的是太阳能电池内部的光产生的电流，它和外界的负载无关，只是正比于外界的光强。从图1 可以得出：

式（1）中exp［］表示电流指数曲线，n为结系数，m为光伏阵列所包含的光伏单元数目；Ua代表光伏阵列之输出电压，Ia代表光伏阵列之输出电流，Rs为最低阻值，Np为太阳能板的片极，K表示玻尔兹曼常数，Iph为光生电流，T代表温度。

2.2 风力发电

风力发电是风电机组以大自然中的风能为动力，将其吹送到风扇的叶片上形成机械能，再由机械传动及提速齿轮驱动发电机，从而实现发电的目的。当风流以v的速度通过具有A的流面，且空气密度为时，风中包含的能量P是：

Betz 和Glauert 等人的研究表明，对于无负荷运转的风扇，其最大输出是在来流场中，来流场速度在离开风轮后只有正常速度的三分之一时，即其最大输出功率［4］。风扇的最大输出可以用下面的公式表达：

式（3）中：Cp.max为最大能量利用率，Cp.max为0.59。由此可以看出，在风电生产的过程中，风机对天然风能的使用受到了限制。

2.3 微型燃气轮机发电

微型燃气轮机发电是一种比较常用的分布式发电，其主要用于热电联供发电系统，具有燃料适应性强、噪声小、无污染、发电系统体积小、操作和维护容易等特点，微型燃气轮机发电可以产生电能以及热能。图2 展示了一种微型燃气涡轮的结构，这种微型燃气涡轮的主体由用于压缩空气的压气机、用于加料的燃烧室、翘板式的回热室以及桨叶机构等组成。当传统的天然气、甲烷、柴油、汽油等燃料被用来进行加热时，其输出的能量通常很少，仅有几百千瓦，其转换效率仅为30%，而使用热电厂后，其转换效率可高达75%，极大地提升了能量的利用效率。

图2 微型燃气轮机结构

3 分布式电源接入对电网的影响

3.1 分布式电源接入对电网节点电压的影响

在配电网的结构中，电网的拓扑通常为放射形，潮流都是从变电站的母线到客户。一般将辐射式线路视为一条连通多个用户和负载的干线，每一负载和分枝都可视为一个结点，因此可以对辐射式线路进行模型化和仿真。通常情况下，配电网络中的电压沿线路潮流方向呈递减趋势，而由于多个结点接入的分布式能源将导致结点的真实电压与其标称电压有较大的差异。

DG 的加入引起了馈线上的电压上升：普通的配电网多为辐射型，在常规条件下，由于DG加入，整个配电网上的潮流都是单向的。因此，当DG 加入后，整个配网中的潮流将发生逆向流动，从而导致变电所的母线电压比使用者更低，这时各个结点的电压也将随之上升，这与DG 加入到配网中所处的地点及容量有关。

在10kV 及以下线路上的配电网中，通常线路载流量和所传送的负载都相对较低，所以可以忽略某些影响，进行如下的近似处理：

1）在配电网络中线路负载很少的情况下，地支路的导纳可以被忽视。

2）不计每一结点上负载的交互作用。

3）在每一条线中对其侧部的电压下降部分不加考虑，而只对其纵长部分进行考虑。

4）在电力系统中，一般采用标称电压而不是真实的电压来进行电力系统的潮流分析。

在图3 的网络节点模型中，1 和2 表示节点1 和节点2，P为功率，R为节点电阻，j表示节点支量，Q为负荷量，X为纵向分量。

图3 网络节点模型

在不计侧向成分的情况下，仅分析纵向成分的情况下，电压损失可以表达为：

式（4）中：UN表示系统的额定电压值。

对于节点2 有：

式（5）中，U0为基准点的电压。

如果在节点1 中插入DG，DG 的输出功率是Ps+jQs，那么节点1 上的电压变成：

同理，在结点2 上连接一个具有Ps+jQs，结点2 上的电压为：

3.2 分布式电源接入对电网网损的影响

由于在配电网进行电力传输的过程中，所传送的有功往往要比所传送的无功要大得多，所以在对配电网中的网损进行计算时，可以忽略无功损失，只将有功损失作为参考因素。当配电网不接入DG 时，其潮流方向是单向的，但DG 的引入将会使传统的DG 呈放射形分布，导致整个系统的潮流方向发生变化，并产生倒流现象与复杂的电压波动，并对整个DG 的网损产生影响。分布式能源接入电网时，其对潮流的影响有三种：

1）当DG 的出力小于系统中各结点的负载需要时，DG 的接入不会影响整个配电网络中的潮流规模和方向。

2）当一个结点加入了一个DG，其输出的电力超过了这个结点的负载要求，但是加入到整个结点的DG 的电力低于整个结点的负载要求时，DG 的加入将引起整个结点的反向流动，使得一些线路的网损增大，但是整个结点的网损却是很小的。

3）当接入的DG 中有一个或多个结点中有一个结点的DG，其输出的DG超过了结点的负载要求，并且接入到整个系统中的DG 的输出超过了整个结点中的负载要求时，则将电力通过变压器传输到上层网络，通常这类情况是不允许出现的。

通常情况下，电力流量越大电网损失就越大。在将分布式能源引入到配电网之后，由于其并网容量与系统负载之间的相对大小、并网位置、运行方式等因素，都会使系统线路的潮流走向和大小产生一定的变化，进而对网络损耗造成一定的影响。从DG 接入容量的角度来看，DG 接入容量较小可以降低线路的网损，但如果DG 接入的容量较大，在满足负载需求的同时还可以反向输送电力，就很有可能导致系统的网损增大。本项目拟利用分布式能源分布广泛、装机容量小、可就地消纳的优势，结合配电网的实际情况，对其接入地点及容量进行优化设计，实现对配电网的输电能力的提升。如果将一个分布式电源引入到一个分段中可以得到一个分段中的网络损耗的计算模型。

在接入电力系统之前，电力系统的网络损耗可以用公式（8）来表达：

当一个分布式电源被插入之后，一个线i节点的实际输入电力是：

第k段的网损计算模型如图4 所示。

图4配电网第k 段的网损计算模型

分布式电源接入后，第k段线路的网络损耗为：

式（10）中，Pik、Qik分别代表了在每一条线路上的结点i 上的有功、无功负载；PDG与QDG分别代表有功功率和无功功率；Ui代表在结点i 上的汇流排电压；Rk代表了线路中的k个分段的电阻。

因此，在将分布式电源引入到该系统之前和之后，该系统的网络损耗为：

4 算例分析

4.1 分布式电源接入对电网节点电压的影响及解决方式

4.1.1 在不与分布式电源连接的情况下，EE33 节点上的各个节点的电压分布

采用Matlab2016a 程序对逆向推进过程中的功率流进行了分析，得到了各个结点的电压值。接入分布式电源前各结点电压分布见图5。

图5 接入分布式电源前各节点电压分布

4.1.2 DG 在不同结点上的接入及其对结点电压的影响

利用Matlab2016a，对前推回溯的功率计算进行了程序设计，从而能够获得各个节点的电压。接入分布式电源后各节点电压分布如图6所示。

图6 接入分布式电源后各节点电压分布

由图5、图6 可知，当DG 加入该系统之后，该系统中每个结点的电压都有所改善，并且该结点的电压变动幅度与DG 加入该系统的地点相关。由于节点2 位于系统头端，当节点2 接入分布式电源后，对后面节点电压的变化并没有造成较大的影响，仅会造成后面各节点电压有所上升。结点9 位于结点2 之后，因为结点9 连接了一个分散的电力系统，所以结点的电压会大幅度提高。由图可见，当其靠近DG接入点时，节点电压升高幅度较大。研究表明，DG 的接入方式会对结点电压分布有一定的影响，若DG 与结点距离较近，对结点电压影响较小，反之，对结点电压影响较大。

4.1.3 DG 的接入能力对结点电压的作用

在本文，将节点18 选为分布式电源的接入点，不同容量的光伏接入18节点后各节点电压变化见表1。

表1 不同容量的光伏接入18节点后各节点电压变化

从表1 可以看出，接入系统的分布式电源容量增大时，各节点电压的值的变化将会更为明显，而在距离分布式电源接入点较远时则会减小。因此，分布式电源接入容量的大小会对系统中各个节点电压的变化产生影响，接入容量越大，各个节点电压的变化就会更大，反之则会更小。

4.1.4 处理方法

从上述研究中可以看出，在辐射型配电网络中，如果接入的DG 能量很大，当其后一级的DG 负荷为轻负荷，将会引起终端电压的超限以及显著的潮流反转，从而威胁到配电网络的安全。因此，需要对DG 接入后的配电系统进行科学的设计，以确保DG接入后的配电系统的安全、平稳。本文提供了以下的解决办法：

1）技术方面，一是在DG 的接入点或者系统的终端引入一个电抗进行补偿，在DG 的接入点或者是一个电网的终端上，调整这个电抗的参数，以吸附DG 的过剩电力，减小DG 的接入所造成的DG的上升；二是利用电压调节模式，对DG 接入点处的并网逆变装置进行调节，使得DG 的无功按照其所处的电压大小进行调节，保持DG 的运行在一个稳定区间；三是利用蓄能器，消除电网运行中出现的峰值和低谷，减少电网运行中可能出现的超限电压。

2）在经济性方面。因在进行分布式能源的并网规划时，要确保在不超出电网电压范围的情况下，将其接入电网的费用降到最低。一是将分布式电源模型纳人总体负荷预测系统及区域配电网负荷预测系统，综合考量分布式电源在停发、满发两种极端状态下对区域负荷的影响程度，提升对含分布式电源配电网规划工作的指导作用；二是摸清变电站布点周围适合于分布式电源建设选址的地点，根据自然资源分布情况和国家能源政策确定分布式电源的容量和位置，从技术角度进行分布式电源的最优容量和位置规划。

4.2 分布式电源接入对电网网损的影响及解决方式

针对DG 接入对电力网络网损的影响，拟采用IEEE-33 结点，将其划分成四条馈线供电线路，并分析其中一条线路（即馈线1）接入的地点及容量对DG 接入的影响。

4.2.1 DG 并网时各点对网损的影响

如图7 所示，本文选取馈线1 的各个节点来并入分布式电源，通过分析在这些不同节点上并入分布式电源来了解在不同节点的网损情况，将分布式电源的接入容量设置为5%，15%，45%，60%。通过对数据分析潮流计算，并将计算结果代入到公式（8）-公式（12）中，可以得出在各个节点上接入分布式电源之后，电网的网络损耗的变化曲线。

图7 馈线1不同节点接入分布式电源后电网网损情况

从图7 中可以看出，在太阳能电池进入的电力系统的容量很小的情况下，太阳能电池进入的地点离太阳能电池的终端更近，则电力网络的网损更低。在光伏并网容量很大的情况下，网损随各结点的接入点的分布呈U 形，在此情况下，只要有一个结点的接入点，网损会达到最小。

4.2.2 电力系统中DG 并网时的网损

通过对不同容量的分布式电源接入系统对电网网损的变化进行研究，可以得到不同容量的分布式光伏接入系统后电网网损的变化曲线，如图8 所示。

图8 馈线1不同容量的分布式电源接入后电网网损情况

5 结语

由图8 可以看到，随着接入分布式发电容量的增大，网络网损先降低后升高，即总有一个节点接入一定容量的分布式电源，可以使得网络网损最小。为了使电力系统的网损达到最优水平，需要考虑DG 的接入地点及容量，对DG 的并网进行合理的规划。

4.2.3 处理方法

在整个配电系统中，分布式发电系统的引入将大大减少配电系统的网损，提升配电系统的稳定性［5］。然而，当DG 接入区域的功率超过接入区域的负载能力时，会引起反向流动，增大电网损失，严重时还会引起继电保护故障。所以，在DG 接入后，必须充分考虑DG 接入的空间和地点，使DG 接入后的网络损耗最少。

1）在技术方法上，一是可以通过提高分布式供电的接入量，减少整个电网的网损；二是重新切改调整负载，当DG 的出力大时，加大负载，当DG 的出力小时，减少一些重要性质的负载，使DG的出力和负载相匹配；三是加装储能设备，在用电高峰期将储能设备中所储存的电力全部用来发电。

2）在经济效益上，一是可以通过激励方式，增加电力市场的需求；二是为电力客户提供分时定价，使其能够按照负载的变动趋势进行调节，使DG 的出力和负载更好地匹配；三是对装有储能设备的客户给予一定的补贴。

本文以DG 接入为切入点，通过对DG 接入的风险性分析，从DG 接入点的角度出发，深入探讨DG 接入对配电网的影响，提出DG 接入技术解决方案。通过对IEE33 节点的研究，发现分布式电源的接入对配电网节点电压和网络损耗都有较大的影响，而分布式电源接入的位置和容量又是对配电网节点电压分布和网络损耗的最主要的原因，所以，通过合理地配置分布式电源的接入，可以达到对能源的高效利用，减少由于分布式电源接入造成的配电网的风险。