融合網(wǎng)損約束的分布式電源容量優(yōu)化布置分析

范雪峰，夏懿，賈春蓉，宋汶秦

（甘肅省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，蘭州 730050）

融合網(wǎng)損約束的分布式電源容量優(yōu)化布置分析

范雪峰，夏懿，賈春蓉，宋汶秦

（甘肅省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，蘭州 730050）

針對(duì)城網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)的不同負(fù)荷情況，構(gòu)建典型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在分布式電源接入技術(shù)相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，通過分布式發(fā)電系統(tǒng)接入的靜態(tài)電壓穩(wěn)定的仿真計(jì)算，對(duì)分布式電源接入后對(duì)配電網(wǎng)的影響進(jìn)行分析；從提升有利影響的角度出發(fā)，提出分布式電源接入的限制條件及優(yōu)選策略。研究表明，在配電網(wǎng)中引入適當(dāng)容量的分布式電源對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性不會(huì)產(chǎn)生影響，反而可以有效減少電力傳輸時(shí)功率的損耗以及由配網(wǎng)升級(jí)帶來的費(fèi)用，提高供電可靠性。

分布式電源；準(zhǔn)入容量；配電網(wǎng)；仿真；網(wǎng)絡(luò)損耗

目前，以集中式發(fā)電及大電網(wǎng)為基礎(chǔ)大力發(fā)展分布式發(fā)電技術(shù)，構(gòu)建混合型網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了未來電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1，2]。分布式電源DG（distributed generators）是指分散布置在用戶附近，既可獨(dú)立于公共電網(wǎng)直接為少量用戶提供電能，也可將其接入配電網(wǎng)絡(luò)，與公共電網(wǎng)一起共同為用戶提供電能的中小型發(fā)電裝置[3]。分布式發(fā)電設(shè)施主要包括：光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、生物質(zhì)發(fā)電裝置以及儲(chǔ)能裝置等[4]。各類分布式發(fā)電設(shè)備按照并網(wǎng)接口的不同可以分為同步電機(jī)并網(wǎng)、異步電機(jī)并網(wǎng)和逆變器并網(wǎng)三類。

隨著單位千瓦電能生產(chǎn)價(jià)格的不斷下降以及分布式能源政策的有力支持，分布式發(fā)電技術(shù)在我國正得到越來越廣泛的應(yīng)用。相比較大規(guī)模的集中式能源，DG接入配網(wǎng)的運(yùn)行模式更為靈活，可以根據(jù)負(fù)荷水平更有針對(duì)性地配置分布式電源，提高電能質(zhì)量和供電服務(wù)水平。但目前國內(nèi)針對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)的容量優(yōu)化布置方面的研究較少，無法適應(yīng)分布式電源的蓬勃發(fā)展。

為充分利用配電網(wǎng)中的DG，最大化輸出功率，本文提出一種多約束條件下的分布式能源容量優(yōu)化方法，分析并網(wǎng)DG的輸出模型以及DG的引入對(duì)配電網(wǎng)的影響，可在提高分布式能源滲透率的同時(shí)，保證配電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。研究分布式電源容量在配電網(wǎng)中的優(yōu)化配置，為合理開發(fā)利用分布式電源提供技術(shù)指導(dǎo)，有助于推動(dòng)區(qū)域分布式能源的開發(fā)利用，提供更為清潔、優(yōu)質(zhì)、可靠的電能。

1 DG并網(wǎng)影響分析

1.1 DG并網(wǎng)模型

風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電等DG受到外界環(huán)境和氣候因素影響較大。文獻(xiàn)[5]提出了風(fēng)速與功率輸出關(guān)系的模型；文獻(xiàn)[6]討論了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出與光照強(qiáng)度、光伏電池組件面積及光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系。受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和風(fēng)速等條件的制約，DG的輸出功率有限。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路包括光伏電池、逆變器和濾波器等部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用單位功率因數(shù)控制策略進(jìn)行并網(wǎng)控制[8]，實(shí)現(xiàn)恒定的PQ輸出。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)Fig.1 M ain circuit structure of photovoltaic system

風(fēng)電機(jī)組可以按照運(yùn)行方式、控制方式或風(fēng)電機(jī)類型的不同進(jìn)行分類。按照發(fā)電機(jī)類型可以分為基于普通異步發(fā)電機(jī)（無電力電子變頻器）、基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（采用部分功率電力電子變頻器）和基于多極同步電機(jī)（采用全功率電力電子變頻器）的風(fēng)電機(jī)組[9]。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)DFIG和電網(wǎng)之間的“柔性連接”。

圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structureof double-fed induction wind power system

1.2 并網(wǎng)DG對(duì)配電網(wǎng)電壓影響

傳統(tǒng)配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，電壓沿饋線的潮流方向逐漸降低。DG并網(wǎng)改變了原有潮流狀態(tài)，在穩(wěn)態(tài)情況下（假設(shè)負(fù)荷恒定不變），由于饋線上的傳輸功率減少以及分布式電源輸出的無功支持，使得沿饋線的各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓有所提高。DG并網(wǎng)配電網(wǎng)科化電路如圖3所示。

圖3 DG并網(wǎng)配電網(wǎng)簡(jiǎn)化電路Fig.3 Sim plified circuitof distribution network w ith DG

當(dāng)線路中潮流為P+j Q時(shí)，線路首端電壓為

由式（1）和式（2）可知，DG容量與接入位置對(duì)配網(wǎng)電壓偏差均有密切關(guān)系。DG的定容與建設(shè)地址的不當(dāng)可能會(huì)造成電壓偏差過大，造成電能質(zhì)量問題，超出相關(guān)導(dǎo)則要求，從而影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 并網(wǎng)DG對(duì)配網(wǎng)網(wǎng)損的影響

由于線路電阻及電網(wǎng)電流影響，配電網(wǎng)中電能傳輸會(huì)有相應(yīng)的損耗。DG并網(wǎng)將會(huì)減少負(fù)荷從原線路中獲取的功率，由于電流的降低原線路的損耗就會(huì)相應(yīng)降低。其DG并網(wǎng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 含DG配電網(wǎng)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)Fig.4 Sim plified structure of distribution network w ith DG

圖4中，L為電源到負(fù)荷的距離，M為電源到DG的距離。DG接入前后線路平均電壓V基本無變化，線路負(fù)荷Sload=Pload+Qload，線路單位長度阻抗為r，Ω/km，其中I˙s=I˙l-I˙dg。

DG的接入使得整條線路的網(wǎng)絡(luò)損耗分為兩部分，一部為由電源至DG處線路上的有功損耗Pl1，另一部分為DG至負(fù)荷之間線路上的有功損耗Pl2。

其中：

由式（6）可知，DG接入后網(wǎng)絡(luò)損耗受到的主要影響是由Pdg、Qdg及M產(chǎn)生，即由DG的容量與選址位置所決定。當(dāng)接入位置固定時(shí)，只要小于后續(xù)負(fù)荷功率，網(wǎng)絡(luò)損耗只會(huì)減少；而當(dāng)DG容量持續(xù)增大時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)損耗也會(huì)隨著呈增加的趨勢(shì)。

2 多約束優(yōu)化容量方法分析

2.1 配電網(wǎng)模型約束條件

中壓配電網(wǎng)典型供電模型基本元素包括變電站選取條件和線路基本屬性兩個(gè)方面。變電站選取條件主要包括變電站位置、變電站出線、負(fù)荷水平等；線路基本屬性方面包括線路型號(hào)、主干長度、線路全長和負(fù)荷水平等。中壓配電網(wǎng)典型供電模型基本元素構(gòu)成情況如圖5所示。

圖5 中壓配電網(wǎng)典型供電模型基本元素Fig.5 Basic elementsof the typicalpower supplymodel ofmedium voltage distribution network

根據(jù)以上基本元素構(gòu)建配電網(wǎng)模型，進(jìn)行分布式電源接入容量分析。對(duì)容量接入的邊界條件進(jìn)行界定如下。

（1）忽略饋線逆功率限制時(shí)分布式電源可接入的最大容量。

在不考慮饋線逆功率限制時(shí)，將出現(xiàn)功率倒送的情況，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)損耗大小及電壓偏差需經(jīng)計(jì)算確定，通過準(zhǔn)確模擬分布式發(fā)電場(chǎng)的動(dòng)作特性，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）忽略逆潮流時(shí)的分布式電源接入容量限制。

2.2 多約束DG容量優(yōu)化方法

DG接入的容量主要受到各電壓等級(jí)變電站的母線電壓以及并網(wǎng)線路的聯(lián)絡(luò)線功率的影響。這里考慮利用改進(jìn)連續(xù)潮流計(jì)算法，通過電壓偏差和網(wǎng)絡(luò)損耗等條件的約束進(jìn)行分布式電源最佳容量的確定。通過改進(jìn)潮流算法確定DG接入的最大容量，主要是對(duì)步長控制環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，來提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。為使DG的自切動(dòng)作發(fā)揮作用，應(yīng)該控制DG出口母線的預(yù)測(cè)電壓V(1)恰好等于其保護(hù)動(dòng)作電壓V，即滿足

式（1）經(jīng)過簡(jiǎn)單變換，得出使得DG恰好發(fā)生自切動(dòng)作的步長估計(jì)值為

式中：V表示該DG保護(hù)動(dòng)作電壓；V0表示該DG出口母線的電壓幅值；d V表示預(yù)測(cè)出的該母線電壓幅值的變化率。其容量計(jì)算具體流程如圖6所示。

圖6 多條件下容量計(jì)算流程Fig.6 Flow chartof capacity calculation undermany conditions

該方法通過連續(xù)潮流分析獲取DG最大接入容量，在保證電壓偏差處于相關(guān)導(dǎo)則要求的前提下分析其網(wǎng)絡(luò)損耗情況，判斷其網(wǎng)損最低點(diǎn)時(shí)DG接入容量，從而確定DG接入配電網(wǎng)的最佳容量。

3 算例結(jié)果與分析

分析區(qū)域內(nèi)具有較高密度負(fù)荷的城網(wǎng)及較低密度負(fù)荷的農(nóng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分別選取典型110 kV變電站下的10 kV配電網(wǎng)線路作為研究對(duì)象，構(gòu)建配電網(wǎng)典型網(wǎng)架模型。綜合考慮前面各項(xiàng)基本元素，確定典型變電站及配電網(wǎng)線路，以此通過仿真軟件構(gòu)建中壓配電網(wǎng)的典型網(wǎng)架模型。

選取10 kV線路為主要研究對(duì)象，中壓配電網(wǎng)不同電網(wǎng)情況的線路參數(shù)如表1所示。

表1 不同電網(wǎng)情況線路參數(shù)Tab.1 Line parametersof differentgrids

由表1中線路參數(shù)，構(gòu)造的高負(fù)荷城網(wǎng)典型線路模型如圖7所示，低負(fù)荷農(nóng)網(wǎng)網(wǎng)架的典型線路模型如圖8所示。

圖7 高負(fù)荷城網(wǎng)典型網(wǎng)架及線路仿真模型Fig.7 Simulationmodelof typicalpattern and circuit of high load in urban power grid

圖8 低負(fù)荷農(nóng)網(wǎng)典型網(wǎng)架及線路的仿真模型Fig.8 Simulationmodelof typicalpattern and circuitof low load in ruralpower grid

3.1 靜態(tài)電壓穩(wěn)定條件

通過仿真可知，對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定而言，在考慮導(dǎo)則要求后，如果饋線所帶負(fù)荷水平較高，分布式電源不同接入位置不會(huì)對(duì)最大準(zhǔn)入容量造成影響，其接入容量取決于上級(jí)變電站的最大負(fù)荷；如果饋線所帶負(fù)荷水平較低，分布式電源不同功率因數(shù)不會(huì)對(duì)最大準(zhǔn)入容量造成影響，接入位置則會(huì)對(duì)最大準(zhǔn)入容量產(chǎn)生較大影響，距離線路首端越近則接入容量越大。分布式電源最大準(zhǔn)入容量見表2。

表2 分布式電源最大準(zhǔn)入容量Tab.2 M aximum penetration levelof the DG MW

3.2 網(wǎng)絡(luò)損耗條件

在分布式電源容量小于電網(wǎng)的負(fù)荷總量，單個(gè)分布式電源不會(huì)因?yàn)楹拓?fù)荷的不匹配引起線路流動(dòng)功率大規(guī)模提升的情況下，分布式電源的引入實(shí)現(xiàn)了功率的本地平衡，能夠減小線路損耗[9]。由于選取的兩個(gè)區(qū)域的負(fù)荷大小不一樣，因此分布式電源接入后對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損影響的趨勢(shì)各有不同。通過對(duì)不同類型分布式電源及不同接入位置時(shí)產(chǎn)生的網(wǎng)損情況進(jìn)行分析，確定可接入的最佳容量，其結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

圖9 高負(fù)荷城網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗情況Fig.9 Power grid lossofhigh load in urban power grid

圖10 低負(fù)荷農(nóng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗情況Fig.10 Power grid lossof low load in ruralpower grid

當(dāng)接入的分布式電源在線路不同位置時(shí)，網(wǎng)損受負(fù)荷分布的影響較大，當(dāng)負(fù)荷平均分布在線路上時(shí)，通過接入點(diǎn)的后移可有效降低網(wǎng)絡(luò)損耗。但是當(dāng)分布式電源接入到線路支路時(shí)，由于受到線徑的影響，則網(wǎng)損也會(huì)增大。

DG接入配電網(wǎng)的容量不同，其對(duì)網(wǎng)絡(luò)損耗影響情況也不盡相同。隨著接入容量由0開始增大至最大接入容量，仿真得到的網(wǎng)損結(jié)果分別如表3和表4所示。可見，隨著接入容量的增大，網(wǎng)損均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，而城網(wǎng)情況下接入容量為3.38MW和農(nóng)網(wǎng)情況下接入容量為0.30MW時(shí)網(wǎng)絡(luò)損耗最小。當(dāng)分布式電源接入容量大于線路所帶負(fù)荷時(shí)，則網(wǎng)絡(luò)損耗將會(huì)增大，此時(shí)主要是由于出現(xiàn)功率倒送而造成的。

表3 負(fù)荷較大區(qū)域隨DG接入容量變化網(wǎng)損情況Tab.3 Power grid lossof larger load areaw ith the acceptanceof DG MW

表4 負(fù)荷較小區(qū)域隨DG接入容量變化網(wǎng)損情況Tab.4 Power grid lossof smaller load areaw ith the acceptance of DG MW

通過以上幾點(diǎn)分析，分布式電源直接接入變壓器出口母線對(duì)線路上的網(wǎng)絡(luò)損耗影響不大，但接入線路上可有效降低線路損耗，且分布式電源越接近線路末端，接入容量越大，功率因數(shù)越高，負(fù)荷越能分散就地平衡，線路的網(wǎng)損越小，經(jīng)濟(jì)效益越高。

4 結(jié)論

（1）提出了分布式電源容量的優(yōu)化流程，通過不同容量分布式電源接入配電網(wǎng)不同位置的網(wǎng)損計(jì)算，分析接入配電網(wǎng)的分布式電源最佳容量。在城網(wǎng)情況下，分布式能源接入最大容量取40%、農(nóng)網(wǎng)情況下接入最大容量的16%為宜，可保證不會(huì)造成潮流方向發(fā)生變化，且網(wǎng)絡(luò)損耗較小。

（2）通過分析可知，在配電網(wǎng)中引入適當(dāng)容量的DG對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性不會(huì)產(chǎn)生影響，反而可以有效減少電力傳輸時(shí)功率的損耗以及由配網(wǎng)升級(jí)帶來的費(fèi)用。當(dāng)分布式電源接入容量大于線路所帶負(fù)荷時(shí)，分布式電源的引入使得配電網(wǎng)從無源變?yōu)橛性矗淖兙€路潮流方向，從而增大配電網(wǎng)損耗，這在一定程度上制約了分布式電源的推廣應(yīng)用。

（3）本研究對(duì)于確定分布式電源接入配電網(wǎng)的容量，在提高清潔能源利用率、電網(wǎng)資產(chǎn)利用率、電網(wǎng)供電質(zhì)量及供電可靠性等方面起到積極的作用，可以作為智能電網(wǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)有效手段。

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AnalysisofOptimalPlacementof Distributed Generation Capacity w ith Lim ited Power Grid Lose

FANXue-feng，XIA Yi，JIAChun-rong，SONGWen-qin
（Gansu Electric Power Research Institute of Economicsand Technology，Lanzhou 730050，China）

This paper presents a typical distribution of grid structure according to different load areas.Based on the specification of distributed power access technology，the influence of grid-connected distributed generation on power distribution isanalyzed through the simulation of static voltage stability.From the viewpointofenhancing the beneficial effects，the restriction and optimization strategy for the access of distributed power are proposed.The results show that the proper access of distributed power capacity can notaffect the stability ofwhole distribution grid.It can effectively reduce the power loss of power transmission and the costs caused by the upgrade of distribution power grid，which can improve the reliability ofpowersupply.

distributed generators；allowed capacity；distribution network；simulation；power loss

TM71

A

1003-8930（2013）05-0121-06

范雪峰（1971—），男，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃工作。E－mail：13609396726@163.com

2013-05-03；

2013-06-07

夏懿（1974—），男，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃工作。E－mail：13919399798@163.com

賈春蓉（1973—），女，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃工作。E－mail：jcr730200@163.com