分布式電源對主動配電網的電壓潮流分析

山西大學 ■ 薛太林 賀文彪 魏敏

0 引言

分布式電源(DG)作為國家電網能源來源的組成部分，以無污染、安裝方便等優勢獲得迅速的發展并走進大眾生活。但DG的大量接入改變了傳統無源配電網單一潮流流動方式，改變了配電網的電壓水平、提高了配電網的短路容量、增加了繼電保護策略的復雜度、影響了電網供電的可靠性，以及加劇了電能質量的惡化等[1,2]。由于配電網尚不能完全解決規模化DG帶來的穩態電壓和潮流分布的問題，于是在2008年，CIGRE和C6.11項目組提出了主動配電網(ADN)。ADN是可綜合控制分布式能源(DG、柔性負載和儲能)的配電網，可通過靈活的網絡技術實現潮流的有效管理，分布式能源在其合理的監管環境和接入準則基礎上對配電網系統承擔一定的支撐作用[3]。因此，在并網模式下，DG需根據ADN的系統要求，自主參與調節，這使DG的消納水平提升，有利于配電網安全可靠的運行[4]和環境問題的改善。

當大量DG接入配電網后，會使配電網的支路潮流[5]、節點電壓等發生變化，在不合理的位置接入容量不合適的DG可能會對電壓質量等產生不利影響，因此需要分析DG對ADN穩態電壓分布及網損變化的影響。

1 含DG的ADN潮流

隨著各種DG加入配電系統，出現了新的節點類型，使潮流計算變得更加復雜，導致傳統配電網中的潮流計算方法在含有高滲透率DG的ADN中并不適用，需要進行改進。潮流計算的方法主要有前推回代法、牛頓拉夫遜法、直接法、支路計算法、母線潮流計算法等[6,7]。由于牛頓拉夫遜法具有收斂更快、迭代次數更少等特點，在ADN的潮流計算中得到持續運用。

基于牛頓拉夫遜法的含DG的ADN潮流算法迭代步驟如圖1所示。

圖1 潮流算法迭代步驟

可由式(1)、式(2)求修正方程的常數項ΔPi(0)、ΔQi(0)：

式中，ψij為節點間角度相位差；ΔPi、ΔQi為潮流方程的差相量；Pi、Qi分別為各節點有功和無功功率；Ui、Uj為節點電壓；Gij、Bij分別為節點間互導納的實部和虛部；i、j為節點號(i、j=1 ···10，i≠j)。

修正量ΔUi(0)、Δψi(0)可由式(3)求得：

式中，Δψi、ΔUi分別為電壓的相位、幅值修正量；J為雅克比矩陣。

修正各節點的電壓向量可由式(4)求得：

式中，Ui(0)、ψi(0)為節點電壓向量的初值。

2 簡單配電網的穩定電壓分布

未接入DG的輻射狀ADN中饋線潮流方向單一，不存在功率分點，隨著潮流的方向節點電壓逐步下降。接入DG后，對其所在配電網的潮流會產生一定影響，這不僅會改變線路有功功率和無功功率的大小，有時甚至會改變部分支路的潮流方向。相應的，各節點電壓同樣會有一定程度的改變，如圖2所示。

圖2 DG對潮流和電壓分布的影響

為研究支路上各點電壓在接入DG后受到的影響程度，亦可采用電壓變化率ΔU來進行分析：

式中，為節點i處接入DG后的節點電壓；Ui為DG接入前的節點電壓。

ΔU越大，說明接入DG后該點電壓受到的影響越大。

3 仿真分析

本文為IEEE 10節點配電系統，通過改變接入地點與容量來反映分布式電源對電壓分布及線路損耗的影響，如圖3所示。支路編號1～10與該支路的受端節點號①～⑩保持一致。支路參數和母線負荷的配電系統數據見表1，節點⑩在某天的負荷變化情況見表2。對系統進行潮流計算和電壓計算，得出穩態電壓分布及網損的變化。

圖3 IEEE 10節點配電系統

表1 IEEE 10配電系統數據

表2 節點⑩日負荷變化表

3.1 并網情況下DG對ADN電壓及網損的影響

需進行兩種試驗來判斷DG對ADN電壓及網損的影響。1)DG容量不變，觀察DG接入位置的改變對ADN穩態電壓及網損的影響；2)DG位置不變，觀察DG容量的改變對ADN穩態電壓及網損的影響。

3.1.1 DG位置變化對ADN電壓的影響

并網情況下，DG容量標幺值取0.5。為了反映規律，不改變DG的容量，分別在節點⑤、⑦、⑩處接入DG，觀察對整個配電網電壓的影響。各節點的電壓變化如圖4所示。

由圖4可知，未接入DG時，節點③、⑤、⑦處電壓很低，處于安全運行的臨界位置；相反，接入DG后，大部分節點的電壓有所抬高，各節點電壓都有明顯改善。因此，接入DG能提高ADN的電壓水平。

3.1.2 DG位置變化對ADN線路網損的影響

在并網情況下，選取DG容量標幺值0.5，取節點⑤、⑦、⑧、⑩。DG接入位置改變時線路網損分布曲線仿真結果如圖5所示。

由圖5可知，網損的變化與DG的接入位置有關。仿真結果表明，在DG容量不變的情況下，網損的多少取決于DG的位置，距離平衡節點(節點①)越遠網損越少。

圖4 接入DG容量不變、接入位置改變后的電壓變化

圖5 接入DG容量不變、接入位置改變后的網損變化

3.1.3 DG容量變化對ADN電壓的影響

并網情況下，將DG安裝在節點⑨，對DG的出力進行隨機變動，分別取標幺值0.2、0.4、0.6、0.8、1.0。DG容量改變時電壓分布曲線仿真結果如圖6所示。

圖6 接入位置不變、DG容量改變后的電壓變化

由圖6可知，在DG接入位置不變的情況下，穩態電壓變化取決于DG的容量。DG的容量越大，對電壓的改善能力就越強，ADN整體電壓水平就越高。

3.1.4 DG容量變化對ADN線路網損的影響

在并網情況下，將DG安裝在節點⑩，對DG的出力進行隨機變動，分別取標幺值0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6。DG容量改變時線路網損分布曲線仿真結果如圖7所示。

圖7 接入位置不變、DG容量改變后的網損變化

由圖7可知，網損隨DG容量增大呈現先減小后增大的變化。在不改變DG接入位置的情況下，網損取決于DG的容量，但并不是DG容量越大越好。

3.2 DG的接入位置及容量確定方法

3.2.1 確定DG接入位置

在9個節點接入相同容量的DG，確定24 時段里支路出現最小網損的次數，仿真數據見表3。

表3 支路網損最小次數

在節點⑤⑥⑦⑧⑩都有網損最小次數，其中節點⑩出現12次網損最小次數。

圖8為達到網損最小時各節點24時段的線路損耗的變化曲線，可知在節點⑩各時段的線路損耗都較低。由于節點⑩出現最小網損的次數最多，因此確定節點⑩為DG的接入位置。

3.2.2 確定DG接入容量

DG接入配電網的容量影響網損的大小，隨著DG容量的增大，網損先減小后增大。圖7可知，接入容量標幺值為0.3時網損達到最小。

圖8 節點接入DG的24時段網損變化曲線

4 結論

本文基于IEEE 10節點配電系統，利用MATLAB仿真軟件，并結合多個仿真試驗，得出DG的接入對ADN穩態電壓分布和網損的影響，即：

1)在并網狀態下，電壓支撐取決于DG的容量和接入位置。DG越靠近線路末端，節點電壓變化越大，對線路電壓分布影響也越大。DG的容量越大，對電壓的改善能力就越強，ADN整體電壓水平就越高。

2)在并網狀態下，網損的變化與DG的位置和容量有關。在不改變DG容量的情況下，網損取決于DG的位置，距離平衡點越遠，網損越小；同時，網損的變化隨DG容量增大呈現先減小后增大的變化，但并不是DG容量越大越好。

[1] 潘超, 孟濤, 蔡國偉, 等. 含分布式電源的ADN雙層規劃模型[J]. 電測與儀表, 2015, 52(24): 19－23.

[2] 尤毅, 劉東, 于文鵬, 等. ADN技術及其進展[J]. 電力系統自動化, 2012, 36(18): 10－16.

[3]孫鳴, 譚佳楠, 戴詩朦, 分布式電源對ADN穩態電壓分布的影響研究[J].電器與能效管理技術, 2015, (23): 44－48.

[4]錢科軍, 袁越.分布式發電對配電網可靠性的影響研究[J].電網技術, 2008, 32 (11) : 74－78.

[5]陳海嵌, 陳金富, 段獻忠.含分布式電源的配電網潮流計算[J].電力系統自動化, 2006, 30(1): 35－39.

[6]唐小波,徐青山,唐國慶. 含分布式電源的配網潮流算法[J].電力自動化設備, 2010, 30(5): 34－37.

[7]夏沛, 汪芳宗.大規模電力系統快速潮流計算方法研究[J].電力系統保護與控制, 2012, 40(9): 38－40.