分布式電源滲透率對10 kV配電網運行的影響研究*

王漢華，陳小明

（廣東電網有限責任公司韶關供電局，廣東韶關 512028）

0 引言

當前，全球化石能源日趨枯竭，環境污染問題日益嚴峻，推進風電、光伏等可再生能源的應用是實現能源可持續發展的重要舉措。隨著電力政策的放開，分布式電源(Distributed Generation，DG)以其投資成本低、發電方式靈活、綠色清潔等特點，受到了國內外廣泛關注[1-2]。

DG的應用主要以接入配電網運行為主，這樣既便于可再生能源的就地利用，又可以減少傳輸電能的損耗和延緩配電網的升級改造。DG的接入使單電源放射型的傳統配電網絡，變成多電源分散分布的有源網絡，使得配電網的潮流分布更加復雜多變，對配電網電壓質量、網絡損耗和繼電保護等造成影響[3-4]。隨著DG接入容量的增大，配電網的安全、經濟和可靠性受到了威脅[5-7]。文獻[8]在Digsilent平臺上仿真分析了分布式風電和分布式光伏接入對配電網靜態電壓穩定的影響；文獻[9]研究了分布式光伏接入后配電網網損的變化規律；文獻[10]基于威布爾—馬爾科夫模型進行了分布式電源多運行狀態的配電網可靠性分析。DG配電網的影響與其接入容量密切相關，文獻[11]以滲透率描述DG接入容量與系統負荷的關系，并研究DG滲透率對電壓的影響。上述研究往往通過仿真分析得到DG對配電網的影響規律，鮮有從機理上分析DG對配電網的影響。

因此，本文引入DG滲透率的概念，從機理上分析DG接入對配電網、電流和網絡損耗的影響，并以典型10 kV配電線路進行仿真，研究DG滲透率對配電網運行參數的影響規律，最后提出提升配電網DG消納能力的措施。

1 DG接入對配電網影響機理分析

如圖1所示，為DG接入10 kV配電網的簡化示意圖，其中，配電線路共有n個節點，節點i上的負荷為PLi+jQLi,；線路Li上的阻抗為Ri+jXi；饋線首端為該網絡的平衡節點，電壓幅值為V0，節點i的電壓幅值為Vi；DG接入節點為p，其輸出功率為PDG+jQDG。下面將從機理上分析DG接入對配電網電壓、電流和網損的影響。

圖1 DG接入配電網的簡化示意圖

1.1 對電壓的影響

配電網兩節點間電壓相角相差很小，因此忽略電壓降落橫分量，第m-1個和第m個節點的電壓降落縱分量為：

由式（3）可知，DG接入后對配電網電壓有抬升作用，DG接入容量越大，配電網電壓抬升效果越明顯。

1.2 對電流的影響

DG接入前線路Lm的電流為：

DG接入后線路Lm的電流為：

由式（5）可知，DG接入配電網后，對于DG接入節點后的線路電流沒有影響；對于DG接入節點前的線路，隨著DG接入容量的增大，線路電流逐漸減小，當DG接入容量足夠大，線路電流出現反向，并可能超過線路最大載流量。

1.3 對網損的影響

DG接入前，配電網的總有功損耗為：

由式（7）可知，隨著DG接入容量的增大，配電網線路總有功損耗先減小后增加：當DG接入容量較小時，DG接入配電網有利于減小有功損耗；當DG接入容量過大，DG接入配電網會增大配電網的有功損耗。

2 DG滲透率對配電網影響仿真分析

本文以一條實際配電線路仿真分析不同DG接入容量對配電網電壓、電流和網損等運行參數的影響。該配電網拓撲結構如圖2所示，其主干線總長度為10.5 km，配變總容量平均容量為300 kVA，配變負載率為35%，負荷平均功率因數為0.85。

本文采用滲透率描述DG接入容量的大小，滲透率定義為：DG總裝機容量與配電線路最大負荷的百分比，具體如式(8)所示：

式（8）中：δ為配電線路滲透比，PDGi為第i個DG的裝機容量，PLm為配電線路最大負荷。

隨著接入DG滲透率的變化，配電網的電壓、線路電流和網絡損耗等指標也呈現出特定的變化規律。本文利用在Matlab軟件調用Matpower工具箱進行潮流計算，設置DG滲透率分別為0%、10%、40%、70%、100%和130%，研究不同DG滲透率對配電網電壓、線路電流和網絡損耗等指標的影響。

圖2 典型10 kV配電線路結構

2.1 不同DG滲透率對電壓的影響

當DG在配電線路末端接入，DG滲透率為0%、10%、40%、70%、100%和130%不同情況下，配電線路主干沿線的電壓分布如圖3所示。

圖3 不同DG滲透率下配電網電壓分布情況

由圖3可見，無DG接入時，配電線路沿線電壓從饋線首端往線路末端逐漸減低，線路末端電壓偏低，存在電壓越下限的風險。DG接入配電網，對配電網電壓有抬升作用，DG滲透率越高，抬升效果越顯著。當無DG接入時對應線路沿線電壓最低，當DG滲透率為130%時對應線路沿線電壓最高。同時，隨著DG滲透率的增大，從饋線首端到線路末端沿線電壓分布存在三種情況：

①沿線節點電壓逐漸降低；

②沿線節點電壓先下降后上升；

③沿線節點電壓逐漸上升。

因此，當DG滲透率過大時，線路電壓從饋線首端到線路末端逐步升高，饋線末端成為電壓最高點，將最先面臨越上限的風險。

2.2 不同DG滲透率對線路電流的影響

當DG在配電線路末端接入，DG滲透率為0%、10%、40%、70%、100%和130%不同情況下，配電網最大的線路電流及其對應的線路如表1所示。

表1 不同DG滲透率下配電網線最大路電流變化情況

由表1可見，當無DG接入時，配電網最大線路電流為244 A，對應線路為L1，這是因為配電網所需功率均由變電站提供，功率流動方向從饋線首端向線路末端單向流動，即電流方向從饋線首端流向末端，此時最大線路電流位置位于饋線首端與第一個節點之間的線路L1；當DG接入配電網后，DG滿足部分負荷所需的功率，饋線首端下送功率減小，此時線路的最大線路電流有所下降，最大電流對應的線路仍為L1；當DG滲透率增大時，DG所發功率除了平衡負荷所需功率外，還將向饋線首端倒送功率，由于DG主要發有功功率，有功電流從DG接入節點向饋線首端流動，此時最大線路電流對應線路為DG節點與其相鄰上游節點之間的線路L31；隨著DG滲透率進一步增大，最大線路電流大于無DG接入時的情況，甚至可能超過線路的最大載流量，配電網存在電流過載的風險。

2.3 不同DG滲透率對有功損耗的影響

當DG在配電線路末端接入，DG滲透率為0%、10%、40%、70%、100%和130%不同情況下，配電網有功損耗變化情況如圖4所示。

圖4 不同DG滲透率下配電網網損變化情況

由圖4可見，隨著DG在配電線路中滲透率的提升，線路網損呈現先減少后增加的趨勢，這是由于容量較小的DG接入配電網，能滿足部分負荷所需的功率，線路流動功率減小，因此有功損耗降低；隨著DG滲透率持續上升，DG將向饋線首端倒送功率，線路流動功率增多，因而有功損耗逐漸上升。由圖4可知，配電線路存在最佳DG滲透率，在該滲透率下，配電網的有功損耗最低，節能降損效果最好。

通過上述分析可知，當DG滲透率較小時，DG接入可以改善配電網的運行狀況，體現為電壓升高、最大線路電流和有功損耗減小；當DG滲透率較大時，DG接入會惡化配電網的運行狀況，存在電壓越上限和電流過載的風險，系統安全性面臨威脅，而且有功損耗增加，系統運行經濟性變差。

3 分布式電源消納能力提升措施

隨著DG滲透率提高，配電網的運行面臨安全風險，運行的經濟性也將下降。這是限制配電網DG消納能力的主要因素。通過線路改造、安裝又在調壓變壓器和儲能裝置、對DG進行主動控制等措施，可有效提高配電網DG消納能力。

（1）線路改造

配電網一些老舊的配電線路，其導線截面積較小，電阻和電抗較大，載流能力較弱，極大地限制了DG的消納。可以通過改造部分線路，將鋼/鋁絞線等更換成電纜線路，加大導線截面積，提高線路的傳輸能力，降低功率倒送引起的電壓抬升，從而提高配電網DG消納能力。

（2）安裝有載調壓變壓器

過電壓問題是限制DG應用的主要因素之一。通過合理的調節有載調壓變壓器的抽頭，控制其二次側電壓，可使配電網電壓保持在規定范圍內，從而解決DG接入容量過大引起的過電壓問題，有效提高配電網DG消納能力。

（3）安裝儲能裝置

DG出力具有隨機性和波動性，其接入給配電網的安全穩定帶來嚴重的危害。儲能裝置可以通過充發電實現電能的跨時段轉移，進行“削峰填谷”：在DG出力大、負荷小時，進行充電，降低配電網電壓和電流過載風險；在DG出力小，負荷大時，進行放電，改善配電網的低電壓問題。

（4）對DG進行主動管理

部分DG具有無功輸出能力，通過對DG輸出無功功率的主動控制，當DG有功出力過大、負荷較小時，控制DG吸收無功功率；當DG有功輸出較小、負荷較大時，控制DG發出無功功率。這樣，可協調控制配電網的電壓，使配電網運行在最優狀態。此外，當DG的無功輸出不足以解決其并網引起的過電壓時，可通過主動削減DG的有功出力，將電壓維持在安全范圍內。可見，通過對DG進行無功輸出控制和有功削減等主動管理措施，可以提高配電網DG消納能力。

4 結語

（1）合理的DG滲透率對電壓有抬升作用，可以減小線路電流和網絡損耗，但過大的DG滲透率會引起電壓越限、電流過載和網損增加等問題，這成為限制配電網DG消納能力的主要因素。

（2）結合DG滲透率對配電網運行參數的影響規律，提出了配電網DG消納能力提升措施，可以指導配電網更加合理地進行DG規劃和管理。

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