分布式風(fēng)光儲(chǔ)對中壓配電網(wǎng)的影響

張 師，劉競澤，田 蕾，鄂立順，于 躍

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090； 3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林 132001; 4.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司綏化供電公司，黑龍江 綏化 152000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民用電量不斷增多，配電網(wǎng)供電可靠性與電壓質(zhì)量問題日益凸顯，需要接入分布式電源以提高供電可靠性并改善配電網(wǎng)低電壓問題[1-3]。

分布式風(fēng)光儲(chǔ)接入配電網(wǎng)可以緩解風(fēng)電和光伏功率隨機(jī)波動(dòng)對電網(wǎng)造成的消極影響，提高風(fēng)電和光伏的利用率[4-6]。風(fēng)能和太陽能作為分布最廣泛的可再生能源，利用其形成分布式風(fēng)光儲(chǔ)接入配電網(wǎng)是多能互補(bǔ)技術(shù)的典型應(yīng)用模式[7]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于分布式風(fēng)光儲(chǔ)接入配電網(wǎng)方面的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，文獻(xiàn)[8]推導(dǎo)了電壓穩(wěn)定H指標(biāo)，并結(jié)合L指標(biāo)深入分析分布式電源接入對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響機(jī)制，并給出提高電壓穩(wěn)定性的措施；文獻(xiàn)[9]將理論分析與仿真分析相結(jié)合，研究了分布式儲(chǔ)能在不同位置接入后對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響；文獻(xiàn)[10]通過研究表明對地方性電廠的出力進(jìn)行重新分配可減小系統(tǒng)網(wǎng)損指標(biāo)、電壓偏移指標(biāo)及電壓穩(wěn)定L指標(biāo)。綜上可知，合理布置分布式風(fēng)光儲(chǔ)會(huì)使配電網(wǎng)電壓質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性得到有效改善。關(guān)于風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合接入配電網(wǎng)系統(tǒng)方面的研究也取得了一些成果，如分析風(fēng)光儲(chǔ)接入對系統(tǒng)調(diào)峰能力的影響[11]、風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)接入的最優(yōu)化調(diào)度方法[12]和風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[13]。但未見風(fēng)光儲(chǔ)接入對配電網(wǎng)的影響機(jī)理研究，而隨著配電網(wǎng)中多種電源的分布式接入，分布式風(fēng)光儲(chǔ)接入配電網(wǎng)是一項(xiàng)值得深入研究的工作。

基于此，以電壓穩(wěn)定L指標(biāo)、電壓偏移、有功網(wǎng)損為評價(jià)指標(biāo)，對分布式風(fēng)光儲(chǔ)的接入對中壓配電網(wǎng)的影響進(jìn)行研究。

1 配電網(wǎng)評價(jià)指標(biāo)

所采用的配電網(wǎng)評價(jià)指標(biāo)主要包括電壓穩(wěn)定指標(biāo)、網(wǎng)損指標(biāo)和電壓偏移指標(biāo)。

配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定L指標(biāo)是基于潮流可解性推導(dǎo)出的。系統(tǒng)中任意兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)i和j，假設(shè)功率從節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j，則節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j電壓的關(guān)系可以表示為

(1)

將式(1)展開并化簡可得：

(PjXij-QjRij)2=0

(2)

式中：Ui為節(jié)點(diǎn)i電壓幅值；Uj為節(jié)點(diǎn)j電壓幅值。

若Uj有解，則根據(jù)一元二次方程根判別式可知：

(PjXij-QjRij)2]≥0

(3)

化簡式(3)可得：

(4)

因此可得出電壓穩(wěn)定L指標(biāo)：

(5)

取各支路中最大的L作為系統(tǒng)的L指標(biāo)。如果L≤1，則Uj有解，電壓穩(wěn)定；如果L>1，則Uj無解，電壓不穩(wěn)定。

配電網(wǎng)網(wǎng)損指標(biāo)即為網(wǎng)絡(luò)中的有功功率損耗，可以表示為

(6)

式中：Pk、Qk為第k條支路首端流入的有功功率、無功功率；Uk為第k條支路首端電壓幅值；Rk為第k條支路的電阻；n為支路數(shù)。

配電網(wǎng)電壓偏移指標(biāo)可以表示為

(7)

式中：Uri為節(jié)點(diǎn)i額定電壓幅值，m為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2 分布式風(fēng)光儲(chǔ)接入對配電網(wǎng)的影響

根據(jù)電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量的約束，可以近似認(rèn)為系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓為額定電壓，式(5)可以轉(zhuǎn)化為

(8)

式中：UN為額定電壓。通常額定電壓標(biāo)幺值為1.0，因此可以將L進(jìn)一步簡化：

L=4[(PjXij-QjRij)2+(PjRij+QjXij)]

(9)

若分布式風(fēng)光儲(chǔ)的接入減小了節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j間的功率，該支路的L指標(biāo)會(huì)相應(yīng)減小，從而提高電壓穩(wěn)定性。根據(jù)式(6)可知，支路流過的功率減小會(huì)減小支路的網(wǎng)損，從而提高配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

相鄰的節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的電壓幅值可以近似表示為

(10)

當(dāng)支路流過的功率增加時(shí)，兩端電壓幅值之差增加，從而降低末端電壓。

基于以上分析可知，如果分布式風(fēng)光儲(chǔ)的接入降低了線路流過的功率，會(huì)使配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性均得到提升。

3 算例分析

以吉林市某地區(qū)10 kV配電網(wǎng)為例進(jìn)行分析，如圖1所示，節(jié)點(diǎn)編號如表1所示，共20個(gè)節(jié)點(diǎn)，25條支路。將2014年某一時(shí)刻的負(fù)荷數(shù)據(jù)注入仿真模型，進(jìn)行潮流計(jì)算，可以得到該時(shí)刻的配電網(wǎng)潮流分布。

圖1 某地區(qū)20節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)Fig.1 20-node distribution network in a certain area

表1 節(jié)點(diǎn)編號Table 1 Node number

將棋盤變、化工變、土城變合并為1個(gè)節(jié)點(diǎn)，作為該區(qū)域配電網(wǎng)的平衡節(jié)點(diǎn)。設(shè)定收斂精度為10-6，采用極坐標(biāo)形式的牛頓法進(jìn)行潮流求解。可以得到，當(dāng)前時(shí)間斷面下的總網(wǎng)損為9.04 MW，靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)L為0.280 2，電壓偏移指標(biāo)為0.538 3 p.u.，節(jié)點(diǎn)電壓最低為0.788 5 p.u.。

將2 MW的風(fēng)光儲(chǔ)接入配電網(wǎng)，各支路電壓穩(wěn)定L指標(biāo)如圖2所示。各支路中L最大值為系統(tǒng)的L指標(biāo)，可以看出，當(dāng)2 MW風(fēng)光儲(chǔ)接入化建(節(jié)點(diǎn)13)、水分廠(節(jié)點(diǎn)14)、民主(節(jié)點(diǎn)15)、北甸(節(jié)點(diǎn)16)、農(nóng)電2(節(jié)點(diǎn)17)時(shí)，L較低，電壓穩(wěn)定性較好。根據(jù)圖1可知，這5個(gè)節(jié)點(diǎn)均在配電網(wǎng)末端。當(dāng)風(fēng)光儲(chǔ)接入配電網(wǎng)首端位置(如節(jié)點(diǎn)1)時(shí)，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定L指標(biāo)在0.28附近，和原系統(tǒng)幾乎相同。

圖2 各支路N指標(biāo)Fig.2 N index of each branch

圖3為風(fēng)光儲(chǔ)接入不同位置的系統(tǒng)有功網(wǎng)損，可以看出，在2 MW風(fēng)光儲(chǔ)接入化建(節(jié)點(diǎn)13)、水分廠(節(jié)點(diǎn)14)、民主(節(jié)點(diǎn)15)、北甸(節(jié)點(diǎn)16)、農(nóng)電2(節(jié)點(diǎn)17)時(shí)，系統(tǒng)網(wǎng)損較少，經(jīng)濟(jì)性較好。

圖3 2 MW風(fēng)光儲(chǔ)接入不同位置時(shí)系統(tǒng)的有功網(wǎng)損Fig.3 Active power loss when 2 MW wind-solar-storage system is connected to different positions

將20 MW風(fēng)光儲(chǔ)接入不同位置，系統(tǒng)的有功網(wǎng)損如圖4所示，可以看出，隨著風(fēng)光儲(chǔ)接入容量的增加，網(wǎng)損越來越少。

圖4 20 MW風(fēng)光儲(chǔ)接入不同位置時(shí)系統(tǒng)的有功網(wǎng)損Fig.4 Active power loss when 20MW wind-solar-storage system is connected to different positions

將100 MW風(fēng)光儲(chǔ)接入配電網(wǎng)不同節(jié)點(diǎn)后，接入不同容量下的系統(tǒng)有功網(wǎng)損如圖5所示。

從圖5可以看出，接入配電網(wǎng)末端風(fēng)光儲(chǔ)容量過大會(huì)導(dǎo)致線路流過功率過大，增加有功網(wǎng)損。

圖5 不同風(fēng)光儲(chǔ)接入不同位置時(shí)系統(tǒng)的有功網(wǎng)損Fig.5 Active power loss when different wind-solar-storage systems are connected to different positions

當(dāng)風(fēng)光儲(chǔ)分布式接入時(shí)，即化建(節(jié)點(diǎn)13)、水分廠(節(jié)點(diǎn)14)、民主(節(jié)點(diǎn)15)、農(nóng)電2(節(jié)點(diǎn)17)各接入5 MW，仿真結(jié)果圖6所示。

圖6 各節(jié)點(diǎn)電壓Fig.6 Voltage of each node

當(dāng)配電網(wǎng)末端集中接入20 MW分布式風(fēng)光儲(chǔ)時(shí)，系統(tǒng)電壓水平最好。這是由于風(fēng)光儲(chǔ)接入前系統(tǒng)存在末端電壓水平較低的問題，而風(fēng)光儲(chǔ)接入末端后會(huì)顯著提升末端電壓水平，并使臨近節(jié)點(diǎn)電壓幅值得到提高。4種算例下的系統(tǒng)L指標(biāo)和有功網(wǎng)損如表2所示。

表2 不同系統(tǒng)的L指標(biāo)和有功網(wǎng)損Table 2 L Index and active power loss of different systems

根據(jù)以上分析可知，分布式風(fēng)光儲(chǔ)接入配電網(wǎng)末端可顯著改善系統(tǒng)電壓水平、電壓穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)集中接入配電網(wǎng)時(shí)，若接入位置選擇恰當(dāng)，同樣可以有效改善系統(tǒng)電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性，如表2所示，20 MW風(fēng)光儲(chǔ)集中接入民主的L指標(biāo)和網(wǎng)損指標(biāo)最優(yōu)。

4 結(jié) 語

分析了分布式風(fēng)光儲(chǔ)接入對配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定、電壓偏移、網(wǎng)損的影響機(jī)理。當(dāng)適量風(fēng)光儲(chǔ)接入配電網(wǎng)末端時(shí)，會(huì)提高電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；若末端接入過多風(fēng)光儲(chǔ)，會(huì)增加線路流過的功率從而增加網(wǎng)損。若實(shí)際安裝時(shí)位置不便，可遵循末端接入的原則，集中接入和分布式接入均可有效提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和電壓水平。