分布式電源對配電網潮流計算的影響研究

摘 要：配電中接入的分布式電源的增多，潮流計算時，傳統的前推回代法無法滿足精度要求。對系統研究發現，分布式電源的出力和接入位置對配電網的網損有不同影響，闡述了分布式電源潮流計算模型，并引入了一種帶有PV節點無功修正的分布式電源配電網潮流計算方法。通過對IEEE14節點系統進行仿真驗證，證明了所提算法的有效性和收斂性。研究結果顯示：新提出的方案和技術能夠更加高效地解決帶有分布式電源的配電網潮流問題。

關鍵詞：分布式電源 前推回代 潮流計算 配電網

Research on the Impact of Distributed Power Sources on Power Load Flow Calculation in Distribution Networks

WU Xiaomeng WANG Zhongwen JIANG Jiahe WEN Siyu LIU Yi WANG Qinglong

School of Electronic Engineering， Xi'an Shiyou University， Xi'an， Shaanxi Province， 710065 China

Abstract： With the increase of distributed power supply in distribution， the traditional forward and backward sweep algorithm can not meet the accuracy requirements in power load flow calculation. It is found that the output and access location of distributed power sources have different effects on the network loss of distribution network. The power load flow calculation model of distributed generation is expounded， and a power load flow calculation method of distributed generation distribution network with PV node reactive power correction is introduced. The effectiveness and convergence of the proposed algorithm are proved by the simulation of IEEE14 node system. The research results show that the new proposed scheme and technology can solve the power flow problem of distribution network with distributed generation more efficiently.

Key Words： Distributed power; Forward and backward sweep algorithm; Power load flow calculation; Distribution network

由于化石能源的日漸枯竭，傳統發電技術受到影響，以風電、光伏為主的新能源技術的分布式發電（Distrributed Generation，DG）受到了更多的關注[1]。分布式電源具有節能、發電方式自由多變、屬于環境友好型等特點[2]。當分布式電源的引入時，配電網的結構不僅會變化，其潮流計算也會更加復雜。

本文探討了分布式電源接入對電網損耗的影響，并通過模型證明在相對容量和超前與滯后功率條件下，配電網的網損效果存在差異。對通常的DG計算模型的同時，也對分布式電源不同類型的并網時，對傳統前推回代法處理效果不理想的狀況進行了探究，給出了一種對無功修正的含分布式電源改進PV節點的潮流計算步驟，最后在MATLAB R2013b環境下，在對算例的結果進行分析后，本文算法的有效性和收斂性得到驗證。

1 分布式電源對網絡損耗影響分析

分布式電源的接入使得系統中的潮流分布發生變化，系統網損也會受影響。每個支路的消耗是由其自身的特性所確定的，所以通過優化這些特性的方式，可以有效地減少整體的網絡損耗，如減小導線電阻和路徑電流量等。而把DG加入配電網后，能使配電網中的各個分支的電流得到減輕，進而改觀整體網絡的損失狀況。

未接入DG時支路產生的損耗，接入DG后支路產生的損耗，通過對比兩種情況下的損耗，得出接入DG后的網損偏差（）。

當符號為正時，說明DG接入配電網后降低線路損耗，反之，則線路損耗增加。

2 分布式電源的潮流計算模型

通常，DG的種類會根據變換器的控制策略進行分類。在潮流計算過程中，結合各類文獻資料，并依據分布式電源的接口類型來將其劃分為以下幾個類別：

（1）P和Q恒定不變的PQ節點；（2）P和U恒定不變的P節點；（3）P和I恒定不變的PI節點；（4）P恒定不變、Q與電壓有關的PQ（V）節點。

依據以上各種類型的DG，采用前推回代法對其相應的潮流計算模型進行研究。

2.1 PQ節點

此類負荷節點被視為負的，在前推回代潮流計算過程中無需進行特殊處理。一般情況下，將并網型風力發電機作為PQ節點進行處理，在實踐中使用異步電動機，計算公式如下：

式（1）中，Pi為分布式電源的有功功率，Qi為分布式電源的無功功率。

2.2 P、I恒定型分布式電源模型

DG的類型包括儲能系統和光伏發電，使用電流控制型逆變器進行并網運行，其輸出有功和電流保持恒定，計算方式如下所示。

式（2）中，Ps、Is分別PI型DG提供的有功、輸出電流。

輸出無功計算公式如下：

式（3）中，V（k）i為PI型負荷節點的節點電壓向量，Is為迭代的輸出電流。

2.3 PQ（V）恒定型分布式電源模型

異步發電機產生的是有功功率P，而節點電壓的幅值則是影響其無功的關鍵因素，所以我們可以將其定義為PQ（V）節點。

2.4 P、V恒定型分布式電源模型

同步電機的勵磁調節能力和光伏并網逆變器采用的電壓控制策略，可以確保穩定的P、V，PV節點選擇。在起始階段，PV節點的無功功率按照下面公式設定，這樣它們就可以保持有功輸出不變，并且端口電壓保持恒定。

式（4）中：Qi max、Qi min為無功的上、下限。

接下來，在第k次迭代的初始計算階段，當計算節點i的無功功率時，PV節點注入的電流為：

系統節點電壓范圍決定該節點的無功功率；當系統PV節點電壓保持恒定時，其下游支路的電流、有功和無功功率將取決于節點的電壓。節點電壓的影響因素包括上游支路中各節點電壓和該節點的無功功率。潮流計算時，通過調整節點的無功功率以保持PV節點的電壓恒定，從而引入相關修正量

3 節點分層前推回代潮流算法在含分布式電源中的實現

由于輻射狀配電網運行結構分支多，本文的配電網拓撲結構采用節點分層算法來描述配電網網絡參數，并建立節點關聯矩陣[3]。一個完整的支路參數矩陣包括支路的起始點和終止點，以及它們之間的阻抗參數，由節點號和節點有功負荷、節點無功負荷組成：節點參數矩陣=[節點號 節點有功負荷 節點無功負荷]。

通過支路參數矩陣的計算，可以推導出該配網系統的節點關聯矩陣。定義兩個輔助矩陣：節點分層矩陣和型上層節點矩陣UN，其中，每列的元素表示此列對應節點號的上層節點號。

配電網潮流計算步驟如下[4]。

（1）將網絡的初始參數導入，包括負荷參數以及各個支路參數等。

（2）參數初始化。初始化分布式電源并網參數、PV節點的無功初值。

（3）按照李如琦[3]所述方法對網絡進行節點分層。

（4）在第一次迭代時，首將起始節點的電壓設置為所有節點的電壓，并將所有支路的電流設為零，令k =1。

（5）根據UN矩陣，前推計算不同節點類型分布式電源的注入電流，并與負荷節點注入電流相疊加。

（6）回代計算各節點電壓。PQ、PI、PQ（V）節點可根據公式（7）計算得各節點電壓。

式（7）中， Ui、Uj分別指節點j和其上層節點i的電壓；Zij是以i、j為首末節點支路的阻抗。

（7）進行收斂判斷[5-8]。PV型DG節點處的電壓幅值應符合，其中Upv為本次計算得到的第個PQ節點處的節點電壓；若滿足則輸出各節點電壓，迭代k次。否則轉步驟（5）進入下一次迭代，同時令。

（8）如果要檢查PV型DG節點是否超出了限制，我們可以使用公式（6）來校準注入的無功功率，然后繼續執行步驟（5）。如果發現節點超出了限制，我們需要將它轉換成PQ節點，并繼續執行步驟（5）。

4 結論

本文根據DG接口類型把DG分成4種節點類型，并根據各類型DG建立了數學模型，分析DG的出力、配電網網損和電壓受導入位置在搭建的簡易模型中的影響。結果表明，要使DG接入位置電壓改善得好，得選擇合理容量的DG。并對不同類型分布式電源并網時傳統前推回代法處理效果理想的狀況進行研究，并對傳統的前推回代法進行了改進。通過IEEE14節點算例證實本算法的有效性和收斂性。

4 參考文獻

[1] 郭昕瑜.含分布式電源的配電網網絡重構研究[D].西安：西安石油大學，2020.

王振樹，林梅軍，劉巖，等.考慮光伏并網的配電網潮流計算[J].電工技術學報，2013，28（9）：178-185.

李如琦，謝林峰，王宗耀，等.基于節點分層的配網潮流前推回代方法[J].電力系統保護與控制，2010，38（14）：63-66，139.

張立梅，唐巍.計及分布式電源的配電網前推回代潮流計算[J].電工技術學報，2010，25（8）：123-130.

[5] 吳文晴.分布式光伏并網對配電網網損影響研究[D]. 石家莊： 河北科技大學，2022.

[6] 柯賢楊.交直流混合配電網潮流計算與優化控制方案研究[D].天津：天津理工大學，2023.

[7] 謝賢磊.含分布式電源弱環配電網潮流計算方法研究[D].銀川：北方民族大學，2024.

[8] 程麗，李鑫，項興堯等.基于潮流計算的分布式光伏接入對配電網電壓影響研究[J].科技通報，2021，37（5）：31-36，112.