融合网损约束的分布式电源容量优化布置分析

范雪峰，夏懿，贾春蓉，宋汶秦

（甘肃省电力公司电力经济技术研究院，兰州 730050）

融合网损约束的分布式电源容量优化布置分析

范雪峰，夏懿，贾春蓉，宋汶秦

（甘肃省电力公司电力经济技术研究院，兰州 730050）

针对城网和农网的不同负荷情况，构建典型配电网结构，在分布式电源接入技术相关规范的基础上，通过分布式发电系统接入的静态电压稳定的仿真计算，对分布式电源接入后对配电网的影响进行分析；从提升有利影响的角度出发，提出分布式电源接入的限制条件及优选策略。研究表明，在配电网中引入适当容量的分布式电源对整个配电网电压稳定性不会产生影响，反而可以有效减少电力传输时功率的损耗以及由配网升级带来的费用，提高供电可靠性。

分布式电源；准入容量；配电网；仿真；网络损耗

目前，以集中式发电及大电网为基础大力发展分布式发电技术，构建混合型网络已经成为了未来电力系统发展的必然趋势[1，2]。分布式电源DG（distributed generators）是指分散布置在用户附近，既可独立于公共电网直接为少量用户提供电能，也可将其接入配电网络，与公共电网一起共同为用户提供电能的中小型发电装置[3]。分布式发电设施主要包括：光伏发电系统、风力发电系统、微型燃气轮机、燃料电池、生物质发电装置以及储能装置等[4]。各类分布式发电设备按照并网接口的不同可以分为同步电机并网、异步电机并网和逆变器并网三类。

随着单位千瓦电能生产价格的不断下降以及分布式能源政策的有力支持，分布式发电技术在我国正得到越来越广泛的应用。相比较大规模的集中式能源，DG接入配网的运行模式更为灵活，可以根据负荷水平更有针对性地配置分布式电源，提高电能质量和供电服务水平。但目前国内针对分布式电源接入配电网的容量优化布置方面的研究较少，无法适应分布式电源的蓬勃发展。

为充分利用配电网中的DG，最大化输出功率，本文提出一种多约束条件下的分布式能源容量优化方法，分析并网DG的输出模型以及DG的引入对配电网的影响，可在提高分布式能源渗透率的同时，保证配电网运行稳定性。研究分布式电源容量在配电网中的优化配置，为合理开发利用分布式电源提供技术指导，有助于推动区域分布式能源的开发利用，提供更为清洁、优质、可靠的电能。

1 DG并网影响分析

1.1 DG并网模型

风力发电及光伏发电等DG受到外界环境和气候因素影响较大。文献[5]提出了风速与功率输出关系的模型；文献[6]讨论了太阳能光伏发电系统的功率输出与光照强度、光伏电池组件面积及光电转换效率的关系。受光照强度、环境温度和风速等条件的制约，DG的输出功率有限。

光伏发电系统主电路包括光伏电池、逆变器和滤波器等部分，其结构如图1所示。采用单位功率因数控制策略进行并网控制[8]，实现恒定的PQ输出。

图1 光伏发电系统主电路结构Fig.1 M ain circuit structure of photovoltaic system

风电机组可以按照运行方式、控制方式或风电机类型的不同进行分类。按照发电机类型可以分为基于普通异步发电机（无电力电子变频器）、基于双馈感应发电机（采用部分功率电力电子变频器）和基于多极同步电机（采用全功率电力电子变频器）的风电机组[9]。双馈风力发电系统的结构如图2所示。采用磁场定向矢量控制技术实现DFIG和电网之间的“柔性连接”。

图2 双馈风力发电系统结构Fig.2 Structureof double-fed induction wind power system

1.2 并网DG对配电网电压影响

传统配电网稳态运行情况下，电压沿馈线的潮流方向逐渐降低。DG并网改变了原有潮流状态，在稳态情况下（假设负荷恒定不变），由于馈线上的传输功率减少以及分布式电源输出的无功支持，使得沿馈线的各负荷节点处的电压有所提高。DG并网配电网科化电路如图3所示。

图3 DG并网配电网简化电路Fig.3 Sim plified circuitof distribution network w ith DG

当线路中潮流为P+j Q时，线路首端电压为

由式（1）和式（2）可知，DG容量与接入位置对配网电压偏差均有密切关系。DG的定容与建设地址的不当可能会造成电压偏差过大，造成电能质量问题，超出相关导则要求，从而影响电网稳定运行。

1.3 并网DG对配网网损的影响

由于线路电阻及电网电流影响，配电网中电能传输会有相应的损耗。DG并网将会减少负荷从原线路中获取的功率，由于电流的降低原线路的损耗就会相应降低。其DG并网配电网结构如图4所示。

图4 含DG配电网简单结构Fig.4 Sim plified structure of distribution network w ith DG

图4中，L为电源到负荷的距离，M为电源到DG的距离。DG接入前后线路平均电压V基本无变化，线路负荷Sload=Pload+Qload，线路单位长度阻抗为r，Ω/km，其中I˙s=I˙l-I˙dg。

DG的接入使得整条线路的网络损耗分为两部分，一部为由电源至DG处线路上的有功损耗Pl1，另一部分为DG至负荷之间线路上的有功损耗Pl2。

其中：

由式（6）可知，DG接入后网络损耗受到的主要影响是由Pdg、Qdg及M产生，即由DG的容量与选址位置所决定。当接入位置固定时，只要小于后续负荷功率，网络损耗只会减少；而当DG容量持续增大时，其网络损耗也会随着呈增加的趋势。

2 多约束优化容量方法分析

2.1 配电网模型约束条件

中压配电网典型供电模型基本元素包括变电站选取条件和线路基本属性两个方面。变电站选取条件主要包括变电站位置、变电站出线、负荷水平等；线路基本属性方面包括线路型号、主干长度、线路全长和负荷水平等。中压配电网典型供电模型基本元素构成情况如图5所示。

图5 中压配电网典型供电模型基本元素Fig.5 Basic elementsof the typicalpower supplymodel ofmedium voltage distribution network

根据以上基本元素构建配电网模型，进行分布式电源接入容量分析。对容量接入的边界条件进行界定如下。

（1）忽略馈线逆功率限制时分布式电源可接入的最大容量。

在不考虑馈线逆功率限制时，将出现功率倒送的情况，此时网络损耗大小及电压偏差需经计算确定，通过准确模拟分布式发电场的动作特性，以保证计算结果的准确性。

（2）忽略逆潮流时的分布式电源接入容量限制。

2.2 多约束DG容量优化方法

DG接入的容量主要受到各电压等级变电站的母线电压以及并网线路的联络线功率的影响。这里考虑利用改进连续潮流计算法，通过电压偏差和网络损耗等条件的约束进行分布式电源最佳容量的确定。通过改进潮流算法确定DG接入的最大容量，主要是对步长控制环节进行改进，来提高计算的准确性。为使DG的自切动作发挥作用，应该控制DG出口母线的预测电压V(1)恰好等于其保护动作电压V，即满足

式（1）经过简单变换，得出使得DG恰好发生自切动作的步长估计值为

式中：V表示该DG保护动作电压；V0表示该DG出口母线的电压幅值；d V表示预测出的该母线电压幅值的变化率。其容量计算具体流程如图6所示。

图6 多条件下容量计算流程Fig.6 Flow chartof capacity calculation undermany conditions

该方法通过连续潮流分析获取DG最大接入容量，在保证电压偏差处于相关导则要求的前提下分析其网络损耗情况，判断其网损最低点时DG接入容量，从而确定DG接入配电网的最佳容量。

3 算例结果与分析

分析区域内具有较高密度负荷的城网及较低密度负荷的农网结构，分别选取典型110 kV变电站下的10 kV配电网线路作为研究对象，构建配电网典型网架模型。综合考虑前面各项基本元素，确定典型变电站及配电网线路，以此通过仿真软件构建中压配电网的典型网架模型。

选取10 kV线路为主要研究对象，中压配电网不同电网情况的线路参数如表1所示。

表1 不同电网情况线路参数Tab.1 Line parametersof differentgrids

由表1中线路参数，构造的高负荷城网典型线路模型如图7所示，低负荷农网网架的典型线路模型如图8所示。

图7 高负荷城网典型网架及线路仿真模型Fig.7 Simulationmodelof typicalpattern and circuit of high load in urban power grid

图8 低负荷农网典型网架及线路的仿真模型Fig.8 Simulationmodelof typicalpattern and circuitof low load in ruralpower grid

3.1 静态电压稳定条件

通过仿真可知，对静态电压稳定而言，在考虑导则要求后，如果馈线所带负荷水平较高，分布式电源不同接入位置不会对最大准入容量造成影响，其接入容量取决于上级变电站的最大负荷；如果馈线所带负荷水平较低，分布式电源不同功率因数不会对最大准入容量造成影响，接入位置则会对最大准入容量产生较大影响，距离线路首端越近则接入容量越大。分布式电源最大准入容量见表2。

表2 分布式电源最大准入容量Tab.2 M aximum penetration levelof the DG MW

3.2 网络损耗条件

在分布式电源容量小于电网的负荷总量，单个分布式电源不会因为和负荷的不匹配引起线路流动功率大规模提升的情况下，分布式电源的引入实现了功率的本地平衡，能够减小线路损耗[9]。由于选取的两个区域的负荷大小不一样，因此分布式电源接入后对配电网网损影响的趋势各有不同。通过对不同类型分布式电源及不同接入位置时产生的网损情况进行分析，确定可接入的最佳容量，其结果分别如图9和图10所示。

图9 高负荷城网网络损耗情况Fig.9 Power grid lossofhigh load in urban power grid

图10 低负荷农网网络损耗情况Fig.10 Power grid lossof low load in ruralpower grid

当接入的分布式电源在线路不同位置时，网损受负荷分布的影响较大，当负荷平均分布在线路上时，通过接入点的后移可有效降低网络损耗。但是当分布式电源接入到线路支路时，由于受到线径的影响，则网损也会增大。

DG接入配电网的容量不同，其对网络损耗影响情况也不尽相同。随着接入容量由0开始增大至最大接入容量，仿真得到的网损结果分别如表3和表4所示。可见，随着接入容量的增大，网损均呈现先下降后上升的趋势，而城网情况下接入容量为3.38MW和农网情况下接入容量为0.30MW时网络损耗最小。当分布式电源接入容量大于线路所带负荷时，则网络损耗将会增大，此时主要是由于出现功率倒送而造成的。

表3 负荷较大区域随DG接入容量变化网损情况Tab.3 Power grid lossof larger load areaw ith the acceptanceof DG MW

表4 负荷较小区域随DG接入容量变化网损情况Tab.4 Power grid lossof smaller load areaw ith the acceptance of DG MW

通过以上几点分析，分布式电源直接接入变压器出口母线对线路上的网络损耗影响不大，但接入线路上可有效降低线路损耗，且分布式电源越接近线路末端，接入容量越大，功率因数越高，负荷越能分散就地平衡，线路的网损越小，经济效益越高。

4 结论

（1）提出了分布式电源容量的优化流程，通过不同容量分布式电源接入配电网不同位置的网损计算，分析接入配电网的分布式电源最佳容量。在城网情况下，分布式能源接入最大容量取40%、农网情况下接入最大容量的16%为宜，可保证不会造成潮流方向发生变化，且网络损耗较小。

（2）通过分析可知，在配电网中引入适当容量的DG对整个配电网电压稳定性不会产生影响，反而可以有效减少电力传输时功率的损耗以及由配网升级带来的费用。当分布式电源接入容量大于线路所带负荷时，分布式电源的引入使得配电网从无源变为有源，改变线路潮流方向，从而增大配电网损耗，这在一定程度上制约了分布式电源的推广应用。

（3）本研究对于确定分布式电源接入配电网的容量，在提高清洁能源利用率、电网资产利用率、电网供电质量及供电可靠性等方面起到积极的作用，可以作为智能电网目标实现的一个有效手段。

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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，高级工程师，从事电网规划工作。E－mail：13609396726@163.com

2013-05-03；

2013-06-07

夏懿（1974—），男，高级工程师，从事电网规划工作。E－mail：13919399798@163.com

贾春蓉（1973—），女，高级工程师，从事电网规划工作。E－mail：jcr730200@163.com