高渗透率分布式电源接入对配网电压的影响分析

2015-05-06王文彬范瑞祥

江西电力 2015年6期

王文彬，范瑞祥，曾伟

（国网江西省电力科学研究院，江西南昌 330096）

0 引言

近年来，分布式电源在国内迅猛发展。分布式电源是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的光伏发电设施，经济、高效、可靠地发电。分布式电源接入配电网，对节点电压、电能质量、保护、短路电流等都会产生很大影响，且影响程度与分布式电源的位置和容量密切相关。同时，分布式光伏发电的接入必然影响稳态电压分布，进而影响到供给用户的电能质量。

1 模型建立

配电网络的拓扑结构类型较多，我国城乡大多数配电系统仍以放射状链式结构为主，以下将变电所以上的网络全部等值为电压源。馈线中不同位置分布有若干负荷，配电网中的负荷种类繁多，随机性大，较难准确地对负荷加以表示。为便于研究，统一采用MATLAB软件提供的负荷模块来表示负荷；同时，假设负荷三相对称；因电压等级较低，配电线路长度较短，三相线路间的互感也不予考虑；所有线路阻抗均折合到系统电压等级。

沿馈线将每一集中负荷视为一个节点并编号，从变电所的母线开始，依次编为1，2，…，N。每一小段线路的电阻和电抗分别为R，X，形成的配电网络如图1所示。

图1 含DG的多节点链式配电网络

2 仿真分析

2.1 不同地点接入分布式电源对于配网电压的影响

在MATLAB仿真软件simulink环境下建立图1所示的一条10 kV规划DG的配电线路模型如图2所示，其中配电线路为架空线，各参数如下：r1=0.45 W/km，r0=0.74 W/km；L1=0.9337 mH/km，L0=4.1264 mH/km；C1=0.07074 m F/km，C0=0.0478 m F/km。负荷节点数为7，为便于研究，将1 MVA，功率因数为0.95的负荷均匀的分布在架空线路上，负荷间架空线的长度为1 km。主变压器变比设为110/10.5 kV。

供电电压偏差是电能质量的一项指标。合理确定该偏差对于电气设备的制造和运行，对于电力系统的安全和经济都有重要意义。对于一般的电工设备，电压偏差超出其设计范围时，直接影响是恶化运行性能，并会影响其使用寿命，甚至使设备在短时间内损害；间接影响是可能波及相应的产品生产质量和数量。因此，电压允许偏差标准的确定是一个综合的技术经济问题。以下分析中令10 kV三相供电电网的电压允许偏差为±5%，探讨分布式电源的接入位置对配电线路电压的影响。

图2 10kV配电线路模型

图3 含DG的仿真电路

分别对配电线路上没有接入分布式电源和在不同的负荷点接入容量为3 MW，功率因数为1的分布式电源的情况做仿真。仿真电路如图3所示。线路上各负荷点的电压分布如图4所示。

图4 各负荷点接入3 MW的DG后电压分布

保持分布式电源的总出力3 MW不变，分别在负荷点5、6、7和1、2、3接入1 MW的分布式电源。线路上各负荷点的电压分布如图5所示。

图5 各负荷点分别接入1 MW的DG后电压分布

从图4可以看出，在10 kV的配电线路上均匀接入1MVA，功率因数为0.95的7组负荷后，配电线路上的电压逐渐降低，并且在线路末端负荷点6、7处降到9.5kV以下超出了安全运行的电压下限。当在各负荷点接入分布式电源后，配电线路上的电压有明显的改善。说明在配电网接入分布式电源可以明显改善馈线的电压分布。

同样由图5可知，总出力相同的分布式发电，分布在不同的位置，配电线路上的电压分布有着较大的差异。越接近末节点，电压变化率越大，受分布式发电注入功率的影响越大。相反，分布式发电越接近系统母线，对线路电压分布的影响越小。如在负荷点1接入3MW的分布式电源后负荷点7的电压仍然低于9.5kV。虽然在负荷点7接入3MW的分布式电源后配电线路上的电压分布有了明显的改善，但是负荷点的电压变化过大。所以从减小电压变化率的角度，分布式发电并不适宜在末节点接入系统，相反，可选择在线路中间偏末端的位置或位置组合。

从图5可以看出，将3组容量1 MW的分布式电压接入3个负荷点对配电线路的电压支撑效果优于将一个3 MW的分布式电源接入一个负荷点。说明总出力相同的分布式发电，分布在不同的位置组合，得到的电压分布要优于把DG集中接入配电线路的情况。而且接入负荷点1、2、3后对配电线路电压的支撑效果弱于接入负荷点5、6、7。从而可以说明，配电线路接入分布式电源时应当分散接入，并且将DG分布于线路中间偏末端的节点上。

2.2 分布式电源的出力对配电线路电压的影响

在负荷点6依次接入2 MW，4 MW，5 MW的分布式电源，线路上各负荷点的电压分布如图6所示。

图6 接入不同容量的DG配电线路电压分布

观察图6可知，在相同的负荷点接入分布式电源，分布式发电的总容量越大，这些点的电压越高。说明分布式电源对配电线路电压的支撑与其容量有关。随着DG容量增加这些点的电压就会不断增加，当DG为5 MW时，配电线路上某些点的电压超过了10.5 kV。在分布式发电规划时，如果DG的容量选择不当分布式发电的电压支撑会使得某些节点的电压高于额定电压或者高于送端系统母线电压。当DG退出运行后线路上的电压变化幅度也将过大。

2.3 分布式电源的功率因数对配电线路电压的影响

根据图6可知，在负荷点6接入5 MW分布式电源后馈线上某些点的电压超出了10.5 kV。调解DG的功率因数为0.95，即DG发出4.75 MW的有功，并从系统吸收无功。仿真结果如图7所示。

图7 DG的功率因数对配电线路电压分布的影响

根据以上讨论，可以发现一定容量的DG接入配电网可以改变馈线上的电压，但是具体效果与DG选址及容量有密切的关系。如果选择不当，DG会使得馈线上某些点的电压超出允许范围。此外对于分布式电源端，由于国家政策规定和特定地理位置原因，一般安装位置可以看成是固定的。在这种情况下，由于分布式发电的接入馈线上某些点的电压超出规定范围的可能性更大。调节DG的功率因数，使DG从配电网吸收一定的无功，可以改善DG的接入使得馈线上某些点电压越限的问题。如图7所示，在负荷点6接入5MW的DG后，馈线上的某些点电压大于10.5 kV。将DG的功率因数由1调为0.95后，负荷点电压全部降到了安全范围之内，这说明通过调解DG的功率因数可以很好的解决配电线路电压越限的问题。为了环保及资源利用率最大化，通过不同种类型的分布式电源的不同运作原理，通常让DG发出的有功最大化，再配合静止无功发生器SVG等无功补偿装置调节电压，可以保证配电线路的电压不会超出允许范围。但增加无功补偿装置就意味着增加投资，这就需要综合考虑投资和运行的经济问题进行规划。

结合以上仿真分析，针对DG对配电网稳态电压分布的影响，得出以下结论：

1）一定容量的DG接入配电网将会改变馈线上的电压分布，但是具体效果与DG的接入位置及容量有密切的关系。

2）当分布式发电相对网络负荷较大时，馈线上某些点的电压会超出规定范围，可以通过调节DG的功率因数或利用无功补偿装置解决此类问题，但正常情况下，分布式发电应多发有功、少发无功，保持高功率因数运行。

3）相同容量的分布式发电，散布在馈线上比集中在同一个位置对电压控制有利。

4）由于特定地理位置限制及其它一些原因，一般安装位置相对确定，因此分布式发电的规划内容主要集中在定容方面。