计及电压调节和分布式电源的配电网潮流研究

刘立轩

（内蒙古电力集团(有限)公司乌兰察布电业局调控中心，内蒙古 乌兰察布 012000）

0 引言

随着国家电力系统节能要求的日益严格，不论是在发电厂还是在输电线路，都提倡节能减耗。这里的节能减耗并不是简单的降低产能，而是利用新技术、新工艺、新产品等来实现在生产中的节能减排、降低能耗，目前这一口号的提出同样的也是我国电力行业可持续发展的重要途径。在我国的电力行业中，国家为了实现“低碳经济”这一目标，制定了“节能减排”的约束性指标，随之而来的则是分布式发电在我国电力行业的发展和进步[1]。

分布式电源指的是在用户附近，能够为用户提供高效、高质、稳定的电源供应，一般来说，分布在各个用户中的电源功率在1000～50 MW之间，降低了因为线路较长引发的电量损失，并且具有较高的兼容性。这种电源能够与环境用户具有良好的兼容性，其资金投资少、场地占用较小、工程周期短，非常适合小用户、小聚集的用电分布。这种分布式电源在正常运用的时候，一般不会受到大电网的调度和控制，能够根据周边环境的需求进行自我发电，具有一定的高效性、经济性以及可靠性。目前，众多的学者正在加大对分布式电源与配电网的结合研究，以提高配电网与分布式电源的兼容性，降低对配电网的影响。

美国分布式发电联合协会对其国家的调查研究发现，目前为了适应电力的发展趋势，提倡使用节能、降耗、保证用电质量的使用要求，分布式电源在地方上的应用越来越广泛，根据有关部门的统计，分布式电源的发电机组每年的增加量约为2.5～5 GW的容量，并且已经有约300万台的分布式电源安装，保持着连年增长的趋势[2]。

配电网络是直接面对用户，并且通过长距离、高电压对用户提供电量，同时也是用电过程中的重要环节。作为一种新型的、小型化的分布式电源，距离用户更近，能够为用户提供更稳定的电压和电流。但是在分布分布式电源接入电网中，因为原有的系统被打乱了，配电系统中的用电潮流、配电线路中的电流以及电压分布都会有变化，同时也会对其配电结构和控制方式产生巨大的变化。所以，在介入了分布式电源之后，进行潮流数据的计算，对网络重构、故障处理以及无功化应用具有重要意义，能够对配电网的电压稳定性、电流大小的影响进行评估。

为了更好的降低电流运输在到线路中的损耗，提高电力用户的提高，降低用电质量，分布式电源的应用也会越来越广泛，研究也越来越深入。随着未来众多分布式电源的增加，对配电网的影响也越来越大，同时也会带来配电网中的有功功率和无功功率的数量和方向。在这种形式的影响下，配电电网已经不再是简单的单向流通，而是双相的、随时变化的，这就需要针对配电网络加大研究范围：① 电源的介入不会影响潮流的方向；② 分布式电源的介入，会对配电网络的稳定性产生影响，进一步的可能就会引起线路潮流发生逆流，使得配电网络产生双向潮流；③ 分布式电源在使用的时候，其发电量如果小于负荷两倍的话，就会产生双向潮流。可见，分布式电源并网之后，会产生比较复杂的潮流影响，这也就进一步的增大了配电网络潮流的计算方法，并且传统的计算方法也已经不能够正确处理分布式电源对电网系统的影响，需要对计算方式做进一步的验证[3]。

1 分布式电源的引入对配电网电压的影响

配电网原本是辐射状结构，这种辐射状结构原本在不同的地区都是趋于稳定状态的，但是如果在配电网络中接入分布式电源，因为外来电源的接入，就会导致系统节点电压的变化。在电网稳态运动的传统情况下，一般都是配电网络的电压随着馈线潮流的方向，电压是逐渐的降低。但是因为分布式电源接入，打破了原有配电网络中的稳定性，那么分布式电源在接入配电网络的时候就会导致馈线上有功功率传输和分布式电源无功功率的支持，给不同的节点接入之后带来节点电压的幅值影响，提高负荷承载能力[4]。但是有的情况则会导致变电站的总容量增加，那就是分布式电源的接入点在变电站的节点上，所以能够得知，一般来说分布式电源并网会对配电产生一定的影响，这种影响主要受到了分布式电源接入的节点位置和容量两个因素影响。

2 配电网电压稳定性指标

动态稳定性和稳定性是在配电网络的应用中，用来表示电压稳定性的两个不同的类型。著名的美国学者Jasmon G B博士针对配电网的电压稳定性进行了系统的研究。其主要是利用前推迭代，将分布式电源接入的节点进行简化处理，利用稳定性指标L来表示配电网电压的稳定性。后来相关学者逐渐的完善了这种算法，对导线进行了等效阻抗假设，将指标应用在多节点的配电网中，这样更加的贴近了实际的应用，其具体的推导如下：将配电系统假设为两个节点的假设，

图1 简单电力系统线路模型Fig.1 Simple power system line model

如图1所示：

根据图1中的配电网络线路效阻抗模型，可以计算得出功率损耗的值，这也可以简单的认为这就是线路中的功率损耗，如式（1）所示。

通过对电网线路的简化，我们能够根据图1所示的单相电路进行有功功率和无功功率损耗的计算，计算公式如下：

判别式Δ≧0，是式（2）和（3）对于Pa和Qa两式方程有实数解的判断依据。进一步的能够将上两个方程式进行简化计算，得式（4）：

最后能够得出电压稳定性指标L的表达式：

根据以往学者们的验证计算，L的值越小，就表明整个系统的电压具有越好的稳定性；相反的，L值越大则电压的稳定性越差。如果L的值接近1.0，整个电网系统就会失去稳压状态。所以我们能够通过L的值来进行判别电网系统的总负荷压稳定性。虽然通过这种办法能够简单的对电压稳定性进行计算，但是必须要注意的是这种计算的方式以系统总功率和网损等值作为出发点，仅仅是简单地将两个节点之间的电压进行简化，没有考虑电压之间的协同影响，过于理想化，在处理分布式电源的时候存在较大的误差[5]。

相关学者为了避免这种电压稳定性L指标存在的较大误差，提出了支路电流法迭代公式，这种利用迭代计算的方式较大的提高了计算准确度。计算方法就是假定图1所示的线路是是N节点配电网中的一条支路，将b节点作为相电压Ub的计算标准，则则进一步的能够推出：

如果将Ub作为变量，则能够将上式电压稳定性指标转化为：

进一步的将这个该电力线路的稳定性电压指标的计算公式为：

如果计算式中的Ub存在，则L≦1的时候，其中分布式电压中的最大值将是界定整个线路电压稳定性指标：

式中N表示的就是在电网线路中的配电网节点总数，如果计算结果L的值越小，则判别式的Δ就越大于0，就能够计算出来实数解，也就进一步的说明在整个的配电网中具有越好的稳定性电压越好。所以能够推出在稳定性电压中，配电网的稳定指标应该远比1小。

3 分布式电源对配电网电压稳定性的影响分析

本文为了体现出配电网电压稳定性受到分布式电压的影响产，下面将针对微型燃气轮机分布式电源并网，以及无分布式电源进行并网来对比研究。然后，利用以上的迭代计算方法对配电网电压稳定性进行比较。

（1）不含分布式电源的配电网电压稳定性

本文利用仿真软件Matlab进行了33母线三相平衡系统的编写，将整个配电网络进行系统设计，并且做出潮流的迭代计算程序编写，利用模拟计算的方式，得出33母线节点电压幅的前推迭代的计算值，如图2所示，这是不包含有分布式电源的电压线路的幅值。

图2 无分布式电源接入的配电系统节点电压幅值Fig.2 Distribution system node voltage amplitude without distributed power access

图3 33无分布式电源接入的配电系统电压稳定性指标Fig.3 33 Distribution system voltage stability indicator without distributed power accessa

通过迭代计算能够在图3中的电压稳定性指标得出，线路系统中的23、24母线是整个线程中稳定性最差的两个电压，比这两条较差的电压母线有29和30。所以，为了对比具有一定的对比性，本位分别选择23和29母线作为节点，接入相同功率大小的分布式电源。

（2）微型燃气轮机对配电网电压稳定性的影响

通过上文中对配电网络的电压稳定性的研究，本文将微型燃气轮机分布式电源嵌入到23和29母线中，同时将两者的最小功率因数设定为0.75，统一的把两个分布式电源输出功率设定为150 kW。图4所示的电压稳定幅值就是通过计算模拟程序计算所得。

图4 微型燃气轮机并网后的系统节点电压幅值Fig.4 System node voltage amplitude after the micro gas turbine is connected to the grid

由图4能够得出，将功率为150 kW的分布式电源接入到23和29母线节点之后，从图中能够得出整个配电网电压幅值有所提高。这是因为该节点类型中，分布式电源输出的有功功率和电压幅值就是该电源的给定值。在配电网络接受电源输入有功功率，配电网络为了维持这一电压的稳定性就会注入部分的无功功率，形成可调的无功容量。图5为微型燃气轮机作为分布式电源，在并网前后的配电网电压稳定性指标比较图。

能够从上图中得出，在并网之后PV节点的微型燃气轮机能够有效地提高配电网的电压稳定性，特别是在该分布式电源并网的支路上。

图5 微型燃气轮机的配电网电压稳定性指标Fig.5 Distribution grid voltage stability index of micro gas turbine

4 分布式电源容量及接入位置的选择

分布式电源目前使用的越来越广泛，但是在使用的时候其并网容量、并网的节点在整个的电网中具有重要的影响意义。相关的研究学者表明，在不同的位置安装分布式电源和安装不同容量的分布式电源，会对整个配电网络的系统电流、电压以及配电网电压分布等产生比较大的影响。一般来说，在分布式电源并网之后，可以根据并网的位置进行有功负荷与分布式电源有功出力做出相关的关系判定，通常会有以下三种有功潮流的流动情况：

1）Pload＞PDG，表示的是分布式电源的有功出力小于并网节点有功负荷；

这个时候整个配电网络在该节点的有功功率则为Pload-PDG；这种有功功率下就不会对整个电网产生潮流流动方的变化产生影响；

2）Pload＜PDG，表示的是分布式电源的有功出力要大于并网节点的有功负荷。

则-（PDG-Pload）就是配电网向该节点提供的有功功率。此时，有功潮流流动的方向就会受到分布式电源的影响发生改变，通过这个负荷的节点位置就能作为一个-PDG-Pload的有功功率出力的电源；

3）Pload=PDG，这种情况表示的是分布式电源的有功出力与并网节点的有功负荷相等。此时配电网为节点提供0功率的有功功率，并且有功潮流流动也为0。

5 算例分析

本案例以33母线系统作为对象进行分析，将对电压稳定性影响最大的分布式电源并网作为分析出发点，主要考察在不同的节点位置，对电压的稳定性影响的大小是怎么样的。笔者以微型燃气轮机的分布式电源的节点类型的并网位置分析，首先确定了分布式电源的有功功率作为定值，并且在以下表中的两条相邻的母线配置。进行潮流计算之后，分别得出电压稳定性指标，结果如表1所示。

根据表1和上一部分的测试结果可以得到如下结论，通过利用迭代计算的方式能够计算得出：Ι型DG节点处的电压稳定性普遍较低，其中在23/24两个地方稳定性指标最高。但是，为了更好的避免分布式电源的电压对整个配电网络产生影响，Ι型DG在配电网中的理想安装位置应离系统电压稳定性薄弱支路尽量远些。

表1 配电网电压稳定性的指标值Table 1 The index value of voltage stability in distribution network

在进行分布式电源的规划和建设中个，应该充分的考虑分布式电源并网容量、并网的位置选取，因为其对整个配网系统的电压稳定性、电流的大小等具有明显的影响。通过以往的学者研究以及本次的实例分析能够得出，微型燃气轮机分布式电源的安装位置应该选择在距离较远的稳定性薄弱的电压支路[6-10]。

6 结论

综上所述，分布式电源具有广泛的应用前景，只有充分了解并掌握其工作性质和工作机理，才能充分发挥其优势。本文介绍了配电网在介入了分布式电源后对其自身稳定性带来的影响，以算例仿真对其影响程度进行了定量分析。同时分析了合适的分布式电源并网容量、并网位置的必要性，并找到了最佳的并网位置。并且使用算例得出了如下结论：首先，分布式电源并网之后在一定的程度上会提高配电网的节点电压幅值；其次，微型燃气轮机在配电网中的理想安装位置应离系统电压稳定性薄弱支路尽量远些。