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分布式发电对配电网网损和电压分布的影响


   27 卷   4 期 第 第 文章编号 : 1006 - 9348 ( 2010) 04 - 0279 - 05

计        算 机 仿 真

2010 年 4 月   

分布式发电对配电网网损和电压分布的影响
刘   ,江   ,彭建春 磊 辉
(湖南大学电气与信息工程学院 ,湖南

长沙 410082)

摘要 : 为了寻求分布式发电对配电网电压分布 、 网损变化影响的规律性 ,使电网可靠平稳运行 。基于辐射状链式结构配电网 的恒功率负荷模型 ,采用前推回代的配电网潮流算法 ,从理论上分析了分布式发电对配电网潮流的影响 。根据潮流计算结 果 ,结合 33 节点标准配电网测试系统 ,研究了分布式发电接入位置和注入容量的改变 , 对配电网网损和电压分布的影响 。 利用 MATLAB 平台进行仿真对比 ,仿真结果表明 ,合理配置分布式发电位置和容量能够更有效地改善配电网网损和维持电 压稳定 。 关键词 : 分布式发电 ; 配电系统 ; 网损 ; 电压分布 ; 接入位置 ; 注入容量 中图分类号 : T M743    文献标识码 : B

I pact of D istr ibuted Genera tion on D istr ibution m System Power L oss and Voltage Prof ile
L I Lei, J I N G Hui, PEN G J ian - chun U A
( College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha Hunan 410082, China ) ABSTRACT: In order to study the regularity of distributed generation (DG) exerting influence on the power loss and voltage p rofile of distribution net ork system , this paper, based on the general analytical model of radial distribution w eration on the power flow of distribution network. Then according to the power flow calculation results and combined tion and capacity of distributed generation on the power loss and voltage p rofile of distribution network. Finally, system s and using the for ward and backward substitution method, analyses theoretically the impact of distributed gen2 through the sim ulation comparison based on MATLAB , it can be shown that rational distribution of the location and

1  引言

近些年来 ,分布式发电 ( D istributed Generation, DG) 已成 为人们关注的热点之一 [ 1 - 3 ] 。分布式发电是指将发电系统 以小规模 (几十 kW 到几十 MW 的小型模块 ) 、 分散式的方式 布置在用 户 附 近 , 能 够 经 济 、 效 、 靠 地 输 出 电 能 的 系 高 可 统 [ 4 ] 。将分布式发电合理配置到现有配电系统中 ,是今后分 布式发电的发展趋势 。已有研究指出 ,到 2010 年 ,新增分布 式发电总容量将占新增电源总容量的 20% [ 5 ] 。 目前 ,我国城乡大多数的配电系统仍以辐射状链式结构 为主 。虽然辐射状方式的配电网结构简单 ,保护装置的整定
收稿日期 : 2008 - 12 - 28   修回日期 : 2009 - 03 - 05

w ith the 33 nodes standard distribution network test system , the paper studies the influence law of the change of loca2 capacity of distributed generation can effectively imp rove the power loss and keep voltage stability . tion; Penetration level KEYWO RD S:D istributed generation; Electric distribution system; Power loss; Voltage p rofile; Interconnected loca2

也比较简单 ,但该结构属单电源供电方式 , 可靠性低 。随着 分布式发电技术的引入 ,配电网的可靠性和经济性将得到提 高 。但同时也将对其网损 , 电压分布等产生较大影响 [ 6 - 9 ] , 且其影响程度与分布式发电的位置和容量密切相关 [ 10 - 11 ] 。 文献 [ 6 ]采用遗传算法分别解决了电网改造升级投资最少和 发电机耗费最省的问题 。文献 [ 7 ]分析了因电网的故障水 平 、 /R 的比值 、 X 发电机的类型及原动机的不同而导致的稳 态电压偏移 、 暂态电压闪变 、 电压波形畸变 、 相电压不平衡 。 文献 [ 8 ]采用一种基于参数分析的方法研究了分布式发电对 负荷节点电压的影响 。但是没有给出多负荷节点的辐射状 配电网络电压分布的一般表达式 ,而且只能研究单个分布式 发电的情况 。文献 [ 10 ]根据分布式发电出力变化 、 接入位置 变化以及与线路电压调节配合的试验 ,分析了分布式发电对

— 279 —

配电网的电压支撑作用 。但是没有结合不同情况下各支路 的网损进行综合比较 。文献 [ 11 ]利用两个测试系统 ,粗略分 析了分布式发电对配电网可靠性 ,网损和电压的影响 。但是 没有分析其影响的规律性 。 以往研究中多是单纯从定性的角度分析 DG对配电网 的影响 ,并没有做定量分析 ,缺乏直观性 ; 并且只粗略说明了 影响规律 ,并没有针对标准测试系统进行细致分析 , 缺乏工 程应用性 。本文基于恒功率负荷模型 , 对接入 DG的辐射状 配电网进行研究 。结合 33 节点标准配电网系统 , 分别改变
DG的接入位置和注入容量 , 采用前推回代的配电网潮流算

支路进行编号 , 依次编为 1, 2, ……, n, 相应支路的线损为 ΔP i + Δ i。形成的配电网络如图 1 所示 。图中第 k 个节点 jQ 上 , 有一个注入功率为 PDG + j DG的 DG[ 10 ] 。 Q

图 1  多节点恒功率配电网络

法 ,经过定量分析 ,得到相应情况下的系统网损和节点电压 数据 ,并提出了对比节点电压前后变化的电压变化率指标 。 最后将各种情况进行仿真对比 , 讨论了 DG对配电网网损和 电压分布的影响规律 。这些规律对实际 DG 应用中减小有 功损耗和维持电压稳定有一定的参考价值 。

3. 1   节点功率计算

由图 1 可知无 DG加入时 , i节点处的有功功率和无功功 率分别为 :
n n

P ( i) =


j= i

Pj +

j = i+1

Δ ∑P

j

( 1 ≤ i < n) ( i = n)

( 1)

2   D G 的配电网潮流计算 含
主要研究对象是引入 DG 的配电网潮流变化情况 。传 统的配电网潮流计算主要有 3 种方法 : 直接法 、 前推回代法 和牛顿拉夫逊法 。文献 [ 12 ]通过对不同 DG模型的运行模 式和控制特性进行分析 ,在直接法的基础上提出了基于灵敏 度补偿的配电网潮流计算 。文献 [ 13 ]通过将发电机视为有 功功率恒定的受控电压源 , 采用牛顿拉夫逊法求解含有 DG 的配电网潮流 。文献 [ 14 ]采用前推回代法求解含有 DG的 辐射型配电网潮流 ,建立了基于前推回代法的设备模型 。 前推回代法是当前应用广泛的配电网潮流算法 , 具有较 好的线性收敛性能 [ 15 ] 。与直接法相比 , 前推回代法在迭代 过程中无需复杂的高阶矩阵运算 , 计算速度较快 , 因而本文 选用前推回推法对含 DG 的配电网进行潮流计算 。前推回 代法在每次前推过程中由网络的电压求得潮流分布 , 回代 过程中由功率分布推算电压的分布 ,不断重复回代和前推两 个步骤 ,根据电压误差判断是否收敛 。由于本文 DG采用恒 功率模型 , 故可将 DG视为 PQ 值给定的负荷节点进行潮流 计算 。
P ( i) = Q ( i) =

Pn
n n j

∑Q
j= i

+

j = i+1

Δ ∑Q

j

( 1 ≤ i < n) ( i = n)

( 2)

Qn i支路的有功损耗和无功损耗分别为 :

ΔP i = ΔQ i =

( P ( i) 2 + Q ( i) 2 ) R i Ui
2

( 3)

( P ( i) 2 + Q ( i) 2 ) X i Ui
2

( 4)

   k 节点加入 DG后 , i节点处的有功功率和无功功率分 在 别为 :
n n


j= i n j= i

Pj +

j = i+1 n j

Δ ∑P Δ ∑P

j

- PDG

( 1 ≤ i ≤ k) ( 5)

∑P
Pn
n

+

j

( k < i < n) ( i = n)

j = i+1

n j

∑Q
j= i n

+

j = i+1 n

Δ ∑Q Δ ∑Q

j

- QDG

( 1 ≤ i ≤ k) ( 6)

3  配电网解析模型
线路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 ,本文采用恒功率静态模型来表示馈线上各节点的负荷 。 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 。DG亦采用恒功率模型 , 不随节点电压的变化而改变 ,其功率因数设定为 019。并且 将变电所以上的网络全部等值为电压源 。分析中系统母线 电压始终保持不变 ,即系统首端采用恒电压输出模型 。 假设线路可分为 n 段 , 每一小段线路的阻抗为 R i + jX i。 沿线路将节点进行编号 , 从系统电源的 0 母线开始 , 依次编 为 1, 2, ……, n, 相应节点的负荷功率为 P i + j i。沿线路将 Q

Q ( i) =


j= i

Qj +

j

( k < i < n) ( i = n)

j = i+1

Qn

始逐条支路进行电压计算 , 求得所有节点的电压 。其中 , i节 点处的电压为 :
Ui =

— 280 —

312   节点电压计算
U i- 1 -

利用以上功率计算公式求得各节点功率 , 从系统母线开

P ( i - 1) R i +Q ( i - 1) X i U i- 1

2

+

P ( i - 1) X i - Q ( i - 1) R i U i- 1

2

( 7)

313   收敛条件

以前后两次迭代的电压偏差作为迭代收敛条件 , 当节点

电压 幅 值 最 大 偏 差 小 于 容 许 误 差 ε 时 , 即 max
Ui
( k + 1)

从图 4 中可以看出 : ① 加入 DG之后 ,系统网损得到一定 改善 。 ② 同一馈线上 ,随着 DG的注入位置与系统电源距离 的增大 ,网损先减小再增大 。图 5 可作为其理论依据 , 假设 Ω 负荷均匀分布 ,单位长度电阻为 1 , P 为有功功率 , l为馈线 长度 , DG的容量为 PD G , l0 处的功率为 Pl0 。可见网损最小的 位置大约在 Pl0 = PD G /2 处 。

- Ui

k

<ε时 , 则认为迭代收敛 , 迭代过程结束 。

3. 4   简单配电网分析

用以上的分析方法对简单配电网进行分析 。图 2 近似 表示了加入 DG后 , 简单配电网的潮流和电压所受的影响 。 Ω 各支路的阻抗均为 0. 5 + j0. 5 ,各节点的负荷功率均为 100
+ j100kV ?A。显然 , DG的加入对其所在配电网的潮流会产

生影响 ,这不仅仅会改变线路有功功率和无功功率的大小 , 甚至会改变某些支路的潮流方向 。相应的 ,各节点电压同样 会受到一定程度的影响 。

图 2  D G 对潮流和电压分布的影响

4  仿真算例
本文采用如图 3 所示的 33 节点辐射状配电网系统 。并 通过计算多个算例来反映不同地点 ,不同容量 DG对配电网 网损和电压分布的影响 。系统母线电压取 1015kV , 收敛精
图 3  33 节点配电网络系统

度为 1. 0 × - 5 。所有节点负荷和支路阻抗参见文献 [ 16 ]。 10 图 6 比较了在没有 DG接入的情况下 , 以及 DG放置在 节点 4, 5, 15 时 , 1 ~17 支路各自的线损情况 。从图中很容易 发现 , ① 系统电源与 DG 接入点之间的支路线损改善明显 , 而其后端支路的线损改善不大 。例如 DG放置在节点 4 时 , 5 ~17 支路各自的线损几乎和无 DG时的线损是重合的 。 ② 当 DG分别放置在节点 4 与节点 5 时 , 其他支路的线损变化 不明显 ,但是支路 5 却有一个明显的变化 。通过比较发现 , 无 DG情况下 , 5 支路的线损非常大 。所以 ,可以得出这样的 结论 : 线损越高的支路受 DG的影响越大 。 但是 ,并非所有支路的线损都会因 DG 的接入而减小 。 如 DG注入 15 节点后 , 13, 14, 15 支路的线损都大于无 DG的 情况 。
4. 2  D G 容量变化对网损的影响

4. 1  D G位置变化对网损的影响

DG容量取 1000 + j484 kV ?A ,为直观反映其规律性 ,只

将 DG放置在同一馈线的不同节点处进行比较 ,本文选择节 点 1 ~17。图 4 为相应的仿真结果比较 。

将 DG放置在节点 7,不同容量 DG对应的编号见表 1。
表 1  D G 容量对应的编号 编号
0 1 2 DG容量 / kV ?A

编号
6 7 8

DG容量 / kV ?A 3000 + j1452 3500 + j1694 4000 + j1936

无 DG
500 + j242 1000 + j484

图 4  D G 位置变化引起的网损比较

— 281 —

编号
3 4 5

DG容量 / kV ?A 1500 + j726 2000 + j968 2500 + j1210

编号
9 10 11

DG容量 / kV ?A 4500 + j2178 5000 + j2420 5500 + j2662

图 9  D G 位置变化引起的节点电压变化比较

越大 。例如当 DG放置在节点 6 时 , 仍然有部分节点电压越 过安全运行下限 ; 而当 DG放置在节点 16 时 , 甚至有部分节 点电压超过送端系统母线电压 。 ③ 加入 DG后 , 线路电压不 再单调下降 。从系统母线开始 , 电压先是逐步降低 , 在功率
图 7  D G 容量变化引起的网损比较

分点处附近的支路电压将会出现一个局部极小 ; 从功率分点 到接入点之间电压略有上升 ,电压从逐步降低过渡到逐步升 高 ; 在 DG接入处附近支路电压出现局部极大 ; 接入点之后 电压再逐步降低 ,到末端处电压再次出现局部极小 。末端电 压可能不再是线路电压的最小点 。 ④ 最后还可以发现 ,容量 相同的 DG,不论在何处接入 ,只是在接入点之后的节点电压 有所不同 ,之前的节点电压曲线基本重合 。
4. 4  D G 位置变化时电压变化率的比较

从图 7 可以看出 , 当 DG 位置确定时 , ① 随着 DG容量    的增大 ,网损先减小后增大 。如图 8 所示 , 假设负荷均匀分 Ω 布 ,单位长度电阻为 1 , P 为有功功率 , l为馈线长度 , DG 的 容量为 PDG , l0 处的功率为 P l0 , 系统母线出功率为 P0 。则使 网损最小的容量大约为 PDG =
P0 + P l0

2

。② 并非加入 DG后网

损都会减小 ,图 7 中容量编号为 11 即当 DG容量为 5500 +
j2662 kV ?A 时 , 系统网损大于无 DG 系统网损 。因此 , 当 DG容量大于系统总负荷量时 ,网损反而有可能增大 。但是 ,

为量化同一节点在 DG接入前后的电压变化程度 , 采用 电压变化率指标来进行分析 。假设 i节点处接入 DG前的节 点电压为 U i ,接入 DG后的节点电压为 U ′则电压变化率指 i, 标为 :ε =
U ′- U i i Ui

为保证系统为严格吸收型 , DG容量应小于系统总负荷容量 。

。电压变化率指标越大 , 说明该点电压受

分布式发电的接入影响越大 。
10, 14处 ,求出各节点电压变化率。 选择节点 1~17进行比较。 DG容量仍然取 1200 + j58018 kV ?A,分别放置在节点 6,
图 10  D G 的位置变化引起的电压变化率比较

图 8  D G 位置确定 , 网损最小的注入容量

4. 3  D G位置变化对电压分布的影响 DG容量取 1200 + j58018 kV ?A ,分别放置在节点 6, 10,

14, 16 处 ,并进行潮流计算 ,求出各节点电压 。为直观反映其

规律性 ,只对同一馈线的不同节点进行比较 ,本文选择节点 1 ~17。 仿真结果表明 , ① 在没有 DG 加入时 , 线路多个节点电 压已经越过安全运行的下限 。当 DG投入运行时 , 线路电压 有了明显改善 。所以 , DG能提高系统的电压水平 。 ② 容量 相同 DG放置在不同位置时 , 得到的电压分布有着较大差 异 。通过比较不难发现 , DG越靠近系统电源 ,对线路电压分 布的影响越小 ; DG越靠近线路末端 ,对线路电压分布的影响

从图 10 中可以看出 ,不论 DG的接入位置如何改变 : ① 越接近末节点 ,电压变化率都越大 ,即越靠近线路末端 ,电压 受 DG的影响越大 。 ②系统电源与接入点之间所有节点的 电压变化率曲线基本重合 ; 而接入点到线路末端之间各节点 的电压变化率都基本维持不变 。

— 282 —

4. 5  D G容量变化对电压分布的影响

[2]  张颖颖 ,曹广益 , 朱新坚 . 燃料电池 —— — 有前途的分布式发电

将 DG放置在节点 10,不同容量 DG对应的编号见表 2。
表 2  D G 容量对应的编号 编号
0 1 2 DG容量 / kV ?A

技术 [ J ]. 电网技术 , 2005, 29 ( 2) : 57 - 61.
[3]  沈海权 ,李庚银 ,周明 . 燃料电池和微型燃气轮机的动态模型

编号
3 4 5

DG容量 / kV ?A 600 + j290. 4 800 + j387. 2 1000 + j484

综述 [ J ]. 电网技术 , 2004, 28 ( 14) : 79 - 82.
[ 4 ]   T Ackerman, G Anderson, L Seder D istributed Generation: a . Definition [ J ]. Electric Power System Research, 2001, 57 ( 6 ) : 195 - 204. [ 5 ]  P P Barker, R W De Mello. Deter ining the I pact of D istributed m m Generation on Power System Part I: Radial D istribution System s [ C ]. Proceedings of IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, July, 200011645 - 1656. power quality[ C ]. November, 199516 /1 - 6 /4. 200211423 - 1428. PSCC, 2002.

无 DG
200 + j96. 8 400 + j193. 6

图    11 表明在不改变 DG位置的情况下 , 节点电压的提 高由 DG 的 容 量 决 定 , DG 的 容 量 越 大 , 整 体 电 压 水 平 就 越高 。

[ 6 ]  A Silvestri, ABerizzi, S Buonanno. D istributed generation p lanning using genetic algorithm s[ C ]. International Conference on Electric Power Engineering, August, 19991257.

[ 7 ]  N Jenkins, G Strbac. Effects of small embedded generation on IEE Colloquium on Issues in Power Quality,

图 11  D G 容量变化引起的的节点电压变化

5  结论
DG作为一种具有较高能源利用率和良好环保性能的发

电技术 ,无论从节能角度还是从提高系统安全性和灵活性角 度 ,都能够带来巨大的经济效益和社会效益 。为了更好地利 用 DG优点并充分发挥其作用 , 必须对 DG给配电网带来的 影响进行定量分析 。本文基于 33 节点辐射状配电网络系 统 ,结合多个仿真试验总结了 DG对配电网网损和电压分布 的影响规律 ,并得出了以下重要结论 :
1 )将 DG引入到配电网络 ,的确会对其网损和电压分布

产生重大影响 ,具体影响程度取决于 DG接入位置和注入容 量两个因素 。 ⑵ 容量一定的 DG,放置在 l0 处 , 当 P l0 = PDG / 2 时 , 网损 最小 ; 而位置一定的 DG, 容量为 PDG =
P0 + P l0

2

时 , 网损最小 。

2 ) DG越靠近线路末端 ,节点电压变化率越大 ,对线路电

压分布影响也越大 ; DG的容量越大 , 整体电压水平越高 , 但 应尽量使 DG容量小于系统总负荷容量 ,以保证系统为严格 吸收型 。 本文的 DG采用恒功率模型 , 有一定的粗糙性 , 但是考 虑到配套热负荷的特殊需求以及环保和经济性的要求 , DG 需要运行在额定工况附近 ,即 DG的有功 , 无功变化较少 , 所 以本文的模型仍然对实际 DG改善网损和维持电压稳定 ,以 及 DG的选址和定容有一定的参考价值 。 参考文献 :
[1]  梁有伟 ,胡志坚 ,陈允平 . 分布式发电及其在电力系统中的应

济分析与风险管理和新能源发电技术等研究工作 。

彭建春 ( 1964 - ) ,男 (汉族 ) ,湖南常德人 ,博士 ,教授 ,博士生导师 ,从
事电力系统优化运营与控制、 电力系统安全稳定经济运行等研究工作。

用研究综述 [ J ]. 电网技术 , 2003, 27 ( 12) : 71 - 75.

[ 8 ]  R Caire, N Retiere, SMartino. I pact A ssess m ment of LV D istribu2 ted Generation on MV D istribution Network [ C ]. Proceedings of 2002 IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, July, [9]  钱科军 ,袁越 , ZHOU Cheng - ke. 分布式发电对配电网可靠性

的影响研究 [ J ]. 电网技术 , 2008, 32 ( 11) : 74 - 78. 系统自动化 , 2004, 28 ( 16) : 56 - 60.

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[ 11 ]  C L T Borges, D M Falcao. I pact of distributed generation allo2 m cation and sizing on reliability, losses and voltage p rofile [ C ]. Power Tech Conference Proceedings, June, 200315. [ J ]. 电力系统自动化 , 2006, 30 ( 1) : 35 - 40. terconnection of distributed generators [ C ]. [ J ]. 中国电机工程学报 , 1999, 19 ( 7) : 26 - 29. [ 12 ]   陈海焱 ,陈金富 , 段献忠 . 含分布式电源的配电网潮流计算 [ 13 ]  Abur H Singh, H L iu, W H Klingens ith. Three phase power m flow for distribution system s with dispersed generation [ C ]. 14 th [ 14 ]  Shingenori Naka, Takamu Genji, Yoshikazu Fukuyama. Practical neering Society Summer Meeting, 2001. [ 15 ]   孙宏斌 ,张伯明 ,相年德 . 配电潮流前推回推法的收敛性研究 [ 16 ]   王守相 ,王成山 . 现代配电系统分析 [M ]. 北京 : 高等教育出

版社 , 2007.

equipment models for fast distribution power flow considering in2

[作者简介 ]

刘   ( 1983 - ) ,男 (汉族 ) , 山东泰安人 , 硕士研 磊
究生 ,从事电力系统优化运行与规划 、 新能源发电 技术的研究工作 。

江   ( 1968 - ) , 女 (汉族 ) , 湖南常德人 , 博士 , 辉

教授 ,从事电力系统优化运行与规划 、 电力系统经

IEEE Power Engi2

— 283 —


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