配電網(wǎng)中分布式電源接入體系研究

張婷婷，劉 晨，宮及峰，趙婉旭

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司計(jì)量中心，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

配電網(wǎng)中分布式電源接入體系研究

張婷婷，劉 晨，宮及峰，趙婉旭

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司計(jì)量中心，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

分布式電源的產(chǎn)生，對(duì)配電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了巨大支撐，有效緩解了能源危機(jī)及環(huán)境問(wèn)題。在分布式電源接入過(guò)程中，需要考慮不同的接入等級(jí)、接入容量及位置對(duì)配電網(wǎng)帶來(lái)的影響。針對(duì)配電網(wǎng)中分布式電源的接入，分析了分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)的影響及分布式電源接入配電網(wǎng)應(yīng)遵守的相關(guān)約束條件；綜合考慮了不同因素，提出了配電網(wǎng)中分布式電源的接入體系，詳細(xì)介紹了分布式電源接入準(zhǔn)入容量和最優(yōu)接入容量計(jì)算原則及方法；在所提分布電源接入體系基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了在典型光伏系統(tǒng)接入33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)中，驗(yàn)證該體系有助于指導(dǎo)分布式電源的接入。

分布式電源；配電網(wǎng)；接入體系

一次能源的過(guò)度利用、環(huán)境污染的進(jìn)一步加劇等問(wèn)題給社會(huì)發(fā)展帶來(lái)諸多不利影響。電能作為社會(huì)生活必不可少的條件，其作用越來(lái)越明顯，資源問(wèn)題給傳統(tǒng)發(fā)電帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的日益成熟，人們加大了對(duì)可再生能源的研究進(jìn)程，分布式電源（distributed generation，DG）因此得到了快速發(fā)展。其發(fā)電的靈活性、清潔性給配電網(wǎng)帶來(lái)了諸多益處，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要舉措。

分布式電源的接入對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生了一定影響，然而，能源供給的新途徑如何選擇接入方式則會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生不同影響［1－2］。文獻(xiàn)［3］從經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性等3個(gè)方面建立了分布式電源接入評(píng)價(jià)體系，通過(guò)相關(guān)體系的建立評(píng)估分布式電源的并網(wǎng)效用；文獻(xiàn)［4－6］分別從電能質(zhì)量、電壓穩(wěn)定性、系統(tǒng)重構(gòu)等方面對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)系統(tǒng)后的狀態(tài)進(jìn)行了深入評(píng)估。然而，上述研究?jī)H針對(duì)接入后對(duì)配電網(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，而未涉及分布式電源接入模式及相關(guān)體系的研究。

分布式電源接入體系的研究對(duì)開(kāi)展分布式電源的接入具有一定的指導(dǎo)意義?；诖?，本文首先從理論層次分析了分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)的影響及相關(guān)約束條件；其次，綜合考慮不同因素，提出了配電網(wǎng)中分布式電源的接入體系，詳細(xì)介紹了分布式電源準(zhǔn)入容量和最優(yōu)接入容量計(jì)算原則及方法，最后，在分布式電源接入體系研究基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了1個(gè)典型光伏系統(tǒng)接入33節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)，驗(yàn)證該體系有助于完成不同種類(lèi)分布式電源的接入。

1 理論分析

分布式電源的接入改變了原有配電網(wǎng)的潮流分布情況，作為獨(dú)立的供電單元，分布式電源可向配電網(wǎng)中輸送功率。分布式電源接入配電網(wǎng)模型如圖1所示。

圖1 分布式電源的配電網(wǎng)模型

分布式電源接入第i個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，則第i個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)處的功率情況如式（1）、式（2）所示。

式中：Pi和Qi分別是配電網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)i處流出的有功及無(wú)功功率；Ui是節(jié)點(diǎn)i處的電壓；ri、xi分別是節(jié)點(diǎn)i與其下一節(jié)點(diǎn)所聯(lián)的支路電阻及支路電抗；PLi、QLi分別是節(jié)點(diǎn)i處的有功負(fù)荷及無(wú)功負(fù)荷；Pdgi、Qdgi分別為節(jié)點(diǎn)i處分布式電源注入的有功和無(wú)功功率。

分布式電源接入后會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生瞬時(shí)的沖擊。當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，各節(jié)點(diǎn)及線(xiàn)路上的潮流應(yīng)處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，即滿(mǎn)足式（3）約束條件：

然而，在分布式電源接入過(guò)程中，同樣應(yīng)考慮分布式電源的發(fā)電能力，系統(tǒng)接入點(diǎn)的承受能力及線(xiàn)路的承載能力。

a.節(jié)點(diǎn)電壓約束

式中：Uimax和Uimin分別為配電網(wǎng)系統(tǒng)中第i個(gè)節(jié)點(diǎn)處的電壓上限及下限值，即在分布式電源接入配電網(wǎng)系統(tǒng)后，接入點(diǎn)電壓不得超過(guò)1.07 pu。

b.DG功率約束

式中：Pdgimax為分布式電源發(fā)電的最大限值，即在分布式電源接入中接入容量不應(yīng)超過(guò)其最大的發(fā)電容量。

c.支路功率約束

式中：Pkmax是配電網(wǎng)系統(tǒng)中第k條支路的最大傳輸功率值；Nline為支路總數(shù)，即考慮到配電網(wǎng)線(xiàn)路的最大載流量。

2 分布式電源接入體系研究

2.1 接入流程

目前，分布式電源發(fā)電還處于發(fā)展階段，在接入過(guò)程中往往以分布式電源能夠并網(wǎng)，能夠輸送電能為基準(zhǔn)。然而，不同的接入位置及容量對(duì)配電網(wǎng)的影響不盡相同，盲目接入則會(huì)帶來(lái)相反的效果。因此，制定適合分布式電源的接入體系有助于實(shí)現(xiàn)正確的分布式電源接入方式，通過(guò)相關(guān)指標(biāo)明確分布式電源最佳的接入方案。分布式電源接入體系的研究對(duì)開(kāi)展分布式電源的接入具有一定的指導(dǎo)意義。在分布式電源接入過(guò)程中應(yīng)綜合考慮分布式電源的種類(lèi)、接入等級(jí)、接入容量、并網(wǎng)點(diǎn)及設(shè)備配置等因素。本文所提的分布式電源接入體系如圖2所示。

圖2 分布式電源接入體系

2.2 準(zhǔn)入容量確定

分布式電源的準(zhǔn)入容量體現(xiàn)了原有配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于分布式電源分散注入功率的最大接納能力。準(zhǔn)入容量的確定與配電網(wǎng)電壓、系統(tǒng)保護(hù)、穩(wěn)定性、可靠性等一系列的運(yùn)行參數(shù)有關(guān)［7］。

準(zhǔn)入容量需考慮系統(tǒng)電壓約束、系統(tǒng)保護(hù)約束、諧波約束、啟停約束及其他約束條件。

2.3 最優(yōu)接入容量確定

準(zhǔn)入容量下的分布式電源接入無(wú)法保證系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，如何確定最優(yōu)的接入容量和位置則是另一個(gè)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。研究分布式電源最優(yōu)接入容量及位置時(shí)，應(yīng)先確定相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)、建立相應(yīng)的理論優(yōu)化模型，然后通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算方法得出最優(yōu)量。優(yōu)化模型可從費(fèi)用、降損、可靠性角度對(duì)分布式電源接入進(jìn)行建模［8］，如考慮降損問(wèn)題的建模如下：

式中：f為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗函數(shù)，Pi、Qi分別為支路i末端的有功與無(wú)功負(fù)荷；Ui為支路i末端的電壓；Ri為支路i的電阻；n為支路數(shù)。

分布式電源最優(yōu)接入容量求解需要復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，潮流分布的動(dòng)態(tài)改變加大計(jì)算的難度和時(shí)間。智能優(yōu)化算法對(duì)于求解復(fù)雜的非線(xiàn)性問(wèn)題、多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題提供了良好的途徑。遺傳算法、粒子群算法、螢火蟲(chóng)算法、蟻群算法等智能優(yōu)化算法得到了廣泛應(yīng)用。

2.4 并網(wǎng)點(diǎn)選擇

配電網(wǎng)系統(tǒng)分布式電源的并網(wǎng)電壓等級(jí)主要有10 kV及380 V 2類(lèi)。10 kV系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)分布式電源的接納能力較大，可實(shí)現(xiàn)中等規(guī)模的分布式電源的接入，在10 kV系統(tǒng)中，分布式電源主要的并網(wǎng)點(diǎn)包括公共電網(wǎng)變電站10 kV母線(xiàn)、公共電網(wǎng)開(kāi)關(guān)站、配電室或箱變10 kV母線(xiàn)、公共電網(wǎng)10 kV線(xiàn)路及用戶(hù)10 kV母線(xiàn)。

380 V系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)分布式電源的接納能力較弱，往往適合自發(fā)自用、余量上網(wǎng)的小型分布式電源接入，分布式電源接入380 V系統(tǒng)的主要并網(wǎng)點(diǎn)包括公共電網(wǎng)配電室或箱變380 V母線(xiàn)、公共電網(wǎng)配電箱380 V母線(xiàn)、用戶(hù)配電室或箱變380 V母線(xiàn)和用戶(hù)配電箱380 V母線(xiàn)。

2.5 系統(tǒng)配置

分布式電源接入10 kV及380 V系統(tǒng)根據(jù)不同的分布式電源接入種類(lèi)，存在不同的系統(tǒng)配置，系統(tǒng)配置主要包括繼電保護(hù)配置、調(diào)度自動(dòng)化配置及相關(guān)的通信與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置。

3 案例分析

本文選取某地區(qū)的1個(gè)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，其中配電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)33節(jié)點(diǎn)的參數(shù)如表1所示。

圖3 配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 系統(tǒng)33節(jié)點(diǎn)參數(shù)

在本次分布式電源接入中，選取光伏發(fā)電作為接入電源，接入系統(tǒng)10 kV電壓等級(jí)。

考慮到分布式電源接入點(diǎn)電壓約束，對(duì)分布式電源的準(zhǔn)入容量進(jìn)行計(jì)算，即保證分布式電源接入點(diǎn)處的系統(tǒng)電壓不得超過(guò)1.07 pu。通過(guò)計(jì)算得出系統(tǒng)33節(jié)點(diǎn)不同的系統(tǒng)準(zhǔn)入容量如圖4所示。

圖4 33節(jié)點(diǎn)各節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)入容量

從圖4中可以看出，配電網(wǎng)不同的節(jié)點(diǎn)對(duì)分布式電源的最大接納能力不同，11節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)入容量最大，說(shuō)明處于中間位置的接入點(diǎn)的接納能力最大，而兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)入容量相對(duì)較小。

針對(duì)最優(yōu)接入容量的技術(shù)，本文以系統(tǒng)網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)，建立了系統(tǒng)優(yōu)化模型，網(wǎng)損目標(biāo)函數(shù)如式（8）所示：

式中：N表示該配電網(wǎng)系統(tǒng)中電網(wǎng)支路的條數(shù)；i，j分別為第k條支路兩端的節(jié)點(diǎn)編號(hào)；Gk（i，j）則為配電網(wǎng)支路k的電導(dǎo)；δij為節(jié)點(diǎn)i，j的電壓相角差。

粒子群算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尋優(yōu)能力及收斂能力較強(qiáng)，因此，本文選用粒子群算法進(jìn)行分布式電源接入最優(yōu)容量的尋優(yōu)。通過(guò)尋優(yōu)得到了系統(tǒng)最小網(wǎng)損下的分布式電源接入點(diǎn)及位置為［16，582 kW］，最優(yōu)接入容量為582 kW，小于16節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)入容量664 kW，滿(mǎn)足系統(tǒng)接入點(diǎn)電壓要求。

通過(guò)結(jié)合實(shí)際接入點(diǎn)的地理位置情況及能源使用情況等，本次光伏發(fā)電選擇接入10 kV用戶(hù)母線(xiàn)，在本次光伏系統(tǒng)接入設(shè)備配置中，并網(wǎng)點(diǎn)配置1套三段式電流保護(hù)，具備低周低壓功能。斷路器采用20 kA；在用戶(hù)10 kV側(cè)設(shè)安全自動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)頻率電壓異常緊急控制功能，跳開(kāi)相應(yīng)斷路器。接入10 kV母線(xiàn)的開(kāi)關(guān)具備遙信、遙測(cè)功能。配置電能量遠(yuǎn)方終端，采集光伏電站所有并網(wǎng)點(diǎn)電量信息，并配置電網(wǎng)調(diào)度管理終端和路由器、交換機(jī)，接入電網(wǎng)調(diào)度管理系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

分布式電源接入體系的研究對(duì)開(kāi)展分布式電源的接入具有一定的指導(dǎo)意義。本文首先從理論層次對(duì)分布式電源接入后的潮流進(jìn)行了分析，同時(shí)分析了分布式電源接入點(diǎn)處需要滿(mǎn)足的相關(guān)約束；其次，建立了配電網(wǎng)中分布式電源的接入體系，并詳細(xì)介紹了分布式電源準(zhǔn)入容量和最優(yōu)接入容量的計(jì)算原則及相關(guān)方法，最后，在本分布電源接入體系基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了1個(gè)典型光伏系統(tǒng)接入33節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)，對(duì)接入點(diǎn)的準(zhǔn)入容量及最優(yōu)接入容量進(jìn)行了計(jì)算分析，并得到了優(yōu)化結(jié)果，驗(yàn)證了該體系的適用性。

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Research on Distributed Generation Access System in Distributed Grid

ZHANG Ting?ting，LIU Chen，GONG Ji?feng，ZHAO Wan?xu
（State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Metrological Center，Shenyang，Liaoning 110168，China）

The distributed power generation provides great support on distribution network safety，reliability and economic operation，the energy crisis and environmental problems are also effectively alleviated.However，the impacts of the distribution network bring by the distributed power different levels of access，capacity and location should be the considered.The impact of distributed power access to the distribution network and the relevant constraints complied by the distributed power distribution are analyzed in this paper.The ac?cess system of the distributed power considering different factors is presented，the distributed power capacity and optimal access capacity calculation principles and methods are presented in details.A typical PV system distribution network accessing to the power system of 33 nodes is achieved based on the realization of the access system and the direction of the access system proposed in this paper is verified.

Distributed generation；Distributed grid；Access system

TM732

A

1004－7913（2016）06－0004－04

張婷婷（1977—），女，學(xué)士，高級(jí)技師，從事電力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究。

2016－01－22）