陳永秋，羅振威，顧 全

（1.江門供電局，廣東 江門 529000；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100）

分布式發(fā)電（distributed generation，DG）通常是指發(fā)電功率在幾千瓦至數(shù)百兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的、高效、可靠的發(fā)電單元，主要包括：以液體或氣體為燃料的內(nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、太陽(yáng)能發(fā)電（光伏電池、光熱發(fā)電）、風(fēng)力發(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電等［1］。

分布式發(fā)電的優(yōu)勢(shì)在于可以充分開(kāi)發(fā)利用各種可用的分散存在的能源（包括本地方便獲取的化石類燃料和可再生能源），并提高能源的利用效率。分布式電源通常接入中壓或低壓配電系統(tǒng)，并會(huì)對(duì)配電系統(tǒng)產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響。

1 分布式電源潮流計(jì)算分析

傳統(tǒng)配電網(wǎng)中一般包含2種節(jié)點(diǎn)類型：Vθ節(jié)點(diǎn)和PQ節(jié)點(diǎn)，其中：V為電壓幅值；θ為相角；P為有功功率；Q為無(wú)功功率。變電站出口母線通常視為Vθ節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)（包括負(fù)荷節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)）都視為PQ節(jié)點(diǎn)。隨著各種分布式電源加入配電網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)中出現(xiàn)了新的節(jié)點(diǎn)類型，主要包括：①P恒定、V恒定的PV節(jié)點(diǎn)；②P恒定、電流幅值I恒定的PI節(jié)點(diǎn)；③P恒定、V不定、Q受P和V限定的PQ（V）節(jié)點(diǎn)。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要針對(duì)不同的節(jié)點(diǎn)類型采用不同的處理方法，其本質(zhì)是在潮流計(jì)算的每個(gè)迭代步驟上將各種類型的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成為傳統(tǒng)方法能夠處理的PQ節(jié)點(diǎn)或 PV 節(jié)點(diǎn)［2，3］。

由于牛頓法具有二階收斂特性，在配電網(wǎng)潮流計(jì)算中仍然保持著收斂速度和迭代次數(shù)方面的優(yōu)勢(shì)。雖然配電網(wǎng)末端母線電壓偏低，但正常運(yùn)行情況下，各節(jié)點(diǎn)的電壓也在額定電壓附近，各節(jié)點(diǎn)的電壓相角差也不會(huì)很大，初值采用平啟動(dòng)的方式，牛頓法都能得到滿意的結(jié)果。所以在配電網(wǎng)潮流計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用中，牛頓法仍然是一種性能優(yōu)良的潮流計(jì)算方法［4，5］。具體潮流計(jì)算流程如圖1所示。

2 DG接入電網(wǎng)的性能評(píng)估

本文以IEEE-33節(jié)點(diǎn)母線測(cè)試系統(tǒng)為例，33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)如圖2所示（0為平衡節(jié)點(diǎn)），支路編號(hào)與該支路的受端節(jié)點(diǎn)編號(hào)一致。三相功率的基準(zhǔn)值SB=10MVA，線電壓的基準(zhǔn)值UB=12.66 kV，根節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值為1.0，計(jì)算精度ε=10-6。系統(tǒng)總有功負(fù)荷為3 715 kW，總無(wú)功負(fù)荷為2 300 kvar。

圖1 含DG的配電網(wǎng)牛頓法潮流計(jì)算原理

圖2 IEEE-33母線測(cè)試系統(tǒng)

33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)中接入的各種類型的DG參數(shù)如下：①光伏電站：有功功率150 kW，I*=0.016 6；②燃料電池電站：有功功率250 kW，I*=0.027 7；③風(fēng)力發(fā)電機(jī)：有功功率1.5 MW，定子電抗Xs=0.036 92Ω，定子電阻Rs=0.001 692Ω，轉(zhuǎn)子電抗Xr=0.037 59Ω，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.002 423Ω，勵(lì)磁電抗Xm=1.456 8Ω，恒定功率因數(shù)0.89（滯后）；④微型燃?xì)廨啓C(jī)電站：有功功率150 kW，V*=0.98；⑤生物質(zhì)能電站：有功功率2.5MW，V*=0.98。

2.1 光伏電站接入電網(wǎng)分析

以光伏電站接入電網(wǎng)后的潮流分析為例。假設(shè)在節(jié)點(diǎn)32處接入一臺(tái)光伏電站，新節(jié)點(diǎn)編號(hào)為33，按照上述潮流計(jì)算方法分析，潮流計(jì)算結(jié)果如表1所示（迭代4次），節(jié)點(diǎn)電壓曲線如圖3所示。

表1 單臺(tái)光伏電站接入潮流計(jì)算結(jié)果

圖3 節(jié)點(diǎn)32接入DG后的節(jié)點(diǎn)電壓

同理，用上述方法分析在節(jié)點(diǎn)17處接入一臺(tái)光伏電站以及在節(jié)點(diǎn)32和節(jié)點(diǎn)17處分別接入一臺(tái)光伏電站之后對(duì)配電網(wǎng)潮流的影響，如圖4所示。

分析圖4可以發(fā)現(xiàn)，不論光伏電站是接在17號(hào)母線末端還是接在32號(hào)母線末端，系統(tǒng)各母線的電壓都有所提高。接在主饋線17號(hào)母線的末端，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的電壓提升較高，均能達(dá)到0.92 p.u.以上；而接在分支饋線32號(hào)母線的末端，雖然能夠使得該條分支饋線的電壓提高得很多，但對(duì)于其他饋線（包括主饋線）的影響不是很大，對(duì)離電源點(diǎn)較遠(yuǎn)的母線，電壓沒(méi)有得到明顯地提升。所以光伏電站接入配電系統(tǒng)，盡量在最長(zhǎng)饋線的末端接入來(lái)改善系統(tǒng)電壓，因?yàn)樵擖c(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)電壓降低最多的。

圖4 DG接入配電網(wǎng)的不同位置對(duì)潮流的影響

2.2 不同種類DG單獨(dú)接入電網(wǎng)對(duì)潮流的影響

不同種類的DG接在配電網(wǎng)同一母線處對(duì)系統(tǒng)電壓水平的影響如圖5和圖6所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)32接入不同DG后的節(jié)點(diǎn)電壓

圖6 節(jié)點(diǎn)17接入不同DG后的節(jié)點(diǎn)電壓

燃料電池電站的接入對(duì)配電網(wǎng)潮流的影響，與光伏電站接入后的變化趨勢(shì)大致相同。因?yàn)樵诔绷饔?jì)算中，它們同樣被視為PI節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，區(qū)別在于它們注入配電網(wǎng)的功率P及電流I不同，導(dǎo)致系統(tǒng)各點(diǎn)電壓提升的高低有所差異，注入功率大則電壓提升得高。

接入一臺(tái)600 kW的異步風(fēng)機(jī)后，分別比較有補(bǔ)償電容器組和無(wú)補(bǔ)償?shù)那闆r，系統(tǒng)各母線處電壓在有無(wú)功注入的情況下較沒(méi)有補(bǔ)償時(shí)提升得高一些，且對(duì)于風(fēng)機(jī)所在的分支饋線影響較明顯，對(duì)于其它分支饋線的影響不大，即無(wú)功功率的就地補(bǔ)償。接在主饋線的末端時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)電壓水平的提升較高。

雙饋異步風(fēng)機(jī)的接入將接入處母線的電壓抬升得很高，同時(shí)使得該分支饋線的電壓也上升得很高。如果雙饋異步風(fēng)機(jī)接入的位置不適宜，將會(huì)使某些母線的電壓越限，破壞系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在接入雙饋異步風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮接入容量、接入位置等對(duì)于潮流的影響。

微型燃?xì)廨啓C(jī)接入系統(tǒng)是作為PV節(jié)點(diǎn)處理，能提供一定的無(wú)功功率，但當(dāng)無(wú)功越限時(shí)將其轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點(diǎn)處理，適當(dāng)將其電壓范圍放寬，相當(dāng)于只做無(wú)功越限檢查而不做電壓越限檢查，以保證潮流收斂。這就是圖中看到的微型燃?xì)廨啓C(jī)接入點(diǎn)的電壓不等于PV節(jié)點(diǎn)規(guī)定的電壓值的原因，即微型燃?xì)廨啓C(jī)提供不了維持PV節(jié)點(diǎn)電壓恒定所需的無(wú)功功率，從而使得電壓有所下降。

接入的生物質(zhì)能電站的容量為2.5MW，而系統(tǒng)總的有功負(fù)荷為3.715MW，因此相比其他形式的DG，生物質(zhì)能電站的容量較大，同時(shí)又將其作為傳統(tǒng)的PV節(jié)點(diǎn)處理，使系統(tǒng)各母線電壓提升得非常厲害。比較接入母線17和母線32處2種情況可以看出，接入32號(hào)母線既能夠有效提升系統(tǒng)各母線的電壓，又保證了各母線電壓在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。

2.3 多種DG接入電網(wǎng)對(duì)潮流的影響

在節(jié)點(diǎn)17處接入一臺(tái)光伏電站（編號(hào)33），節(jié)點(diǎn)32處接入一臺(tái)微燃機(jī)電站（編號(hào)34），節(jié)點(diǎn)21處接入一臺(tái)風(fēng)機(jī)（編號(hào)35），節(jié)點(diǎn)24處接入一臺(tái)燃料電池電站（編號(hào)36），節(jié)點(diǎn)11處接入一臺(tái)生物質(zhì)能電站（編號(hào)37），節(jié)點(diǎn)28處接入一臺(tái)帶補(bǔ)償?shù)漠惒斤L(fēng)機(jī)（編號(hào)38），得到的潮流計(jì)算結(jié)果（迭代5次）如表2所示，電壓水平曲線如圖7所示。

分析圖7可以發(fā)現(xiàn)：混接型系統(tǒng)的潮流計(jì)算能夠保證收斂，并且能使系統(tǒng)電壓都有所提高，但又不至于超過(guò)電壓限制，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

表2 混接型潮流計(jì)算結(jié)果

圖7 混接型系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓

3 收斂特性分析

各種不同DG接入系統(tǒng)后，對(duì)算法收斂特性的影響如圖8所示，圖中縱坐標(biāo)為功率誤差（節(jié)點(diǎn)電磁功率與節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率的差值）范圍，即收斂條件；橫坐標(biāo)為迭代次數(shù)。從圖上可以看出，接入DG后迭代次數(shù)沒(méi)有明顯的增加，一般都能在迭代10次以內(nèi)保證潮流收斂，表明牛頓法運(yùn)用于含DG的配電網(wǎng)潮流計(jì)算是合適的。

PI型DG的接入對(duì)本算法的迭代次數(shù)影響不大，迭代次數(shù)基本不變。PQ（V）型DG，帶電容器組補(bǔ)償?shù)漠惒斤L(fēng)機(jī)（場(chǎng)）接入時(shí)，潮流迭代次數(shù)隨著精度的提高而增加，對(duì)應(yīng)10-8精度的迭代次數(shù)增加了4次；帶變流器的雙饋風(fēng)機(jī)（場(chǎng)）接入時(shí)，類似于PI型DG，隨著迭代精度的增加，迭代次數(shù)與無(wú)DG接入時(shí)的情況基本重合。PV型DG的接入對(duì)收斂性能有一定影響，在算例中最壞的情形是多迭代3次。多點(diǎn)混接的情況下，迭代次數(shù)相比無(wú)DG接入時(shí)最壞僅增加了3次。

圖8 不同DG接入情況下的收斂特性

4 結(jié)論

綜合以上計(jì)算分析可以看出，基于牛頓法的含DG的配網(wǎng)潮流計(jì)算方法具有較快的收斂速度，針對(duì)各種復(fù)雜的DG類型和并網(wǎng)控制策略，其潮流計(jì)算結(jié)果能做到較好的收斂。

此外，DG的接入能有效抬升系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓水平，尤其是具有無(wú)功輸出的DG，如：光伏電站（PI型）和微型燃?xì)廨啓C(jī)電站及生物質(zhì)電廠（PV型）。

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