分布式新能源发电对配电网电压影响研究

分布式新能源发电对配电网电压影响研究
刘澄; 王辉; 李天慧; 金雪; 李哲
【期刊名称】《《可再生能源》》
【年(卷),期】2019(037)010
【总页数】7页(P1465-1471)
【关键词】分布式发电; 可再生能源; 电压分布
【作者】刘澄; 王辉; 李天慧; 金雪; 李哲
【作者单位】南瑞集团有限公司国网电力科学研究院有限公司江苏南京 211106; 南京师范大学南瑞电气与自动化学院江苏南京 210023
【正文语种】中文
【中图分类】TK81
0 引言
随着传统能源消耗剧增和环境污染日益严重，世界各国开始积极开发利用风能、太阳能等可再生能源。

分布式发电（Distribute Generator，DG）是可再生能源开发利用的有效途径，它能够最大限度地利用可再生能源。

DG 接入配电网后，一方面提高了电能的不间断质量系数，另一方面配电网系统从原先的放射状态转换为多电源结构状态，这将对系统潮流分布、电压水平、短路容量等电气特性造成显著影响[1]。

因此，须对DG 并网对配电网的影响做深入分析[2]。

DG 接入配电网要从电能质量、继电保护、网损3 个方面进行研究[3]，[4]。

目前，
我国大多数配电网为单电源结构，在继电保护的方面通常采用无方向性的三段电流保护，在线路发生短暂性故障时触发继电保护装置动作，而DG 接入会造成继电
保护装置的据动和误动，并且在一定程度上影响自动重合闸[5]。

从网损的角度考虑，初始配电网是一个简单的由电源向负载的辐射型网络，为单向潮流。

分布式发电接入后，配电网的结构从单电源变成了多电源供电系统，系统的潮流不再是简单的单方向模式，与原先配电网系统相比，DG 接入后网络损耗可能增加也可能减少，并且接入DG 后对配电网损耗的影响与DG 接入位置，容量以及功率因数有关[6]。

从电能质量的角度考虑，风力发电和光伏发电存在的随机性、变动性的特点，DG 的输出功率也将根据变化量波动，这将会对配电网的电能质量造成很大的影响。

同时，大量电力电子转换器的投入使用，增加了电网中的非线性负载，电网电流、电压波形可能发生畸变，引起电网谐波污染[7]，[8]。

目前，针对DG 接入对配电网电压的影响研究较多。

文献[9]指出多种因素都会对
配电网电压暂降产生影响，并通过仿真验证，逆变器作为并网接口具有更快的功率响应速度，能更有效地抑制电压暂降。

文献[10]根据配电网静态电压稳定性指标，对于在不同位置接入不同渗透率的DG 讨论了其静态电压稳定性。

文献[11]讨论了风电、光伏联合发电并网对系统正常运行造成的影响，并提出了一种可行性解决方案，对稳态和动态两种运行方式进行电力系统潮流计算研究，最后，确定能够使电力系统暂态稳定的风电场最大安装容量。

本文研究了DG 接入容量和位置对配电网的电压分布影响。

在接入位置相同的情
况下，分析了单个和多个DG 接入渗透率不同时对配电网电压分布的影响；在出
力相同的情况下，讨论单个和多个DG 接入不同位置对配电网电压分布的影响。

1 光伏发电模型原理分析
光伏电池等效电路如图1所示。

图1 光伏电池等效电路Fig.1 The equivalent circuit of photovoltaic cell
图中：IPV 为光电流；ID 为二极管的电流；Rsh 为等效并联电阻；Rs 为等效的串联电阻；RL 为系统对应负荷电阻；IL 为负荷电流；VL 为负荷电压；Ish为漏电流。

由图1可得：
式中：I0 为 PV 电池的反向饱和电流；q=1.6×10-19 C；K=1.38×10-23 J/K 为Boltzmann 常数；TSTC 为标准状态下PV 电池的工作温度；T 为实际PV 电池的工作温度；A 为PN 结的理想因子；S 为工作点光照强度；SSTC 为标准状态下的光照强度[12]。

本文采用极限日照小时数（Peak Sun Hour，PSH）计算光伏发电量，即：
式中：Q 为月平均太阳能辐射量；η 为光伏电池板的发电效率；Dr 为当月晴天对
应的发电天数；ρ 为能量转化系数，其值为 3.6 MJ/（kW·h）。

本文假设阴雨天光伏电池板不发电，即PSH 阴雨=0。

由于雨天风速普遍较大，可将阴雨时间随机分配至风速大于平均风速的时间。

本文在极限日照小时数的基础上做进一步计算处理，采用尖峰光伏电池工作小时数（Peak PV Hour，PPH）计算光伏电池的输出电能：
式中：S 为光伏电池板面积；PPVN 为光伏电池板额定输出功率。

由此可得每天光伏电池所发出的实际发电量为
式中：NPV 为系统所安装光伏电池板的数量；WPV（i）为第i 天光伏电池组的总发电量。

2 风力发电模型原理分析
风力发电机的发电能力受风速的影响，因为风能具有随机性和不可控性。

目前，针
对风速最常使用的概率分布函数为Weibull 分布，其分布函数为
式中：F（ν）为Weibul 分布特征值表征时间尺度；n 为形状因子；c 为尺度参数；ν 为风速。

风力发电机的输出功率为
式中：Vin 为切入风速；Vout 为切出风速；Vr 为额定风速；Pwty 为风机额定功率。

由式（9）可知风力发电机组于第i 天所发出的实际电量为
式中：h 为每个时间间隔的长度；Nf 为风力发电机的个数。

3 DG接入配电网的理论分析
传统配电网在稳态运行时，距离线路末端越近，电压越低，当有DG 接入时，接
入节点处的有功和无功都会发生变化，相对应的配电网上各节点电压也会发生变化。

为了简要说明该影响，本文采用理想配电网模型进行分析，如图2所示。

图2 简化理想配电网模型Fig.2 Simplify the ideal distribution network model 图中：U0 所在节点为平衡节点，其电压水平保持恒定；UN 为系统额定电压。

由图2可求得Z2 上的电压降为
Z1 电压降为
馈线总压降为
节点2 的电压降为
若在节点 1 投入有功为 PG、无功为 QG 的DG，则节点2 的电压为
若在节点 2 投入有功为 PG、无功为 QG 的DG，则节点2 的电压为
根据式（16）可知，当DG 并网后，会极大改变系统本身的节点电压水平。

总体
而言，相对未接入DG 前，系统节点电压会有所上升，并且随着电源接入渗透率
的大小和并入位置的变化，电压上升程度也随之变化。

从潮流流向来看，对于辐射型网络，DG 有功PG 投入和系统第i 个节点有功负荷PLi关系如下。

①当PG＞PLi时，该负荷节点可等效为向配电网提供PG-PLi大小有功功率的电源节点[13]。

②当PG=PLi时，该负荷节点和配电网之间保持有功功率平衡，不存在任何相互流通情况。

③当PG＜PLi时，配电网向该负荷节点输出大小为PLi-PG 的有功功率。

为比较同一节点DG 接入前、后的电压变化程度，本文用电压偏移ε 表征，即：
式中：U′n（i）为第 i 个节点接入DG 后的电压值；Un（i）为未接入DG 时第i
个节点的电压值。

由式（17）可知，ε 值越大，该点受到 DG 接入的影响就越大。

4 仿真算例
采用IEEE33 节点配电网系统作为仿真模型，IEEE33 节点网络结构图如图3所示。

系统基准功率为10 MV·A，总有功负荷为3 715 kW，总无功负荷为2 300 kVar，其线路阻抗、节点负荷等参数详见文献[14]。

图3 IEEE33 节点网络结构图Fig.3 IEEE33 node network structure diagram
4.1 DG接入位置对电压分布的影响
（1）单个 DG 接入配电网
假设渗透率为10%时，将DG 分别接入单个节点 3，11，17，25，32，得到每个节点产生的电压偏移如表1所示。

表1 不同位置单个DG 接入配电网时，节点电压偏移Table1 Voltage offset of each node when a single distributed power source is connected to the distribution network in different locations节点接入点节点3 节点11 节点17 节点25 节点32 3571 0 14 15 17 19 21 23 24 25 26 28 30 32 0.187 9 0.194 0 0.203 4 0.211 0 0.216 0 0.216 7 0.218 3 0.029 2 0.029 5 0.189 2 0.191 9
0.193 2 0.202 7 0.209 0 0.214 4 0.216 8 0.207 1 0.477 2 0.992 2 2.059 5
2.171 6 2.178 2 2.194 3 0.032 2 0.032 5 0.208 7 0.211 5 0.213 0 0.838 4
0.864 2 0.886 5 0.896 3 0.209 3 0.482 1 1.002 6 2.080 9 3.166 3 3.420 2
4.362 9 0.032 6 0.032 8 0.210 8 0.213 7 0.215 2 0.847 1 0.873 1 0.895 7
0.905 6 0.191 6 0.197 9 0.207 4 0.215 2 0.220 3 0.221 0 0.222 6 0.029 8
0.030 1 0.350 4 0.684 1 1.014 7 0.206 7 0.213 1 0.218 7 0.221 1 0.210 8
0.485 7 0.856 2 0.888 1 0.909 0 0.911 8 0.918 6 0.032 8 0.033 1 0.212 4
0.215 3 0.216 8 0.925 0 1.501 4 2.058 0 2.649 1
由表1可知，相较于其他接入点，当节点17为接入点时，各节点的电压偏移最大；当节点21为接入点时，各节点的电压偏移普遍较小。

图4为单个DG 接入不同位置对电压分布产生的影响。

由图4知，当单个DG 接
入配电网时，节点 13～18 和节点 30～33 的电压偏移最大。

当节点17 为DG 接入点时，该曲线最为平稳，电压支撑效果最好。

在节点25 接入DG 时，节点
23～25 的电压处于最高水平；在节点32 接入DG 时，节点26～33 的电压处于
最高水平。

因此，当单个DG 接入配电网时，配电网线路末端节点的电压影响最
大；当DG 所接入的位置离线路末端越近时，电压的改善程度越高；若将DG 接
入配电网支路中，则该支路各节点电压水平均有显著提高。

图4 单个DG 接入的系统电压分布图Fig.4 System voltage distribution for a single distributed power supply in 10% penetration rate
（2）多个 DG 接入配电网
假设渗透率为10%时，在线路首端、中端、末端分别选择一个节点作为多节点接
入点对配电网电压水平的影响进行分析。

本文分别选取节点19，24，33，节点9，15，20，节点 16，21，30，节点 6，13，18 作为多个 DG 接入点，分析这 4种情况下每个节点产生的电压偏移，具体数据如表2所示。

表2 不同位置下，多个DG 接入配电网时各节点电压偏移Table 2 Voltage offset of each node when multiple distributed power sources are connected to
the distribution network in different locations节点接入点19，24，33 9，15，20 16，21，30 6，13，18 3 0.151 9 0.137 8 0.157 8 0.208 1 5 0.265 7
0.302 5 0.352 4 0.479 4 7 0.419 5 0.616 6 0.661 7 0.953 1 10 0.435 2 1.147 3
1.006 2 1.724 7 14 0.445 5 1.491 7 1.348 4
2.419 3 15 0.446 9 1.571 0 1.427 5 2.525 8 17 0.450 2 1.582 6 1.527 1 2.916 8 19 0.049 1 0.055 5 0.050 2
0.032 4 21 0.049 5 0.276 9 0.266 3 0.032 7 23 0.200 3 0.138 8 0.159 0 0.209 6 24 0.301 7 0.140 7 0.161 2 0.212 5 25 0.303 8 0.141 7 0.162 3 0.214 0
续表2节点接入点19，24，33 9，15，20 16，21，30 6，13，18 26 0.447 3 0.522 8 0.641 5 0.842 2 28 0.683 6 0.538 9 0.881 3 0.868 1 30 0.911 6 0.552 9 1.112 1 0.890 5 32 1.152 4 0.559 0 1.124 5 0.900 4
由表2可知，相较于其他多点接入，在DG 接入节点6，13，18 时，各节点电压偏移更大；在DG接入节点 19，24，33 时，各节点电压偏移普遍较小。

对比表1和表2可知，相同渗透率下，单个DG 接入的电压偏移总体在0.1%～2.0%之间，
其峰值出现在节点17 处，电压偏移达到4.36%，多个DG 接入时节点电压偏移总体在0.2%～1.5%之间，其峰值同样出现在节点17 处，数值为2.92%。

图5为多个DG 接入不同位置对电压分布产生的影响。

图5 多个DG 接入的系统电压分布图Fig.5 System voltage distribution for multiple distributed power supplies in 10% penetration rate
由图5可见，多个DG 接入时，普遍对节点13～18 和节点30～33 造成的影响最大，因此，当多个DG 接入配电网时，对配电网线路末端节点的电压影响最大。

当DG 接入点均在主干路上时，主干路节点电压水平得到最大程度提高；当存在接入点为支路节点时，该支路上节点电压水平均得到最大程度改善。

例如，节点19～22 电压的最高水平出现在节点9，15，20 作为多各DG 接入时。

在DG 接入渗透率相同情况下，比较图4、图5可以得出：
①无论是单个DG 接入，还是多个DG 接入，均是对线路末端节点产生的影响更大。

从接入位置的选取角度考虑，两种情况均是将DG 接入配电网的干线上更能有效地改善整体电能质量；
②对于单个DG 接入配电网，当接入点为支路节点时，其接入点所在支路上节点电压水平均会在最大程度上得到改善。

对于多个DG 接入配电网时，只要存在某一个接入点为支路节点时，这条支路上所有节点的电压都处于最高水平。

4.2 DG接入容量对电压分布的影响
（1）单个 DG 接入配电网
基于前文的研究结论，选取节点13 作为单个DG 接入点，讨论 DG 以渗透率20%，30%，40%，60%，80%接入时对配电网节点电压产生的电压偏移，如表3所示。

表3 同渗透率下，单个DG 接入配电网时各节点电压偏移Table 3 Voltage offset of each node when a single distributed power source is connected to the
distribution network under different permeability节点渗透率20% 30% 40% 60% 80%3581 0 13 15 17 18 19 22 23 25 26 28 29 33 0.406 6 0.936 8 2.413 3 4.043 1 5.615 6 5.659 7 5.700 8 5.708 2 0.063 3 0.063 9 0.409 6 0.418 1
1.645 5 1.695 9 1.726 2 1.759 8 0.594 5 1.369 8 3.528 4 5.912 0 8.212 4
8.276 1 8.335 5 8.346 1 0.092 5 0.093 4 0.598 9 0.611 3 2.405 8 2.479 1
2.523 3 2.572 2 0.774 1 1.783 6 4.593 5 7.697 6 10.693 7 10.775 8 10.852 3 10.866 0 0.120 4 0.121 6 0.779 8 0.796 0
3.131 9 3.227 0 3.284 2 3.347 6
1.111 9
2.562 1 6.596 9 11.057 4 15.364 0 15.479 6 15.587 3 15.606 7 0.173 0 0.174 7 1.120 1 1.143 3 4.497 5 4.633 2 4.714 8 4.805 2 1.426 3
3.286 5
8.460 4 14.183 8 19.711 1 19.856 9 19.992 7 20.017 1 0.221 9 0.224 1 1.436 8 1.466 5 5.767 6 5.940 5 6.044 4 6.159 5
由表3可知，在DG 接入位置固定的情况下，DG 接入配电网的渗透率越大，配电网各节点电压偏移越大，并且无论接入配电网的渗透率是多少，节点13～18 产生的电压偏移总是最大的。

图6为单个DG 以不同渗透率接入配电网时的系统电压
分布图。

由图6可知，配电网各节点电压幅值与单个DG 接入的渗透率呈正比，
总体来说，随着渗透率的升高，电压支撑效果显著提高，但是当渗透率过高时，配电网各节点电压偏移过高，会导致电压波动过大，对系统造成伤害。

渗透率为20%时，电压曲线最为平稳。

图6 节点13 作为接入点的系统电压分布图Fig.6 System voltage distribution diagram of node 13 as an access point
（2）多个 DG 接入配电网
选取节点 3，8，14 作为多个 DG 接入点，讨论DG 以渗透率 20%，30%，40%，60%，80%接入时对配电网节点电压产生的电压偏移，如表4所示。

表4 不同渗透率下，多个DG 接入配电网时各节点电压偏移Table 4 Voltage
deviation of each node when multiple distributed power sources are connected to the distribution network under different penetration rates节
点渗透率20% 30% 40% 60% 80%3581 0 13 15 17 18 19 22 23 25 26 28 29 33 0.347 0 0.725 0 1.776 2 2.467 0 3.128 4 3.363 5 3.388 2 3.392 6 0.054 0 0.054 5 0.349 6 0.356 8 1.230 6 1.26 4 1.291 1 1.316 3 0.541 4 1.101 8 2.659
0 3.679 1 4.655 7 5.002 8 5.039 3 5.045 8 0.084 2 0.085 1 0.545 4 0.556 8
1.851 1 1.907 7 1.941 8 1.979 5 0.732 2 1.470 3 3.520 9 4.860 4 6.142 7
6.598 4 6.646 1 6.654 7 0.113 9 0.115 0 0.737 6 0.752 9 2.457 3 2.532 2
2.577 3 2.627 2 1.103 8 2.185 3 5.188 2 7.139 7 9.007 9 9.671 7 9.740 6
9.753 0 0.171 7 0.173 4 1.111 9 1.134 9 3.630 7 3.740 7 3.806 9 3.880 2
1.463 4
2.873 9 6.788 4 9.320 3 11.744 7 12.605 7 12.694 4 12.710 4 0.227 7 0.227 9 1.474 2 1.504 6 4.757 9 4.901 2 4.987 4 5.082 9
对比表3可知，除了与单个DG 相同的规律外，在DG 接入位置固定的情况下，
多个DG 接入，对配电网各节点的电压偏移更小。

图7为多个DG 以不同渗透率接入配电网时的系统电压分布图。

由图7可知，配
电网各节点电压幅值与单个DG 接入的渗透率呈正比，渗透率为30%时，电压曲
线最为平稳，电压支撑效果较好。

图7 节点4，8，14 作为接入点的系统电压分布图Fig.7 System voltage distribution diagram of nodes 4，8，14 as access points
在DG 接入位置相同情况下，比较图6，7 可以得出：
①无论是单个DG 接入还是多个DG 接入，DG 接入的渗透率越大，电压峰值越高，电压支撑效果越好，整体电压水平越高，电压波动越大。

过高的渗透率可能会导致电压波动过大，对系统造成伤害，因此DG 的渗透率因根据不同网络特点选择；
②相较于多个DG 接入配电网，单个DG 接入产生的电压波动较大。

5 结论
本文基于IEEE33 节点配电网模型，从DG接入容量和接入位置两个方面，分别研究单个DG 和多个DG 接入配电网对节点电压分布的影响，可以得到以下结论：
①DG 并网对配电网的电压在一定程度上起到了很大的改善作用，提高了电能质量，各个节点的电压水平整体升高；②单个DG 接入时，建议接在干线的中间偏末端
的位置，多个DG 接入时，建议接在干线上；③无论是单个DG 还是多个DG 接
入配电网，其渗透率都应该根据不同要求下作出合理的选择；④相较于多个DG
接入，在渗透率要求相同的情况下，接入单个DG 进入配电网造成的节点电压波
动更大，电压支撑效果更好，整体电压水平更高。

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