分布式电源在接入系统设计中的研究

摘 要：采用基于叠加原理的电压分布算法，分析引入分布式电源后对配电网电压分布的影响；并根据分布式电源的性质，利用微电网技术，将分布式电源纳入到纯负荷性质的微网和发电、负荷可控的微网，解决了分布式电源潮流不可控的难题，并在配网规划中对这两类微网接入配网馈线的位置提出建议，达到了改善配电网电压分布、降低网损的作用。

关键词：分布式电源；微网；配电网

引言

全球范围的能源危机和环境危机使得新兴能源的开发和利用成为一种迫切的需求。分布式发电这种环保、高效、灵活的发电方式已经被世界各国所重视。随着科学技术的迅速发展，分布式发电的优势也逐渐显现，导致越来越多的分布式电源并入电网运行。

在我国，农村或郊区以放射型配电网为主，城市以网状配电网为主，无论哪种配电网都是按用户端没有接入任何电源为基础设计的。当大量的分布式电源接入到配电网中，配电网潮流的大小和方向有可能发生巨大改变，电压分布也发生变化。规模和位置不合理的分布式电源可能导致网络中某些节点电压下降或出现过电压，改变故障电流的大小、方向，导致网损增加，甚至可能影响到配电系统的可靠性。

为了维护配电系统的安全、稳定的运行，必须使分布式电源实现“可见”、“可控”、“易控”，能够接受调度，要实现该目标则需要将分布式电源单元集成到现有的配电系统中，这不但需要改进现有的配电自动化系统，而且极大的增加了调度的复杂性，对于类型多样、数量庞大的分布式电源要做到合理调度，几乎是不可完成的。微网技术可以实现对分布式电源的综合管理，统筹利用微网内的发电、用电和储能装置，实现微网内功率优化和平衡，可有效解决数量众多、种类多样的分布式电源并网问题。

文章采用基于叠加原理的电压分布算法，分析分布式电源引入后对配电网电压分布的影响。并提出在配电网规划和分布式电源接入系统设计时，将不同类型的分布式电源结合储能装置组成潮流和电压可控的微网，接入配电网适合的位置，从而实现对分布式电源的调度，促进分布式电源的发展。

1 分布式电源并网对电压分布的影响

配电系统的基本单元是馈线。馈线的首端经过高压降压变压器与高压配电网相连接，末端经低压降压变压器与用户相连。我国馈线电压等级大多是10kV，每条馈线上线路成树状分布，以辐射形网络连接若干台配电变压器。馈线的不同位置分布有若干负荷，这些负荷种类繁多，随机性大，要准确地描述比较困难。为方便研究，文章采用静态恒功率模型来表示各节点的负荷。考虑到配电网电压较低，线路长度较短，设定以下假设条件：各节点负荷三相对称，三相线路间不存在互感。然后将所有线路阻抗均折合到系统电压等级，得出馈线模型，见图1。

在图1所示系统中，分布式电源注入前m节点电压为：

由式（2）可知，该节点注入分布式电源后，节点电压与线路传输功率发生改变。集中供电一般采用辐射状的配电网，稳态运行状态下，馈线电压沿潮流方向逐渐降低.接入分布式电源后，馈线传输的功率减少，抬高了馈线上各负荷节点处的电压，这可能使一些负荷节点的电压偏移超标，节点电压升高多少取决于分布式电源的接入位置及总容量大小。接入点电压Vm必须小于电压偏差要求的最大电压Vmax，整条线路上电压才能满足要求。

在1节点、8节点、17节点接人容量为1000+j 500 kVA的分布式电源，其节点类型设为PQ节点，进行潮流计算，结果如图2所示。

图2 分布式电源接入位置与电压幅值变化对比

从图2中不难发现分布式电源的接入可以提高系统的整体电压水平，其接入位置与节点电压幅值密忉相关。相同容量的分布式电源接在配电线路的不同位置，对线路的电压分布产生的影响差别很大，接入点越接近线路末端节点对线路电压分布的影响越大，越接近系统母线对线路电压分布的影响越小。因此，在配电网规划及分布式电源接入系统设计时，需要根据分布式电源的性质、容量确定合理的接入点，确定合理的控制方式，只有这样才能改善线路的电压质量，提高供电可靠性。

2 分布式电源接入系统

2.1 分布式电源的分类

一般可以根据分布式电源的技术类型、所使用的一次能源及和与电力系统的接口技术进行分类。按照技术类型可分为小型燃气轮机、地热发电、水力发电、风力发电、光伏发电、生物质能发电、具有同步或感应发电机的往复式引擎、燃料电池、太阳热发电、微透平等，按照一次能源可分为化石燃料、可再生能源；按照与电力系统的接口可分为直接相联、逆变器相联；按照并网容量分，可分为小型分布式电源和大、中型分布式电源。小型分布式电源主要包括风力发电、光伏发电、燃料电池等；大、中型分布式电源主要包括微型汽轮机、微型燃气轮机、小型水电等。

2.2 微网技术简介

微网是一个小型发配电系统，由分布式电源、相关负荷、逆变装置、储能装置和保护、监控装置汇集而成，具有能量管理系统、通讯系统、电气元件保护系统，能够实现自我调节、控制和管理。微网既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。从其内部看，微网是一个个小型的电力系统。从外部看，微网是配电网中的一个可控的、易控的“虚拟”电源或负荷。微网系统如图3所示。

2.3 将分布式电源组成不同类型的微网

目前，比较成熟的分布式发电技术主要有风力发电、光伏发电、燃料电池和微型燃气轮机等几种形式。在城镇配电网中，风力发电、燃料电池、光伏发电发电容量远小于配网负荷，对于这些小容量的分布式电源，采用与附近负荷组成微网的形式并入配网系统，通过技术措施使微网内的发电功率小于其负荷消耗的功率，使这些“不可见”的分布式电源完全等效为一个负荷。针对发电出力达到最大、负荷功率最小的工况，根据发电出力与负荷消耗功率的差值及持续时间计算出需要存储的电量，该电量作为储能装置容量的一个约束条件，再考虑其他的约束条件，为微网配置容量合理的储能装置。当出现发电出力大于负荷消耗功率时，将这部分电量存到储能装置中，在负荷功率高于发电出力时，再将这部分电量释放掉。

大型的微型燃气轮机多用于需要稳定的热源、冷源的工商企业，以实现热、电、冷三联供，这些企业的负荷稳定，易于预测。微型燃气轮机的发电功率由用户对供热和供冷的要求决定，发电功率也易于预测。这样，以这些微型燃气轮机为分布式电源的微网是可控、易控的。

将分布式电源纳入到微电网，并将其分为纯负荷性质的微网和发电、负荷可控的微网两种，有效的解决了分布式电源潮流不可控的难题，给配电网的调度、运行带来的极大的方便。

2.4 微电网接入系统方案

纯负荷性质的微网在配网中是一个内部带有电源的负荷，将其接入到配网馈线的中间至末端，可有效地改善配电网电压分布，降低配电网网损。当微网内分布式电源突然故障或者失电时，由配电网对微网内的负荷进行供电，此时配电线路潮流增大，微网内的电压会发生跃变，如电压幅值变化超过用电设备允许值，将会对用电设备造成损坏。针对这种情况，可以利用微网内的储能装置将存储的能量进行逆变，有效地支撑电压，避免产生电压跌落，减少电压波动，有效的保护用电设备。当配电网失电时，微网自动脱网孤岛运行，孤岛的运行方式由微网内部自行控制，对配电网的故障分析、检修、试验不产生影响。

对于发电、负荷可控的微网，尤其是容量较大的，在配电网规划及接入系统设计时，需统一考虑中接入位置对配电网电压、继电保护、安全自动装置的影响，需要进行充分的论证，必要时可采用专线接入系统，以确保配电的安全、可靠运行，充分发挥分布式电源的经济效益和社会效益。

3 结束语

文章分析了分布式电源接入配网后对电压的影响，并根据分布式电源的不同性质，利用微电网技术，将分布式电源纳入到纯负荷性质的微网和发电、负荷可控的微网，解决了分布式电源潮流不可控的难题，并在配网规划中，对这两类微网接入配网馈线的位置提出建议，达到了改善配电网电压分布、降低网损的作用。影响分布式电源接入系统的因素很多，比如短路电流、继电保护、安全自动装置等，需要在今后继续研究。另外大容量储能技术不成熟是制约分布式电源应用的关键因素，待大容量储能解决后，分布式电源将更加广泛的应用。

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作者简介：段培明（1980-），男，吉林省吉林市人，工学硕士，工程师，研究方向：电力系统及其自动化。

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