范艷霞

（山東電力工程咨詢?cè)?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

目前，大電網(wǎng)與分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）相結(jié)合是 21世紀(jì)電力工業(yè)的發(fā)展方向。研究表明,到2010年分布式發(fā)電在新建機(jī)組的上網(wǎng)電量中將占到 20%［1］。DG得到廣泛應(yīng)用的主要原因是其對(duì)系統(tǒng)的支撐作用,主要包括:DG在電壓支撐以及改善電能質(zhì)量上的作用；機(jī)組更接近用戶,可避免或減少輸電和配電的費(fèi)用；線路損耗將會(huì)減少；可節(jié)約常規(guī)發(fā)電機(jī)組使用的燃料,減少環(huán)境污染和替代部分常規(guī)發(fā)電機(jī)組容量,推遲輸配電基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)建；能提高系統(tǒng)的可靠性等［2］。分布式電源的引入對(duì)用戶以及系統(tǒng)設(shè)備的潮流和電壓環(huán)境帶來的沖擊，對(duì)配電系統(tǒng)規(guī)劃的影響等已成為研究熱點(diǎn)［3］。

1 分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的影響

分布式發(fā)電（DG）是指直接布置在配電網(wǎng)或分布在負(fù)荷附近的發(fā)電設(shè)施，能經(jīng)濟(jì)、高效、可靠地發(fā)電［4］。 分布式電源（DGS）包括功率較小內(nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、可再生能源如太陽(yáng)能發(fā)電的光伏電池和風(fēng)力發(fā)電等。DG是未來電力系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，它的出現(xiàn)給傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃帶來了實(shí)質(zhì)性的挑戰(zhàn)，是配電網(wǎng)規(guī)劃研究的一個(gè)焦點(diǎn)。DG對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的影響主要有三個(gè)方面［5］：

1）分布式電源的出現(xiàn)會(huì)使電力系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)、規(guī)劃和運(yùn)行與過去相比有更大的不確定性。大量的用戶從自身需求出發(fā)安裝DGS，使得配電網(wǎng)規(guī)劃人員更加難于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)負(fù)荷的增長(zhǎng)情況，從而影響配電網(wǎng)規(guī)劃。同時(shí)，由于規(guī)劃問題的動(dòng)態(tài)屬性同其維數(shù)密切相聯(lián)，若再出現(xiàn)許多發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，使得在所有可能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中尋找到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)布置方案更加困難。如果DGS的位置和規(guī)模不合適，可能會(huì)導(dǎo)致電能損耗的增加，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)電壓的下降或出現(xiàn)過電壓，還會(huì)改變故障電流的大小、持續(xù)時(shí)間及其方向。

2）在配電網(wǎng)安裝DGS的用戶或獨(dú)立發(fā)電公司與想維持系統(tǒng)現(xiàn)有的安全和質(zhì)量水平不變的配電網(wǎng)公司之間存在一定的沖突。因?yàn)橛写罅緿G接入配電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，這將對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深刻影響，原有的單向電源饋電潮流特性發(fā)生變化，一系列包括電壓調(diào)整、無功平衡、繼電保護(hù)等在內(nèi)的綜合性問題將影響系統(tǒng)的運(yùn)行。為了維護(hù)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，必須使DG能夠接受調(diào)度，這不但需要改造現(xiàn)有的配電自動(dòng)化系統(tǒng)，還要由被動(dòng)到主動(dòng)（電壓調(diào)整、保護(hù)政策、干擾和接口問題）地管理電網(wǎng)。

3）DG機(jī)組類型及所采用能源的多樣化，使得如何在配電網(wǎng)中確定合理的電源結(jié)構(gòu)、如何協(xié)調(diào)和有效地利用各類型的電源成為迫切需要解決的問題。因此DG的廣泛應(yīng)用，使得國(guó)家能源政策、能源規(guī)劃等直接滲透到與DG有關(guān)的電力系統(tǒng)規(guī)劃中，并影響規(guī)劃的決策過程。

2 含DG的配電系統(tǒng)規(guī)劃

2.1 DG在電力網(wǎng)絡(luò)中的布點(diǎn)規(guī)劃

在已有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行DG的布點(diǎn)規(guī)劃，總體上包括兩步：第一步是根據(jù)自然資源的分布和國(guó)家的能源政策規(guī)劃DG的類型、數(shù)目和位置，即僅僅考慮環(huán)境上的限制；第二步結(jié)合DG接入的實(shí)際電網(wǎng)，在第一步的結(jié)論范圍內(nèi)重新進(jìn)行一種或幾種DG的最優(yōu)數(shù)目和位置的規(guī)劃。具體的評(píng)估和規(guī)劃框架如圖1所示［6］。整個(gè)規(guī)劃過程主要由經(jīng)濟(jì)分析、工程分析、財(cái)政分析三大塊組成，其中還涉及到政府或相應(yīng)的管理部門以及電力公司的政策取向。

圖1 分布式發(fā)電的規(guī)劃流程

2.2 DG的配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃

考慮DG的配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)荷增長(zhǎng)情況，在系統(tǒng)達(dá)到其容量限制時(shí)，根據(jù)經(jīng)濟(jì)成本最小的目標(biāo)，規(guī)劃出可以滿足負(fù)荷增長(zhǎng)需要的系統(tǒng)最佳增容方案，即由電網(wǎng)升級(jí)、增建線路和變電所以及在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭bDG所組成的最佳方案，圖2顯示了包含分布式電源的配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃的流程［7］，通過T&D邊際成本分析、高級(jí)執(zhí)行過程分析、詳細(xì)工程分析及動(dòng)態(tài)DG和安裝位置研究這4層篩選后，就可以提出相應(yīng)的分布式發(fā)電方案以取代輸配電網(wǎng)的擴(kuò)展計(jì)劃，否則仍需進(jìn)行輸配電網(wǎng)的擴(kuò)展。所有需要增加容量的地方經(jīng)過以上的步驟后，將會(huì)得到一個(gè)由擴(kuò)建電網(wǎng)和安裝分布式電源所組成的最佳配電網(wǎng)擴(kuò)展方案。

圖2 含分布式電源的配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃的流程

3 分布式電源在電力系統(tǒng)中最佳位置的選擇

分布式電源在電力系統(tǒng)中合理配置，會(huì)大大增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少功率損失，降低調(diào)峰成本，推遲或替代系統(tǒng)的升級(jí)，提高系統(tǒng)的完整性、可靠性和效率。

分布式電源通常被放置在靠近負(fù)荷中心的位置或者添加在配電級(jí),最常用的確定分布式電源位置的方法是尋找一個(gè)位置使系統(tǒng)的功率損失最小；另外一種方法是在具有統(tǒng)一負(fù)荷特性的徑向饋線上應(yīng)用 “2/3原則”，即將分布式電源放置在線路長(zhǎng)度的2/3處，承擔(dān)大約2/3的負(fù)荷能力，這種方法簡(jiǎn)單易用，但是不能直接應(yīng)用到具有其它類型的負(fù)荷分布特性的饋線上，也不能應(yīng)用到網(wǎng)狀系統(tǒng)上。本文提出在統(tǒng)一功率因數(shù)的電力系統(tǒng)中，分布式電源位置的確定方法,并用實(shí)例來檢驗(yàn)。

為了簡(jiǎn)化分析，不考慮分布式電源的容量的最優(yōu)化配置問題及經(jīng)濟(jì)性和地理因素。

3.1 分布式電源在徑向饋線上的最佳位置

為了方便分析，假設(shè)：線路沿線每單位長(zhǎng)度的R和L的值都是相同的，饋線上的負(fù)荷分布在離散的時(shí)間段上變化，在某個(gè)固定的離散時(shí)間區(qū)間不變。如圖3所示。

圖3 徑向饋線系統(tǒng)的分布示意圖

3.1.1 理論推導(dǎo)

首先考慮不安裝分布式電源的徑向饋線。在Ti這個(gè)時(shí)間段上，線路上分布的電流Id（x，Ti）如圖3所示。在x點(diǎn)處的電dx流用式（1）表示：

假設(shè)線路每單位長(zhǎng)度線路的阻抗Z=R+jX（Ω／km），那么在此處微增的功率損失和電壓降是：

那么在Ti這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，饋線上所有的功率損失為：

位置點(diǎn)x相對(duì)于線路末端的電壓降為：

在x處的電壓為：

而整條線路的電壓降為：

假設(shè)在饋線x0處配置一個(gè)分布式電源，如圖3所示。由于注入了電流源IDG（Ti），線路x=x0到x=1這段線路的電流將會(huì)改變。然而由于負(fù)荷電流密度改變而引起的饋線電流變化量相對(duì)于由于注入IDG（Ti）而導(dǎo)致的饋線電流改變量來說是比較小的。為了簡(jiǎn)化分析，不考慮負(fù)荷電流密度的改變。這樣就得到引入分布式電源后的饋線電流分布，具體的表達(dá)式如式（7）：

饋線上相應(yīng)的功率損失和電壓降為：

在一個(gè)時(shí)間周期T內(nèi)平均的功率損失是：

3.1.2 徑向饋線上確定分布式電源的最佳位置

通過求解方程（11）得到的x0，就是理論上使功率損耗最小的分布式電源的最佳位置。

但理論上得到的位置 ，不可能保證饋線上的所有電壓都在事先規(guī)定的可接受范圍內(nèi)。如果電壓分布特性不能滿足要求，那么在保證功率損耗盡可能小的情況下，在附近找到滿足電壓分布特性要求的位置來，或者通過增加分布式電源的容量來解決。

3.2 饋線上負(fù)荷分布特性不隨時(shí)間變化的案例分析

應(yīng)用上面的分析步驟，來確定三種負(fù)荷分布特性的饋線上單個(gè)分布式電源的最佳配置點(diǎn)。第一種饋線的負(fù)荷分布為一致分布，其特點(diǎn)是整個(gè)饋線具有相同的負(fù)荷電流密度，即Id（x）=Ild常數(shù)。

第二種饋線的負(fù)荷分布為中心分布，其特點(diǎn)是饋線中點(diǎn)處的負(fù)荷電流密度最大，距離中心點(diǎn)位置越遠(yuǎn)的地方負(fù)荷電流密度越小，其負(fù)荷電流密度表達(dá)式為：

第三種饋線負(fù)荷分布為漸增分布，其特點(diǎn)是距離電源越遠(yuǎn)的地方負(fù)荷電流密度越大，其負(fù)荷電流密度的表達(dá)式為 Id（x）=Ild（l-x）。

通過應(yīng)用上文提出的分析步驟，得到分布式電源DG在徑向饋線的位置x0、沒有加入分布式電源DG時(shí)的系統(tǒng)功率損耗和將分布式電源DG按照最佳位置放置后的系統(tǒng)的功率損耗。具體的比較見表1。

表1 三種負(fù)荷特性的DGS最佳位置

通過上表的比較可以看出，分布式電源在饋線系統(tǒng)中合理的放置，將會(huì)大大減少系統(tǒng)的功率損耗。

4 結(jié)論

含分布式發(fā)電的配電系統(tǒng)規(guī)劃流程及規(guī)劃內(nèi)容的研究，提出了確定分布式電源在徑向饋線上的最佳配置位置的理論方法，并以不同分布特性的三種饋線負(fù)荷分布為例求得該最佳位置點(diǎn)，證明了分布式電源在饋線系統(tǒng)中合理的配置，將會(huì)大大減少系統(tǒng)的功率損耗。在一個(gè)網(wǎng)狀系統(tǒng)中分布式電源的最佳位置的確定是值得深入研究的課題。

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