基于matlab的分布式电源对配电网运行的影响效应分析

1、风神论文作品，请问抄袭！基于Matlab的分布式电源对配电网运行的影响效应分析摘要随着化石能源供应的日益紧张以及全球性环境问题的不断恶化，通过发展清洁能源和可再生能源，促进能源可持续发展成为当前世界各国的共识。电能具有输送方便、使用广泛，可方便转换为其他形式的能源。因此，可再生能源的开发主要以发电为主。可再生能源的快速开发和国家的激励政策，促进了分布式电源的快速发展。随着大量不同特性的分布式电源并入电网，对电网的运行、规划、电能质量造成影响。大量分布式电源通常隶属于不同运营者，当所有发电商都接入同一个配电网时，需要建立相应的管理机制，以确保这些电源的顺利并网和配电网的安全运行。为了保证各分布式

2、发电商的利益公平和配电网的安全稳定运行，需要解析出各个电源对配电网运行变量的影响。 基于此背景，本研究针对现有的配电网分析计算方法、分布式电源特性等进行了深入研究分析；基于配电网潮流灵敏度和数值积分提出了一种对配电网中运行变量的解析方法。在此基础上，针对分布式电源对网损、各节点电压、各支路潮流等运行变量影响的解析进行了详细的公式推导；根据上述方法进行了算法设计，基于Matlab算法开发了程序，并针对程序运行中的具体问题进行了优化处理；对不同网络结构，以及多种类型分布式电源接入后的算例进行了测试结 果表明，采用上述方法后，各电源对某个运行变量的影响总和即为所有电源对该 运行变量共同造成的影响，从

3、而验证了该方法的正确性与适用性。研究结果表明精确解析出配电网中各分布式电源对电网运行变量的影响，可以为配电网的运营管理、安全稳定运行提供有力的数据支持，不仅可以解决网损分摊问题，并且可进一步深入解析各电源对配电网运行变量的影响。关键词： Matlab，分布式电源，配电网，影响效应ABSTRACTWith the worsening of fossil energy supply increasingly tense and global environmental problems, through the development of clean energy and renewable e

4、nergy, promote energy for sustainable development has become the consensus of all countries in the world. Electric energy can be transported conveniently and widely used, which can be easily converted to other forms of energy. Therefore, the development of renewable energy is mainly based on power g

5、eneration. The rapid development of renewable energy and national incentive policies, and promote the rapid development of distributed power. With a large number of different characteristics of distributed power into the power grid, the power grid operation, planning, power quality is affected. A la

6、rge number of distributed power usually belonging to different operators, when all the power suppliers access with a distribution network and need to establish corresponding management mechanism, to ensure the safe operation of the power supply to these successfully connected to the grid and distrib

7、ution network. In order to ensure the security and stability operation of the distributed generator, the influence of each power supply on the operating variables of the distribution network is needed.Based on this background, this study in view of the existing distribution network analysis calculat

8、ion method and the properties of distributed generation and conducted in-depth research and analysis, based on the distribution network power flow sensitivity and the numerical integral is proposed for running variable analytic method for distribution network. Based, for distributed power effect on

9、the loss of the network, the node voltage, each branch power flow variables to run the analysis of detailed formulas; according to the method of algorithm design, program is developed based on the Matlab algorithm and program runs with body problem is optimized for; to the different network structur

10、e, and various types of DG examples were tested and the results show that the, by adopting the method, the power of a running variable influence the sum that implications for all power to the operating variables and jointly create a, thus validating the correctness and applicability of the method. T

11、he results of the study show that exact analytical the influence of distribution network in the distributed power supply of power grid operation variables, can support for the operation and management of the distribution network, the safe and stable operation provide strong data can not only solve t

12、he network loss allocation problem, and further in-depth analysis of each power source of distribution network operation variables influence.Key Words: Matlab，Distributed Generation，Distribution Network，Influential Effect目录第1章 绪论51.1 研究背景与意义51.2 分布式电源的特性及其并网运行61.2.1 分布式电源的特点61.2.2 分布式电源的控制方式71.2.3 分

13、布式电源并网管理81.3 分布式电源对配电网的影响91.3.1 分布式电源对配电网规划的影响91.3.2 分布式电源对配电网运行的影响101.3.3 开发分布式电源对配电网市场化的要求121.4 国内外研究现状131.5 本文主要研究内容14第二章 含分布式电源的配电网潮流计算162.1 引言162.2 分布式电源的运行特性与并网模型162.3 常规配电网潮流计算202.4 含分布式电源配电网的潮流计算222.5 本章小结23第3章 配电网运行变量的解析方法243.1 引言243.2 运行变量解析的总体策略243.3 运行变量的灵敏度283.3.1 灵敏度理论分析283.3.2 运行变量的灵敏

14、度计算313.4 对网损等标量函数的解析373.4.1 单轮功率注入对网损的影响373.4.2 全部功率对网损的影响373.5 对节点电压等向量函数的解析383.5.1 单轮功率注入对节点电压的影响383.5.2 全部功率对节点电压的影响383.6 本章小结39第4章 算法设计与算例分析404.1 引言404.2 算法设计中相关问题的处理404.2.1 PV 类型电源节点处理方法404.2.2 PI 类型电源节点处理方法424.2.3 弱环网的处理434.3 算法设计454.3.1 总体算法设计454.3.2 潮流算法设计464.4 算例分析484.4.1 多个 PQ 型分布式电源对配电网影响

15、的解析494.4.2 多种类型电源对配电网影响的解析514.4.3 改变电源位置对配电网影响的解析534.4.4 多类型电源对弱环配电网影响的解析564.5 本章小结58第5章 结论与展望595.1 总结595.2 展望59致谢参考文献第1章 绪论1.1 研究背景与意义随着对能源需求的日益增长，化石能源日渐枯竭，水能、核能等发展受到一些因素的限制，因而能源问题已成为世界各国面临的严峻挑战。我国能源储量丰富，但优质能源和人均占有量相对较少。近年来，随着我国经济的快速发展，工业化、城镇化进程加快，能源的消费和需求规模也大幅度增加。煤是我国的主要能源，以煤炭为主的化石能源的消费是温室气体和大气污染的

16、主要来源。随着化石能源的消费规模不断增大，对环境保护造成了的压力也越来越大。城市中汽车的数量日益增加，尾气的排放对环境造成的压力也日益严重。随着化石能源供应的日益紧张以及全球性环境问题的不断恶化，通过发展清洁能源和可再生能源，促进能源可持续发展成为当前世界各国的共识。我国针对当前能源开发利用存在的主要问题，确立了科学的能源开发利用原则，明确了能源开发利用重点。其中，包括不断提高可再生能源的利用率，以及在电力能源中所占的比例2。可再生能源取之不尽、用之不竭，具有良好的可持续性和环境友好性，如太阳能、风能、潮汐能、地热能等。合理科学的开发可再生能源可缓解我国的能源压力，并有助于构建良性的能源体系。

17、可再生能源的分布具有密度低，地域性、随机性明显等特点，可再生能源的开发需要根据能源本身的特点和分布情况进行集中开发或分散开发。集中式开发即把几处距离较近的同类型可再生能源汇集在一起统一送出，如大型海上风电场、光发电站等。分散式开发即将可再生能源转换为人们所需要的能源方式就地消费，此方式避免了能源的远距离输送。电能具有输送方便、使用广泛，可方便转换为其他形式的能源。因此，可再生能源的开发主要以发电为主。2012 年，我国新能源发电继续保持快速增长，装机容量持续增长，风电总体进入平稳增长阶段，太阳能发电迅速发展。相关文 献表明，到 2020 年分布式电源的发电量需要达到用电量的 35%1。我国作为

18、世界上能源消费大国，大规模开发利用可再生能源，提高可再生能源在能源消费中的比例，对保障能源供应、优化能源结构、带动经济转型和产业升级具有重要意义。可建设大型可再生能源发电基地，在优先考虑本地消纳的基础上，融入大电网，实现全国范围内消纳；同时，根据能源特点和地理位置合理建设小型风电、太阳能发电、生物质能发电等，就近并网消纳。可再生能源的快速开发和国家的激励政策，促进了分布式电源的快速发展 3。随着大量不同特性的分布式电源并入电网，对电网的运行、规划、电能质量造成影响。大量分布式电源通常隶属于不同运营者，当所有发电商都接入同一个配电网时，需要建立相应的管理机制，以确保这些电源的顺利并网和配电网的安

19、全运行。为了保证各分布式发电商的利益公平和配电网的安全稳定运行，需要解析出各个电源对配电网运行变量的影响。 为推动分布式电源的快速发展，我国也制定了一些相应的补贴政策和引导政策。通过科学的方法确定一个合理的发展目标，并基于该目标制定相应的保障性政策措施，引导可再生能源有序均衡发展。国家能源主管部门将根据下一年电力需求增长情况，估算补贴资金。由于电网中的多个分布式电源隶属于多个开发商，为了确保补贴资金的公平合理分配，需要精确解析出各发电商对电网各运行变量产生的影响，从而准确的计算各发电商的并网成本并制定补贴力度。此外，关于分布式电源的解析数据，例如电压分布、功率传输等，也为配电网的调度、运行、安

20、全提供了依据。精确解析出配电网中各分布式电源对电网运行变量的影响，可以为配电网的运营管理、安全稳定运行提供有力的数据支持，而目前关于多个分布式电源对配电网影响解析的研究非常少。本文将针对多种运行方式时的含分布式电源的配电网，不仅可以解决网损分摊问题，并且可进一步深入解析各电源对配电网运行变量的影响。1.2 分布式电源的特性及其并网运行1.2.1 分布式电源的特点分布式发电(Distributed Generation，简称 DG)，通常是指发电功率在几千瓦 至数兆瓦，分散布置在用户附近的小型高效发电单元。根据燃料不同，主要分为以下几种：以液体或气体为燃料的内燃机、微型燃气轮机，消耗可再生能源的

21、太阳能发电、风力发电、生物质能发电等4。根据用供能方式不同，可分为电力单供、热电联产方式和热电冷三联产等方式。当前，能源需求持续增加，环境污染日益加重，可再生能源受到越来越多的 关注。许多能源与电力方面的专家提出分布式电源并网供电能够降低能耗和建设 费用、缓解能源压力的重要方式，被公认是世界电力工业的发展方向5。分布式 电源的优点可主要概括为以下四个方面：(一)分布式电源与电网配合有助于实现能源的最优利用，提高能源利用率。分布式电源一般靠近用户，可以避免电能的长距离输送，从而减少了损耗和电网的建设投资。当用户同时需要电能、热能等多种形式的能量时，分布式电源可方便的满足用户需要，避免了长距离供暖

22、的困难。合理的将分布式电源与传统电网相结合可方便实现能源的最优利用，降低系统损耗、节省投资6。(二)提高供电可靠性。近年来电网向互联式大电网的方向发展，当主线路发生故障时，可能造成大面积停电，世界上发生的几次大的停电事故充分反映了以集中供电模式为主的电力系统脆弱的一面。在用户附近安装分布式电源，当电网故障或供电不足时，可维持电源附近重要用户的供电，可以提高供电可靠性。(三)安装容量小、占地面积小，建设周期短。电源可以根据实际需要在超短期内建成并投入使用，实现能源的就地转换，可及时的满足用户需求。电能不需要长距离输送，降低了线路的建设投资与传输损耗，经济性好，为终端用户提供了高质量的电能服务。(

23、四)利用可再生能源发电，减少对环境的污染，成为了分布式发电的主要方 向。分布式发电一般采用清洁能源，同时实现环保效益7。与化石燃料相比，可再生能源密度较低且分散，开发规模小，具有明显的区域性，难以进行集中供电，如太阳能、地热、风能等。我国面临的资源短缺和环境压力日益增加，实现可持续发展的主要途径就是合理开发可再生能源，改善能源消费方式，提高资源的利用效率减少环境污染。可再生能源发电具有良好的可持续性，并且对环境污染小，因此分布式电源在我国得到了快速发展。然而随着分布式发电的快速发展，分布式，电源并网数量的增加，其对中低压电网的影响越来越大8。只有解析出各分布式电源对电网中各运行变量的影响，才能

24、对分布式电源进行合理的规划、选址、定容，充分发挥分布式电源的作用。当分布式电源由于人为或自然原因退出运行时，也可以做好充分的预防措施，提高电网运行的可靠性。1.2.2 分布式电源的控制方式基于可再生能源的分布式电源主要有风力发电、光伏发电和微型燃气轮机发电等，这些电源大部分都是通过电力电子装置逆变为工频电压后并网。正常工作状态下的逆变器电源，按照运行控制方式可分为一下四类：(一)采用恒功率控制的逆变电源只能跟随系统的电压及频率来维持其输出的功率保持在给定参考值不变，而不参与电压及频率的调节，也就是说采用 P-Q 控制的逆变电源不能独立运行，只能并网或与其他电源一起运行。一般输出功率具有不确定性

25、、随机性、受环境等影响较大的光伏发电、风力发电等，为了获得最大的能源利用率，通常采用此种控制方法。(二)与恒功率控制一样，恒压恒频控制方法也是基于电压频率下垂特性的原理进行控制的，与恒功率控制不同的是，该控制方法的目标是控制逆变电源输出 到其所接的母线上的电压幅值及频率保持不变。恒压恒频控制方法的本质就是：不管外部电网对采用该控制方法的逆变电源输出功率的需求怎样变化，只要在其容量范围内(PminPPmax 和 QminQQmax)，都能控制其输出端的电压幅值和频率 一直不变，类似于传统配电网中的平衡节点。由上述分析可知，该控制方法属于无差调节，能够维持系统电压及频率稳定，因此可以用于微电网的孤

26、岛模式下，像那些能够输出稳定的功率、比较容易控制的分布式电源，如燃料电池、微型燃 气轮机及小水电机组等就可以采用 V/f 控制方式，在系统内的负荷需求变化时还可以调整自身的发电量来保持系统内的功率平衡。(三)下垂控制方法是将传统发电机的静态工频特性引入到基于换流器接口的逆变器电源中，在呈感性的系统中，利用有功功率和频率、无功功率和电压幅值成线性关系的原理，逆变器电源根据系统内负荷的需求和下垂特性曲线来调整其输出的电压幅值和频率，合理的分配有功和无功功率，达到系统的功率平衡。 (四)倒下垂控制方法与下垂控制同样是引入传统发电机静态特性来控制逆变器电压的输出，但与下垂控制的目标不同，倒下垂控制方式

27、通过测量网侧电压幅值、频率，利用有功与频率，无功与电压的关联特性控制逆变器有功、无功功率输出。1.2.3 分布式电源并网管理目前，我国新能源发展势头强劲，我国也根据分布式电源发展过程中出现的问题和新的形势发展形势调整和完善了新能源政策。2012年国家能源部门发布了可再生能源发展规划，另外，还发布了基于风能、太阳能等可再生能源发 电的专项规划。我国财政部完善了可再生能源发展基金征收及使用管理机制，并 加强解决补贴资金不足及发放之后等问题。国家能源局启动了建设了风电清洁供 热试点，探索提高风电消纳能力、减少弃风的运行模式。这一系列有关新能源发 电的激励与补贴政策将快速推动我国分布式发电的发展进程。

28、在风电并网方面，针对风电年度计划外的项目，扰乱风电建设秩序的现象， 国家能源局印发了关于规范风电开发建设管理有关要求的通知。文件中提出： 严格执行风电项目核准计划，按照国家能源局下发的风电计划进行建设；加快清 理风电项目核准情况；各省将电网配套设施的建设作为项目核准条件，并负责核 准风电项目的市场消纳。为进一步加强风电检测工作的规范管理，严格执行国家 关于风电检测的要求，风电并网检测遵循“三化六统一”原则。目前，国家电网 公司关于风电并网的检测体系已基本建成，可对风电机组的多项指标进行检测， 如并网性能、电能质量等，确保了风电机组的安全稳定并网，为风电的发展提供 了坚实的基础9。为支持并推进光

29、伏发电的发展，国家电网公司以方便业主为宗旨制定了一系 列关于光伏并网的优惠政策。首先为适应分布式光伏发电装机容量较小、接入电 压低等特点，明确了接入方案制定，优化了并网申请、并网验收等服务流程。针 对分布式光伏发电项目数量多、建设周期短等特点，电网公司在配套工程安排上 开辟绿色通道，保证了公共电网侧的接入工程、电网改造与分布式光伏电站同步 建设。绿色通道将为光伏发电并网和电网改造预留资金，受政策影响的光伏发电 项目可先建设实施等。基于不同可再生能源的分布式电源具有明显的随机性，受环境影响明显。分 布式电源的并网使电源向负荷侧移动，对电网的规划与运行都会产生影响。分布式电源使配电网的规划、保护等

30、变的复杂，使运行成本增加或降低。我国为推进分布式能源发电的发展，已经初步建立了关于分布式电源的激励与补贴政策，如不收取服务费，光伏发电和风电项目不收取系统备用容量费等。目前对于各电源补贴力度的制定主要是根据分布式电源的技术类型、地点、容量 等多个方面进行评估，没有考虑到各电源对电网的规划、管护、电能质量等运行成本的影响。通过解析各电源对配电网运行变量的影响可为补贴力度和激励政策 的实施提供数据支持。1.3 分布式电源对配电网的影响1.3.1 分布式电源对配电网规划的影响分布式电源的并网使配电网的管理与控制更加复杂，使配电网的规划发生 巨大改变10。配电网的规划是指根据过去几年的电力负荷的变化，

31、对未来几年的电力需求作出预测，根据预测结果确定变电站布局和接线方式。规划的原则为在满足电力需求、保证电能质量与供电可靠性的前提下，使运行建设费用最小。由于分布式电源具有明显的波动性与随机性，分布式电源的接入显著影响了配电 网的规划，可概括为一下几个方面：(1)增大了规划区内负荷预测的难度。拥有丰富的太阳能、风能等可再生能源丰富的电力用户可根据自己的实际情况决定是否安装分布式发电系统及发电系统的容量，此外，分布式电源可能隶属于不同的开发商，受到电力市场的影响，电力用户具有很大的随机性。分布式电源多是基于可再生能源发电，很大程度上受制于自然环境。因此，电网规划部门不仅要预测实际负荷的变化，也要考虑

32、该区域内分布式电源的发展和环境因素，这大大增加了电网规划的难度。(2)增加了规划模型的复杂性。虽然分布式电源可以减少配电系统的建设费 用，但分布式电源的分布和容量如果不合理，可能导致某些节点的电压超出允许 的偏差范围，以及某些设备的利用率降低，甚至影响到电网的安全稳定性。因此， 要想保证电网运行的可靠性并最大限度的发挥分布式电源的作用，必须考虑电源 带来的各方面的影响，合理的规划含分布式电源的配电网。(3)增加了寻找最优网络方案的难度。合理的规划有源配电网的网络结构， 对于电网的稳定可靠运行、各类电源高效合理的利用至关重要。电网规划是一个 多目标的非线性规划问题，通常需考虑网络内上千个节点，分

33、布式电源的并网会 增加寻优的困难。此外，分布式电源类型具有多样性，不同的电源建设成本、运 行规律大不相同，这些问题使配电网规划变的更加困难。(4)分布式电源开发商和电网公司可能存在利益冲突。开发商可能具有丰富 的可再生能源，如风能、太阳能等，他们想利用自己的条件发电然后并网。但电 网公司不愿意用户将电能并网，因为分布式电源的并网，将会对电网的运行带来很多影响。例如，大量分布式电源并网，电网公司的某些大型电厂将要减少电能供应，造成设备利用率低。此外，分布式电源的建设成本一般较高，受国家的政 策调控影响较大，国家的一些能源政策也会影响到电网的规划决策。1.3.2 分布式电源对配电网运行的影响随着经

34、济建设的快速发展，分布式电源的并网规模迅速扩大，这种发展带来的电网安全性问题越来越受到重视。只有充分了解分布式电源对电网运行变量的影响，才能有效的调整电网结构，合理的规划分布式电源的位置和容量，从而将 电源对电网好的影响最大化，坏的影响最小化。分布式发电技术的快速发展和运营管理方式的进步促使电力格局发生了改 变，电源向用电侧靠近，引入可再生能源发电，其中也有一些比较廉价的发电方 式并网。由于分布式电源具有容量小电压等级低的特点，主要通过中低压电网并 网，同时也对电网的运行变量造成了一些影响。(1)对线路功率的影响 分布式电源在负荷侧并网后，网络结构和运行方式发生改变，某些线路功率会出现双向流动

35、12。当电源功率大小合适时，直接为电力用户供电，减少了电 能在线路中的流动，从而使系统网损减小。但是，当分布式电源功率过大时，大量的电能逆流，会使电网进入不良运行状态，影响电网的安全性、经济性、稳定性。例如，在配电网中，每个发电商所在的低压并网节点可以被看作一个 PQ节点，如果低压网消耗的有功功率或无功功率较少，多余的功率将会转移到中压网。这样倒送的功率经过配电站的中压-低压变压器，将改变接入到该配电站的中压 线路的传输功率。(2)对电压分布的影响在传统配电网中，电网结构一般为辐射状，由根节点提供全部功率，通常情 况下节点电压沿馈线方向逐渐降低。分布式电源的接入使辐射状无源配电网成为 有源多点

36、供电网络，线路中的功率流动发生巨大改变，从而使部分节点电压也发 生改变11.25。显然，分布式电源在某个节点并网后未形成倒送功率时，将改变既有线路的 电压分布。从图 1.1 可以看出，分布式电源并网后 PQ 减小，电压升高，从电压 分布上可以知道，分布式电源提高了线路正常运行电压的水平。电源并网后，并 网节点的电压升高最为明显，可能会超出电压偏差上限值，电源并网前需要进行校验。这时需要调节变压器分接头改善电网中的无功分布或减小电源的无功出 力，使线路沿线电压在允许的偏差范围内。图 1.1 电压降示意图(3)对电能质量的影响 基于可再生能源的分布式电源，大多受制于环境与天气条件，具有明显的波动性

37、与随机性。此类电源并网后将使电能质量降低，其影响主要有电压闪变、谐 波两个方面20。一般情况下，电压闪变是由设备吸取功率的快速波动引起的，如电焊机、频 繁启动的电动机等。随着分布式电源的并网，分布式电源的随机性也是引起电压 闪变的主要原因。可以从一下两个方面说明：客观因素方面，例如风速变化较大 时，风力发电场的输出功率也会随之波动，受自然界风速影响很大，极端情况下 甚至会退出运行；主观因素方面，由于各分布式电源的开发商可能不同，各开发 商考虑到自己电源的经济效益，可能会随机的启停电源对电网产生冲击。大多数分布式电源基于电力电子装置并入电网，会产生对电网的谐波干扰。 谐波会引起电力设备的额外发热

38、、电压降低，还会对接入电网的电子设备产生干 扰。可以将谐波对仪器和设备的影响分为瞬时效应和长期效应，无论哪种情况都 会对电网造成不利影响。分布式电源接入对配电网造成的影响有：在发电机磁隙 中产生谐波；通过变压器接入时，可能因变压器饱和产生谐波；通过电力电子器 件并网时产生谐波。(4)对网损的影响 如前所述，分布式电源的并网使系统中线路功率的流动发生改变，不再是单方向的流动，进而改变系统的网损13。一般情况下，分布式电源接在负荷中心 附近，根据电源的数量和容量不同，大致分为三种情况：一、各电源的容量都小于接入节点的负荷；二、所有电源中，至少有一个容量大于接入节点的负荷，但各电源的总容量小于接入点

39、的负荷之和；三、所有电源中，至少有一个容量大于 接入节点的负荷，各电源的总容量大于接入点的负荷之和。一般情况下，对于前 两种情况，电源的接入使线路的传输功率降低，全网的损耗会有所降低。对于情 况三，网损很可能会增大。此外，对于一些基于异步感应发电机发电的电源并网， 此类电源虽然向系统注入有功功率，但需要从电网吸收无功功率，会降低线路的 功率因数，很可能使网损增加14。(5)对继电保护的影响 传统配电网的保护设计与整定都是基于潮流的单向流动，没有考虑分布式电源引起的潮流变化。分布式电源的接入会对传统保护的可靠性带来影响19。当分布式电源位于故障点所在的支路上时，可能会引发保护的拒动；当电源位于故

40、障点相邻的出线时可能会引发误动。分布式电源的并网使网络的功率流动发生改 变，也会对自动重合闸产生影响。为应对分布式电源对保护的影响，可根据实时 并网的分布式电源容量调整保护阀值，根据电网管理机构和发电商之间商定的准 则，远距离控制分布式电源的解列保护。1.3.3 开发分布式电源对配电网市场化的要求 在输电网中，关于网损分摊、电压分布和电能交易对电网中运行变量的影响，国内外已经有了不少研究成果。这些研究成果为输电网的安全、健康、稳定运行，各发电商公平、合理的并网提供了理论基础与数据支持24。 当今世界各行业迅速发展，对电力能源的需求也随之增加，分布式发电技术的快速进步，这些因素共同推动了分布式能

41、源发电的迅速发展。分布式电源的大 量出现和并网，改变了配电网的网络结构与运行方式，使原本辐射状、功率单向流动的配电网变的复杂。分布式电厂的并网不仅使配电网的规划与控制变的复 杂，也对配电网的运营管理提出了新的挑战15。目前，电力市场的迅速发展，对电力行业管制也在逐步解除，将会有不少分 布式发电厂接入中低压电网。当大量分布式电厂并入配电网时，需要精确解析出 各分布式电源对配电网运行变量的影响，从而为配电网的运行、控制和管理等提 供数据支持。以网损为例，有些分布式电源的并网会使整个网损降低，有些使网 损增加，此时需要解析出各电源对网损的影响，从而制定出相应的补贴与收费措 施。对于电网的节点电压分布

42、，需要解析出各电源投入或退出时对电网节点电压 产生的冲击，提前做好预防措施，保证电网电压稳定。1.4 国内外研究现状随着分布式发电技术的快速发展，大量分布式电源的出现，使配电网结构和 运行方式都发生了变化，对电网产生了深刻的影响26。因此，针对分布式电源并网的相关问题，国内外大量学者已开展了大量的研究和探讨并取得了部分成 果。我国关于分布式电源对配电网影响的研究主要包括电源的模型、稳态控制、 电网稳定性和电源效率等方面。关于含分布式电源的配电网的运营管理，各分布 式电源开发商之间如何公平合理的并网等问题的研究成果还很少。国外关于分布 式电源也开展了大量的研究工作，研究成果除了分布式发电技术还有

43、含分布式电 源配电网的运营管理。在电力市场的条件下，大量分布式电源通常隶属于不同运 营者，当所有发电商都接入同一个配电网时，需要建立相应的管理机制，以确保 这些电源的顺利接入和配电网的安全运行。分布式电源并网前需要对并网后的系 统进行分析，评估系统的运行损耗、运行稳定性和节点电压分布。此外，分布式电源的并网，使传统配电网的控制策略，调压方式，有功、无功备用，保护设计 等都变的复杂化。针对分布式电源对配电网影响的研究主要有一下几个方面。(一)分布式电源的建模。分布式电源的并网增加了配电网运行和控制复杂 性，电源的建模可以为潮流计算提供较准确的依据，是研究含分布式电源配电网 的基础。文献49介绍了

44、风电、光伏等发电方式的模型，并在考虑多个因素的基 础上对模型进行了优化，找出了最优并网方案。文献50提出了一种大量电源并网的建模方法，并对控制方法进行了简单探讨。(二)电源的控制方法。分布式电源的控制方法与接入大电网的常规电源显著 不同，分布式电源大部分为直流电或非工频交流电，需要通过电力电子装置转换 后接入电网。文献51对分布式电源并网的典型控制方法进行了详细分析。文献 52基于双环控制策略提出了一种单相并网逆变器控制方法，抑制了谐振，提高 了系统稳定性。(三)利用配网潮流计算，研究分布式电源接入后对配网运行变量的共同影 响，以及相应潮流算法的改进。文献21主要通过对配电网模型分析，改进配电

45、 网潮流算法，然后针对分布式电源的容量、接入位置和功率因数三个因素，讨论 了分布式电源对电网网络损耗的影响，并得出分布式电源的配置对电网影响的规 律。文献22中通过设计多组分布式电源，分别将每一组电源接入电网，得到电 源并网后的节点电压分布，与电源并网前的节点电压分布相对比可得到电源对电 网电压分布的影响。文献23通过对分布式电源建模研究了分布式电源在不同的 接入位置、运行模式等对节点电压的影响。此外其还分析了同一组电源接入方式 不变，按照所占负荷的比例改变接入功率，得到不同功率下电源对电网的影响。 文献14研究了感应式电机对配电网的影响。提出了感应式电机安装地点越靠近 线路末节点，对网损影响

46、程度越大，发电容量和安装位置会影响线路参数。此外， 通过改变功率因数可以改变感应电机对网损和电压的不利影响。由于配电网与输 电网的本质区别，将输电网中常用的牛拉法应用在含分布式配电网中进行潮流计 算时，收敛速度慢甚至出现潮流不收敛，文献16针对配电网提出了一种改进的 牛拉法，本方法使用等效阻抗矩阵对辐射状母线进行迭代计算可以快速准确的计 算配网潮流，同时此方法在电力系统状态估计方面也得到了应用。以上研究成果虽然分析了分布式电源在不同运行状态时接入电网后对损耗、 电压分布产生的影响，但没有具体解析出每个电源对这些运行变量的影响。此类 分析方法思路相似，大都是计算一组电源并网前后的系统潮流，对比两

47、个潮流状 态得到影响结果。(四)解析出潮流分布，进而根据分布式电源提供的功率推导出电源对电网的 影响。原来的一些算法，例如平均网损分摊法、边缘算法在计算时都没有考虑无 功潮流的影响，且将网损与传输功率的非线性关系进行了简化，没有把分布式电源的并网对网损造成的增大或减小与分布式电源开发商的利益联系起来。文献17采用平均网损分摊法根据用户功率的大小将网损分配给电能参与者，此方法未考虑电网结构和电能输送距离。此类方法简单、透明，若需要更加公平合理的网损分配，需要以网络中的功率流动为基础进行网损分配。文献55针对配电网采用功率跟踪方法，确定出系统线路中有功功率、无功功率的组成部分，对配电网中网损进行了

48、定量分析，将网损分配给各电能参与者，为含分布式配电网制定各节点使用费率提供了数据支持。文献18对含嵌入式电源配电网的网损分摊问 题进行了探讨，基于潮流分布提出了一种相应的分解方法，得出分布式电源的并 网不仅会使系统网损减小，也可能使网损增加。但是该方法计算量大，与节点规 模呈非线性增加，且不具备通用性和实用性。1.5 本文主要研究内容随着分布式发电技术的迅速发展，一些分布式电源隶属于不同的开发商，如何保证各电源并网和运行的公平合理，这是对配电网的运营管理提出的新的要 求。本文在分布式发电和电力系统的理论基础上，结合目前国内外的研究成果， 针对分布式电源对配电网运行变量的影响进行了分析研究。尤其

49、研究了多个电源 共同作用下，每一个电源对配电网造成的影响，即对每一个电源产生的影响进行了精确解析。研究过程中做了如下假设： (1)对于配电网的线路只采用了阻抗模型，忽略了其对地导纳。 (2)配电网中所有负荷采用恒功率方式，且不发生变化。本文主要工作和创新点如下：(1)针对现有的配电网分析计算方法、分布式电源特性等进行了深入研究分析。(2)基于配电网潮流灵敏度和数值积分提出了一种对配电网中运行变量的解析方法。在此基础上，针对分布式电源对网损、各节点电压、各支路潮流等运行变量影响的解析进行了详细的公式推导。(3)根据上述方法进行了算法设计，开发了程序，并针对程序运行中的具体问题进行了优化处理。(4

50、)对不同网络结构，以及多种类型分布式电源接入后的算例进行了测试结 果表明，采用上述方法后，各电源对某个运行变量的影响总和即为所有电源对该 运行变量共同造成的影响，从而验证了该方法的正确性与适用性。第2章 含分布式电源的配电网潮流计算2.1 引言系统潮流能全面反应电网的运行状态，解析分布式电源对配电网的影响也要 基于配电网的潮流状态。针对含分布式电源的配电网潮流计算，首先要分析电源 的特点与运行特性，在常规配电网潮流计算的基础上进行改进。为进一步解析分 布式电源对配电网的影响提供理论与数据基础。2.2 分布式电源的运行特性与并网模型(1)风力发电 风力发电技术是将风能转化为电能的技术。风力发电机

51、可以单独接到电网，也可以组成风电场后接入电网。风力发电包括两个能量转换过程，即风能转换为 机械能和机械转换为电能。风电机组叶片在气流作用下产生转矩驱动风轮转动， 通过传动系统带动发电机的转子，从而发电运行。风力发电系统主要由风力机、 传动机构、感应发电机和桨距角控制系统等部分构成，风机叶片的长度随单机容 量的增大而增大。按照发电机类型可将风电机组分为笼式异步风电机组、绕线式双馈异步风电机组和直驱式永磁同步风电机组。笼式发电系统的感应发电机直接接入电网，发电机的转速由电网决定，因此相对于任何风速，涡轮机的转速实际上是固定的。笼式异步风机启动时需要消耗大量无功功率，需要无功补偿装置或大电网提供无功

52、功率进行补偿。双馈异步风力发电机组的特殊性在于定子绕组和转子绕组直接或间接与电网相连，定子侧直接与电网相连，转子侧通过双向变频器接入电网，因此称为双馈感应异步发电机。此类风机可将涡轮机械转速和电网频率解耦，涡轮机的转速按风速以最优的方式进行控制，实现变速转动。目前，绕线式双馈异步风机是国内外专家研究的热点，大部分新建的风电场也是以此类风机为主。直驱永磁同步风力发电机组的发电机与风力机直接相连，转子采用永磁式结构，其无需增速齿轮箱，定子通过双向变流器与电网相连。通过变流器解耦控制，使得永磁同步风力发电机组与电网完全解耦。采用多级低转速发电机，并将其与叶轮直接相连，然后利用叶轮直接对发电机进行驱动

53、，这种方式既降低了噪声，又获取了较高的能量转化效率。在直驱式永磁同步风机系统中，可通过功率换流器实现发电机与电网的完全解耦。(a) (b)(c)图 2.1 不同的风电系统异步风机没有励磁装置，需要电网提供无功功率，不具有电压控制能力，此类风机从电网吸收的无功功率和转差率、节点电压密切相关，因此一般取为 (PQ-V)节点。同步风机可以独立调节有功功率和无功功率，可根据控制方式的不 同，将此类风机取为 PV 节点或 PQ 节点。(2)光伏发电太阳能光伏发电是利用具有光生伏特效应的半导体将光能转化为电能的一种发电方式。所谓光生伏特效应，是指在光照作用下，半导体或不均匀半导体与金属材料的内部电子空穴对

54、的分布状态和浓度发生变化，因而在不同的部位之间产生电位差的现象。光伏发电的最小单位是太阳能电池，将太阳能电池单元进行串并联后，可封装为功率在几瓦到几百瓦的太阳能电池组件。太阳能组件进一步串并联可得到太阳能电池板，将电池板与逆变器、整流器组合得到太阳能光伏发电系统。为了获得希望的电压和电流，可将光伏电池组装成模块，多个模块进行串并联组合成光伏电池板以达到需要的功率。光伏电池板是一个直流源，因此其输出需要适应于连接的交流电网或供给的交流负荷，一般经过 DC/DC换流器和 DC/AC逆变器两个转换，或只用 DC/AC一个逆变器转换，原理图如图 2.2 所示。图 2.2 光伏发电原理框图光伏电池板先经

55、过整流再逆变或着直接逆变为工频交流电，换流器都工作在 最优工作点，即最大功率点。光伏电池的模型如图 2.3 所示，模型包括一个电流源、一个二极管和一个电池内电阻，输出电流为 Ipv。 (2-1)图 2.3 光伏太阳能电池等效电路太阳能电池的主要原料硅在我国的储存十分丰富，伴随着太阳能电池技术的飞速发展，光电转换效率的不断提高及相关控制系统的进步，发电成本已经呈现快速下降的趋势。和常规能源相比，光伏发电具有以下优缺点。优点为：不破坏生态，无污染；周而复始，可以再生；可与蓄电池配合对电力用户进行独立供电，也可以经逆变器并网供电，使用灵活等。缺点为：太阳能密度低，建设时覆盖面积比较大；制造太阳能电池

56、板不环保；具有随机性和间歇性；各地区太阳能资源不同，受区域影响大。光伏电站可将光能转换为直流电，然后将直流电逆变为与电网同压同频的交流电。因此，光伏电站通常情况下只向电网提供有功功率，即电能具有很高的功率因数。光伏电站的并网控制一般使用双环控制，电压外环控制用来稳定光伏阵列的直流输出电压，电流内环实现并网电流的跟踪控制。光伏发电系统控制的是 最终输入电网的电流，因此在进行电力系统计算时可以将光伏电源当作 PI节点53。(3)燃料电池发电燃料电池发电是基于电解质的逆向原理将化学反应的化学能直接转化为电能，与传统火力发电能量转换方式相比没有热机过程，因此不受卡诺循环的限制，具有较高的能量转化效率。

57、燃料电池进行化学反应时基本不排放氮和硫的氧化 物，另外，与常规火电厂相比二氧化碳排放量减少 40%以上。氢作为燃料电池的原料是宇宙中含量最丰富的元素，随着化石燃料供应压力越来越大，科学技术逐步提高，除了可以从煤炭、天然气和石油中制取，也可以从空气和海水中提取氢。正是由于这些优点，燃料电池发电技术越来越受到各国能源专家的关注，被誉为21世纪首选的高效、清洁的发电技术31。 燃料电池由电极、氧化剂、电解质、辅助系统等元件构成，燃料在阳极氧化,氧化剂在阴极还原。燃料电池以及它的储能系统发出的是直流电，并网时需要经逆变器转换，模型如图 2.4 所示。图 2.4 燃料电池并网示意图根据使用的电解质类型、运行温度，以及是否可热电联产等特点，可将电池分为以下几类：(1)碱性膜燃料电池(AFC)：运行温度接近 90，压力在