分布式电源接入对配电网影响的研究附Matlab代码-优快云博客

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🔥 内容介绍

随着能源结构的调整和分布式发电技术的快速发展，分布式电源（Distributed Generation，DG）在配电网中的接入规模日益增大。本文深入研究 DG 接入对配电网的多方面影响，通过理论分析、数学建模以及实际案例研究，探讨了 DG 接入对配电网电能质量、电压分布、继电保护、网络损耗等方面的作用机制与影响程度。研究结果为合理规划和有效管理含分布式电源的配电网提供了重要依据，有助于提升配电网运行的安全性、可靠性和经济性。

关键词

分布式电源；配电网；电能质量；电压分布；继电保护

一、引言

在全球倡导可持续能源发展的大背景下，分布式电源因其具有能源利用效率高、环境友好、靠近用户端等优势，受到了广泛关注与应用。常见的分布式电源包括太阳能光伏发电、风力发电、小型水电、生物质能发电以及燃气轮机发电等。这些分布式电源接入配电网，改变了传统配电网单一电源辐射状的结构，使配电网从传统的无源网络转变为有源网络，极大地增加了配电网运行和管理的复杂性。深入研究分布式电源接入对配电网的影响，对于保障配电网安全稳定运行、充分发挥分布式电源的效益具有重要的现实意义。

二、分布式电源的类型及特点

（一）太阳能光伏发电

太阳能光伏发电利用半导体材料的光电效应，将太阳能直接转化为电能。其具有清洁无污染、可再生、维护简单等优点。然而，光伏发电受光照强度、温度等自然因素影响较大，输出功率具有明显的间歇性和波动性。在晴天光照充足时，发电功率较高；而在阴天、雨天或夜晚，发电功率则大幅下降甚至为零。

（二）风力发电

风力发电通过风力机将风能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。风能是一种清洁能源且资源丰富。但风力发电同样具有间歇性和不稳定性，风速的随机变化导致风机输出功率波动剧烈，难以准确预测。同时，风电场通常位于偏远地区，电力传输距离较远，增加了输电成本和技术难度。

（三）小型水电

小型水电利用河流、湖泊等水资源的能量落差进行发电。具有运行成本低、调节性能较好等优势，在一定程度上可根据水资源情况进行发电调度。不过，其发电功率受季节和水文条件影响显著，丰水期发电功率高，枯水期发电功率低。

（四）生物质能发电

生物质能发电利用生物质（如农作物秸秆、林业废弃物等）燃烧产生的热能转化为电能。生物质能是一种可再生的清洁能源，有助于减少对传统化石能源的依赖，同时解决部分生物质废弃物处理问题。但其原料供应具有季节性和区域性特点，且发电效率相对较低。

（五）燃气轮机发电

燃气轮机发电以天然气、煤气等为燃料，通过燃气轮机将化学能转化为机械能，进而带动发电机发电。具有启动迅速、调节灵活、发电效率较高等优点，能够快速响应电力负荷变化。但燃气轮机发电需要消耗化石燃料，会产生一定的污染物排放。

三、分布式电源接入对配电网的影响

（一）对电能质量的影响

电压波动与闪变

分布式电源输出功率的间歇性和波动性，如光伏发电和风力发电，会导致接入点电压产生波动。当 DG 输出功率快速变化时，可能引起电压闪变，影响用户的正常用电。例如，在风速突然变化时，风力发电机输出功率突变，会使配电网中电压瞬间升高或降低，影响对电压质量要求较高的敏感设备正常运行。

谐波污染

部分分布式电源，如光伏发电系统中的逆变器、风力发电系统中的电力电子变换器等，在运行过程中会产生谐波电流。这些谐波电流注入配电网，会导致电压波形发生畸变，使电能质量下降。谐波不仅会影响电气设备的正常使用寿命，还可能引起继电保护装置的误动作。

三相不平衡

分布式电源在配电网中的接入位置和容量分布不合理时，可能导致三相负荷不平衡。例如，单相分布式电源（如部分居民用户安装的光伏发电设备）接入三相配电网时，如果三相接入的容量差异较大，会造成三相电流不平衡，影响配电网的经济运行和电气设备的正常工作。

（二）对电压分布的影响

电压升高

当分布式电源向配电网注入功率时，尤其是在轻载情况下，可能会导致接入点及附近节点电压升高。这是因为传统配电网是按照从变电站向用户单向供电设计的，线路电阻和电抗会引起电压降落。而 DG 的反向功率注入会改变这种电压降落的方向和大小，可能使电压超出允许范围。例如，在农村地区，白天居民用电负荷较低，而此时光伏发电功率较高，若大量分布式光伏接入，可能导致局部电压过高。

电压跌落

在某些情况下，如分布式电源故障切除或负荷突然增加时，DG 输出功率不能及时满足负荷需求，可能会引起接入点及周边区域电压跌落。特别是对于一些弱电网，由于其自身的电压调节能力有限，更容易受到 DG 接入的影响而出现电压跌落问题，影响用户正常用电。

（三）对继电保护的影响

短路电流变化

分布式电源接入后，配电网的短路电流大小和分布发生改变。当发生短路故障时，DG 会向故障点提供短路电流，使故障线路的短路电流增大，可能导致原有的继电保护装置动作电流整定值不再适用，出现误动作或拒动作现象。例如，在传统配电网中，线路发生短路时，短路电流主要来自变电站电源。而接入 DG 后，DG 也会提供短路电流，使短路电流水平超出预期。

保护范围改变

由于 DG 的接入改变了配电网的拓扑结构和潮流分布，使得继电保护装置的保护范围发生变化。原本能够可靠保护的区域，可能因为 DG 的影响而出现保护死区或保护范围缩小的情况，降低了配电网的保护可靠性。例如，对于一些距离保护装置，DG 接入后可能使其测量阻抗发生变化，导致保护范围不准确。

重合闸问题

分布式电源接入后，配电网重合闸操作面临新的挑战。当线路故障切除后进行重合闸时，如果 DG 仍然向故障点供电，可能会产生冲击电流，影响重合闸的成功率，甚至损坏设备。此外，不同类型的 DG 在故障切除后的暂态响应特性不同，也增加了重合闸控制的复杂性。

（四）对网络损耗的影响

分布式电源接入配电网后，网络损耗的变化较为复杂，与 DG 的接入位置、容量、类型以及配电网的负荷特性等因素密切相关。在理想情况下，当 DG 接入位置合理且输出功率与负荷需求匹配时，DG 向负荷直接供电，减少了电力在传输线路上的传输距离和传输功率，从而降低网络损耗。例如，在负荷中心附近接入分布式电源，可有效减少从变电站到负荷中心的输电损耗。然而，如果 DG 接入位置不合理，或者输出功率与负荷需求不匹配，可能会导致功率倒送，增加网络损耗。例如，在远离负荷中心的地方接入大容量 DG，且在负荷低谷时段 DG 仍大量发电，可能使功率在配电网中远距离传输，反而增加了网络损耗。

四、分布式电源接入配电网的影响评估方法

（一）数学建模方法

通过建立分布式电源、配电网元件以及负荷的数学模型，利用电力系统分析软件（如 PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink 等）进行仿真分析。在模型中考虑 DG 的输出特性、配电网的拓扑结构、线路参数、负荷模型等因素，模拟不同工况下 DG 接入对配电网的影响。例如，建立光伏发电的数学模型时，考虑光照强度、温度等因素对光伏电池输出特性的影响；建立配电网线路模型时，考虑线路电阻、电抗、电导和电纳等参数。通过仿真计算，可以得到配电网在 DG 接入前后的电压分布、电流分布、功率潮流、电能质量指标等结果，从而评估 DG 接入的影响。

（二）实际案例分析方法

选取实际的配电网工程案例，对分布式电源接入前后的运行数据进行监测和分析。在案例中，安装各类监测设备（如电能质量监测仪、电压监测仪、电流互感器等），实时采集配电网的运行参数。通过对比接入 DG 前后的数据，直观地了解 DG 对接入点及整个配电网的电能质量、电压分布、继电保护动作情况等方面的影响。例如，某地区在部分配电网中接入了分布式光伏发电，通过对一年的运行数据监测分析，发现接入光伏后，部分时段电压升高问题明显，同时谐波含量有所增加，验证了理论分析中关于 DG 对电能质量和电压分布影响的结论。

五、应对分布式电源接入影响的措施

（一）优化分布式电源接入规划

在规划阶段，综合考虑配电网的负荷分布、网络结构、电能质量要求等因素，合理选择分布式电源的接入位置和容量。采用优化算法（如遗传算法、粒子群优化算法等），以降低网络损耗、提高电压稳定性、满足电能质量标准等为目标，求解最优的 DG 接入方案。例如，通过优化计算，确定在负荷中心附近且线路阻抗较小的位置接入适量的分布式电源，既能满足负荷需求，又能最大程度降低对配电网的负面影响。

（二）电能质量治理措施

安装无功补偿装置，如静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）等，对分布式电源接入引起的电压波动和无功功率不平衡进行调节，维持电压稳定。

采用谐波治理设备，如滤波器（有源滤波器、无源滤波器等），对 DG 产生的谐波进行滤波，降低谐波污染，提高电能质量。

合理配置分布式电源的接入方式，对于单相分布式电源，采用平衡接入的方法，尽量使三相负荷保持平衡。

（三）电压控制策略

利用分布式电源的无功调节能力，通过控制 DG 的功率因数，使其在输出有功功率的同时，根据配电网电压情况调节无功输出，参与电压调节。例如，当配电网电压过高时，DG 吸收无功功率，降低电压；当电压过低时，DG 发出无功功率，提升电压。

安装有载调压变压器、电压调节器等设备，根据配电网电压监测数据，自动调节变压器分接头或电压调节器的输出电压，维持配电网电压在允许范围内。

采用分布式电源的集群控制策略，将多个分布式电源视为一个整体进行协调控制，根据配电网全局电压情况，统一调整 DG 的输出功率和无功补偿量，实现电压的优化控制。

（四）继电保护改进措施

重新整定继电保护装置的动作参数，考虑分布式电源接入后短路电流的变化，调整电流保护的动作电流、动作时间等参数，确保保护装置在新的运行条件下能够准确动作。

采用自适应继电保护技术，使保护装置能够根据配电网实时的运行状态（包括 DG 的接入情况、负荷变化等）自动调整保护定值和动作特性，提高保护的可靠性和适应性。

引入分布式电源故障快速切除技术，如采用快速熔断器、固态断路器等设备，在分布式电源发生故障时，迅速切断 DG 与配电网的连接，减少对配电网继电保护的影响。

六、案例分析

（一）案例背景

某城市的一个配电网区域，近年来陆续接入了大量分布式光伏发电和小型风力发电。该配电网为 10kV 辐射状网络，共有 [X] 条馈线，负荷以居民用电和商业用电为主。在接入分布式电源之前，配电网运行较为稳定，电能质量满足标准要求。

（二）接入后的影响分析

电能质量方面

通过电能质量监测设备发现，接入分布式电源后，部分时段电压波动超过了允许范围，最大电压波动达到 [X]%。同时，谐波含量明显增加，总谐波畸变率（THD）在某些节点超过了 5% 的标准限值，主要是由于光伏发电系统中的逆变器产生的 3 次、5 次谐波所致。三相不平衡度也有所增大，部分三相线路的不平衡度达到了 [X]%，影响了部分三相用电设备的正常运行。

电压分布方面

在白天光照充足且负荷较轻时，分布式光伏大量发电，导致部分馈线末端电压升高，最高电压超出额定电压的 [X]%。而在晚上负荷高峰时段，由于分布式电源出力降低，部分节点出现电压跌落，最低电压低于额定电压的 [X]% 。

继电保护方面

对配电网的继电保护装置动作情况进行统计分析，发现接入分布式电源后，发生了 [X] 次继电保护误动作事件。主要原因是分布式电源提供的短路电流改变了原有的短路电流分布，使得部分过电流保护装置的动作电流整定值不再准确。

网络损耗方面

通过对配电网功率损耗的计算和监测，发现接入分布式电源后，网络损耗在某些时段有所降低，最大降低幅度为 [X]%，这是因为部分分布式电源靠近负荷中心，减少了输电损耗。但在一些情况下，由于分布式电源接入位置不合理，导致功率倒送，网络损耗反而增加，最大增加幅度为 [X]% 。

（三）应对措施实施效果

针对上述问题，采取了一系列应对措施。通过优化分布式电源接入规划，调整了部分分布式电源的接入位置和容量；安装了 SVC 和有源滤波器，对电压波动、无功功率和谐波进行治理；重新整定了继电保护装置的动作参数，并采用了自适应继电保护技术。实施这些措施后，再次对配电网进行监测分析。结果显示，电压波动得到有效抑制，最大电压波动降低至 [X]% 以内；谐波含量大幅下降，总谐波畸变率在所有节点均满足标准要求；电压分布更加合理，电压升高和跌落问题得到明显改善；继电保护误动作事件不再发生；网络损耗在整体上降低了 [X]%，配电网的运行安全性、可靠性和经济性得到显著提升。

七、结论与展望

（一）结论

本文全面研究了分布式电源接入对配电网在电能质量、电压分布、继电保护和网络损耗等方面的影响。分布式电源的接入给配电网带来了诸多挑战，如导致电压波动、谐波污染、三相不平衡、电压升高或跌落、继电保护动作特性改变以及网络损耗变化复杂等问题。通过数学建模和实际案例分析，明确了这些影响的作用机制和影响程度。同时，提出了一系列应对措施，包括优化接入规划、电能质量治理、电压控制和继电保护改进等，通过案例验证了这些措施的有效性。合理规划和有效管理分布式电源接入，能够在充分发挥其优势的同时，最大程度降低对配电网的负面影响，实现配电网的可持续发展。

（二）展望

未来，随着分布式电源技术的不断发展和接入规模的进一步扩大，需要深入研究以下几个方面：一是进一步完善分布式电源和配电网的联合建模技术，考虑更多复杂因素，如分布式电源的集群控制、储能系统与分布式电源的协同运行等，提高模型的准确性和适用性。二是加强对分布式电源接入后配电网新型故障特性的研究，开发更加先进、可靠的继电保护和故障诊断技术，保障配电网的安全运行。三是探索分布式电源参与配电网优化调度的新模式，充分发挥其灵活性和调节能力，提高配电网的整体运行效率和经济性。四是研究分布式电源接入对配电网可靠性评估方法的影响，建立更加科学合理的可靠性评估体系，为配电网规划和运行提供更有力的支持。通过这些研究，将更好地应对分布式电源接入带来的挑战，推动配电网向智能化、高效化、绿色化方向发展。