分布式电源接入对配电网影响的研究附Matlab代码

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🔥 内容介绍

随着能源结构调整和可持续发展理念的深入，分布式电源（Distributed Generation, DG）在配电网中的接入规模不断扩大。分布式电源具有清洁、灵活等优点，但其接入也给传统配电网的运行与管理带来了诸多挑战。本文深入探讨分布式电源接入对配电网在电压分布、短路电流、继电保护、电能质量以及网络规划等方面的影响，并对相应的应对策略进行综述，旨在为配电网的安全、稳定、高效运行以及合理规划提供理论支持与实践指导。通过研究发现，分布式电源接入既带来了机遇，如提高能源利用效率、增强供电可靠性等，同时也伴随着复杂的技术问题，需要综合运用多种技术手段和管理措施加以解决。

关键词

分布式电源；配电网；电压；继电保护；电能质量

一、引言

在全球能源危机和环境保护意识日益增强的背景下，分布式电源作为一种新型的能源供应方式，得到了广泛的关注和快速的发展。分布式电源通常指功率较小（一般为几 kW 到几十 MW）、分散布置在用户附近的发电装置，包括太阳能光伏发电、风力发电、小水电、生物质能发电、燃料电池等。与传统的集中式发电相比，分布式电源具有能源利用效率高、环境污染小、靠近用户端可减少输电损耗、供电可靠性高等优势。

分布式电源接入配电网，打破了传统配电网单向潮流的格局，使其向有源网络转变。这种转变在带来诸多好处的同时，也对配电网的运行特性和控制策略产生了深远影响。例如，分布式电源的输出功率具有间歇性和波动性，会导致配电网电压波动和闪变；其接入位置和容量的不同，会改变配电网的短路电流水平，影响继电保护装置的正常动作；大量分布式电源的接入还可能引发电能质量问题，如谐波污染等。因此，深入研究分布式电源接入对配电网的影响，对于实现配电网的安全、稳定、高效运行具有重要的现实意义。

二、分布式电源接入对配电网的积极影响

2.1 提高供电可靠性

分布式电源靠近用户端布置，当配电网出现故障或受到自然灾害等外部因素影响导致停电时，分布式电源可以作为备用电源继续为部分重要用户供电，减少停电时间和停电范围，提高供电可靠性。例如，在一些偏远地区或对供电可靠性要求极高的场所（如医院、数据中心等），分布式电源的接入可以有效保障电力供应的连续性。据相关统计数据显示，在部分分布式电源应用较为广泛的地区，停电时间平均缩短了 [X] 小时，用户平均停电次数减少了 [X] 次 / 年。

2.2 提升能源利用效率

分布式电源可以充分利用当地的可再生能源资源，如太阳能、风能、水能等，将其转化为电能供用户使用，减少了对传统化石能源的依赖，提高了能源的综合利用效率。同时，一些分布式电源（如热电联产机组）在发电的同时还可以产生热能，实现了能源的梯级利用，进一步提高了能源利用效率。以某热电联产分布式电源项目为例，其能源综合利用效率可达 [X]% 以上，相比传统发电方式有显著提升。

2.3 缓解电网建设压力

随着社会经济的发展，电力需求不断增长，对配电网的建设和扩容提出了更高要求。分布式电源的接入可以在一定程度上满足局部地区的电力需求，减少对大容量输电线路和变电站的建设需求，缓解电网建设压力，降低电网建设成本。特别是在一些负荷增长较快但电网建设受限的地区，分布式电源的优势更加明显。

三、分布式电源接入对配电网的负面影响

3.1 对电压分布的影响

3.1.1 电压偏差增大

分布式电源接入配电网后，其输出功率的变化会引起配电网潮流的改变，从而导致电压偏差增大。当分布式电源输出功率较大且负荷较轻时，可能会使节点电压升高，超出允许范围；而当分布式电源输出功率较小且负荷较重时，又可能导致节点电压降低。研究表明，随着分布式电源接入容量的增加，电压偏差呈现先减小后增大的 “U 型” 变化趋势。在极端情况下，电压偏差甚至可能超过电压要求上限，影响用户设备的正常运行。例如，在某光伏分布式电源大量接入的配电网中，夏季白天光照充足时，部分节点电压升高超过了 10%，导致一些对电压敏感的用户设备出现故障。

3.1.2 电压波动与闪变

分布式电源（如太阳能光伏发电、风力发电）的输出功率受天气等自然因素影响较大，具有间歇性和波动性。这种功率的快速变化会引起配电网电压的波动与闪变，降低电能质量。电压波动会导致照明灯具闪烁、电机转速不稳定等问题，影响用户的正常生活和生产。据实测数据，在一些风力发电集中接入的地区，电压闪变值最高可达 [X]%，远远超出了国家标准规定的限值。

3.2 对短路电流的影响

3.2.1 短路电流水平改变

分布式电源接入配电网后，改变了系统的电源分布和网络结构，使得短路电流的大小和分布发生变化。当配电网发生故障时，分布式电源会向故障点提供短路电流，导致短路电流水平升高。短路电流的增大可能会使原有继电保护装置的整定电流不满足要求，造成保护误动作或拒动作。同时，短路电流的增加还会对电气设备的动热稳定性提出更高要求，可能需要对部分电气设备进行升级改造。例如，某配电网在接入分布式电源后，短路电流水平提高了 [X]%，原有的部分断路器遮断容量不足，需要进行更换。

3.2.2 短路电流方向变化

分布式电源的接入使得配电网由原来的单电源放射状网络变为多电源网络，短路电流的方向不再单一。在传统配电网中，短路电流通常从电源侧流向故障点，而在分布式电源接入后，当故障点位于分布式电源与电源之间时，短路电流可能会出现反向流动的情况。短路电流方向的变化增加了继电保护装置正确动作的难度，需要对保护方案进行重新设计和优化。

3.3 对继电保护的影响

3.3.1 保护拒动

当配电网线路发生故障时，分布式电源提供的故障电流可能会使保护装置检测到的电流值降低，导致保护装置的检测值未达到整定值，从而引起保护拒动。例如，在某条含有分布式电源的配电网线路上发生故障时，由于分布式电源提供的反向电流抵消了部分故障电流，使得安装在该线路上的过电流保护装置未能动作，扩大了故障范围。

3.3.2 保护误动

当故障点位于分布式电源的相邻线路时，分布式电源的反向电流将增大其所在的正常运行线路的保护装置检测到的故障电流。一旦故障电流大于整定值，就会引起保护误动，导致正常运行线路跳闸。这种情况在分布式电源接入容量较大且分布较为密集的区域尤为常见，严重影响了配电网的正常供电。

3.3.3 重合闸问题

分布式电源接入后，配电网的重合闸设置原则需要进行调整。一方面，分布式电源可能在重合闸动作期间向故障点提供电流，影响电弧的熄灭，降低重合闸的成功率；另一方面，若重合闸动作时分布式电源处于孤岛运行状态，可能会对检修人员和设备造成安全威胁。因此，需要研究适用于分布式电源接入配电网的重合闸策略，确保重合闸的正确动作。

3.4 对电能质量的影响

3.4.1 谐波污染

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，注入配电网后会引起电压谐波畸变，降低电能质量。谐波污染会导致电力设备损耗增加、发热严重，影响设备寿命；还可能引发电力系统的谐振，危及系统安全运行。例如，在某分布式光伏电站接入配电网后，通过监测发现部分节点的电压总谐波畸变率超过了国家标准规定的 5%，对周边的一些敏感设备（如精密仪器、通信设备等）产生了干扰。

3.4.2 三相不平衡

由于分布式电源的接入位置和负荷分布的不均匀性，可能会导致配电网三相电流不平衡。三相不平衡会使电动机等三相设备产生额外的损耗和振动，降低设备效率，甚至损坏设备。同时，三相不平衡还会影响电能计量的准确性，给电力企业的运营管理带来困难。在一些分布式电源大量接入的农村配电网中，三相不平衡问题较为突出，严重影响了用户的用电体验。

3.5 对配电网规划的影响

3.5.1 负荷预测难度增加

分布式电源的接入改变了配电网的负荷特性，其输出功率的不确定性和间歇性使得传统的负荷预测方法难以准确预测配电网的负荷需求。这增加了配电网规划中负荷预测的难度，可能导致电网容量配置不合理，影响电网的投资效益和运行可靠性。例如，在一些太阳能资源丰富的地区，由于分布式光伏发电的大规模接入，夏季白天的负荷曲线发生了明显变化，传统的基于历史数据的负荷预测方法误差较大。

3.5.2 网络结构优化复杂

分布式电源的接入位置和容量选择对配电网的网络结构和运行性能有重要影响。为了充分发挥分布式电源的优势，同时降低其负面影响，需要对配电网的网络结构进行优化。然而，分布式电源的多样性和不确定性使得网络结构优化问题变得更加复杂，需要综合考虑多个因素，如分布式电源的出力特性、负荷分布、电压约束、短路电流限制等。这对配电网规划的方法和技术提出了更高要求。

四、应对分布式电源接入影响的策略

4.1 电压控制策略

4.1.1 无功补偿装置优化配置

在配电网中合理配置无功补偿装置（如并联电容器、静止无功补偿器等），可以有效调节系统无功功率，改善电压分布，降低电压波动。通过优化无功补偿装置的容量和安装位置，使其与分布式电源的出力特性相匹配，能够提高电压控制的效果。例如，利用智能算法（如粒子群优化算法、遗传算法等）对无功补偿装置进行优化配置，可以在满足电压约束的前提下，使系统的网损最小。

4.1.2 有载调压变压器应用

有载调压变压器可以在不停电的情况下调节变压器的分接头，改变变比，从而实现对配电网电压的调节。在分布式电源接入的配电网中，合理应用有载调压变压器，结合分布式电源的输出功率和负荷变化情况，动态调整变压器的分接头位置，能够有效维持电压的稳定。同时，可将有载调压变压器与其他电压控制手段（如无功补偿装置）相结合，实现协同控制，进一步提高电压控制的灵活性和可靠性。

4.1.3 分布式电源协调控制

通过对分布式电源的输出功率进行协调控制，使其在满足自身发电效率的同时，能够参与配电网的电压调节。例如，对于具有无功调节能力的分布式电源（如部分光伏发电系统和风力发电系统），可以根据配电网的电压情况，实时调整其无功输出，以维持电压在允许范围内。此外，还可以采用分布式电源集群控制技术，将多个分布式电源视为一个整体进行统一调度和控制，提高其对配电网电压的支撑能力。

4.2 短路电流控制策略

4.2.1 限流电抗器安装

在分布式电源接入点或关键线路上安装限流电抗器，可以有效限制短路电流的大小。限流电抗器通过增加线路阻抗，在故障发生时抑制短路电流的上升速度，使短路电流水平降低到原有继电保护装置能够承受的范围内。同时，限流电抗器的安装位置和容量选择需要综合考虑配电网的结构、分布式电源的接入情况以及短路电流的分布特点，以确保其限流效果最佳。

4.2.2 分布式电源故障限流技术

研究和应用分布式电源自身的故障限流技术，如在分布式电源的并网逆变器中增加故障限流功能模块。当检测到配电网发生故障时，该模块能够迅速动作，限制分布式电源向故障点注入的短路电流，从而降低短路电流对配电网的影响。这种技术具有响应速度快、控制灵活等优点，能够有效提高配电网的故障应对能力。

4.3 继电保护优化策略

4.3.1 自适应继电保护

采用自适应继电保护技术，根据配电网的实时运行状态（如分布式电源的接入位置、容量、出力情况以及网络拓扑结构等）自动调整保护装置的整定值和动作特性。自适应继电保护可以实时跟踪短路电流的变化，确保在分布式电源接入后保护装置能够准确动作，避免保护误动和拒动。例如，利用实时测量的电流、电压等电气量信息，通过智能算法计算出最优的保护整定值，实现保护的自适应调整。

4.3.2 纵联保护应用

纵联保护利用通信通道将线路两端的电气量信息进行比较，能够快速、准确地判断故障位置和性质，不受分布式电源接入引起的短路电流方向变化的影响。在分布式电源接入较多的配电网中，推广应用纵联保护技术（如光纤纵差保护、方向纵联保护等），可以有效提高继电保护的可靠性和速动性。例如，国网湖南省电力有限公司组织研发的全国首套新一代配电网智能纵联保护系统，采用了基于网格故障信号的多端纵联保护等技术，实现了对有源配电网故障的毫秒级精准隔离。

4.4 电能质量改善策略

4.4.1 谐波治理措施

在分布式电源接入点安装谐波滤波器（如无源滤波器、有源滤波器等），对分布式电源产生的谐波电流进行滤波，降低谐波污染。无源滤波器结构简单、成本低，但滤波效果受电网参数影响较大；有源滤波器能够实时跟踪谐波电流变化，动态补偿谐波，滤波效果好，但成本相对较高。在实际应用中，可以根据具体情况选择合适的谐波滤波器，或采用无源滤波器与有源滤波器相结合的方式，以达到最佳的谐波治理效果。

4.4.2 三相不平衡调节

通过优化分布式电源的接入位置和容量，尽量使三相负荷平衡。同时，可以采用三相不平衡调节装置（如三相不平衡调节变压器、静止无功发生器等）对配电网的三相电流进行调节，降低三相不平衡度。此外，加强对用户端的管理，引导用户合理分配三相负荷，也有助于改善配电网的三相不平衡问题。

4.5 配电网规划优化策略

4.5.1 考虑分布式电源的负荷预测方法改进

结合分布式电源的出力特性和历史数据，采用数据挖掘、机器学习等技术，建立考虑分布式电源影响的负荷预测模型。例如，利用神经网络算法对分布式电源的输出功率和负荷数据进行学习和预测，提高负荷预测的准确性。同时，引入不确定性分析方法，对分布式电源输出功率的不确定性进行量化评估，为配电网规划提供更可靠的负荷预测结果。

4.5.2 多目标优化规划模型建立

以配电网的经济性、可靠性、电能质量等为优化目标，建立考虑分布式电源接入的多目标优化规划模型。在模型中，充分考虑分布式电源的接入位置、容量、类型以及网络结构等约束条件，采用智能优化算法（如多目标粒子群优化算法、非支配排序遗传算法等）求解模型，得到最优的配电网规划方案。通过多目标优化规划，可以在满足各种约束条件的前提下，实现配电网的综合性能最优。

五、结论

分布式电源接入配电网是能源发展的必然趋势，它在提高供电可靠性、提升能源利用效率、缓解电网建设压力等方面发挥了积极作用。然而，分布式电源的接入也给配电网带来了诸多负面影响，如电压分布异常、短路电流改变、继电保护误动作、电能质量下降以及配电网规划难度增加等问题。

为了应对这些挑战，需要综合运用电压控制、短路电流控制、继电保护优化、电能质量改善以及配电网规划优化等多种策略。通过合理配置无功补偿装置、应用有载调压变压器、实施分布式电源协调控制等手段，可以有效改善电压分布；安装限流电抗器、采用分布式电源故障限流技术能够控制短路电流；采用自适应继电保护、推广纵联保护应用可优化继电保护性能；安装谐波滤波器、调节三相不平衡装置有助于提高电能质量；改进负荷预测方法、建立多目标优化规划模型能够实现配电网的科学规划。