高密度分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)準(zhǔn)入容量研究

曹哲，劉波，袁智強(qiáng)

（上海電力設(shè)計(jì)院有限公司 系統(tǒng)規(guī)劃中心，上海 200025）

迫于能源緊缺和環(huán)境的壓力，以風(fēng)電、光伏電源、小水電等可再生能源為主體的分布式電源已成為必然趨勢。太陽能作為一種清潔可再生的能源，取之不盡、用之不竭，有著其他新能源無法比擬的優(yōu)勢。近年來，光伏發(fā)電發(fā)展迅猛。根據(jù)歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（EPIA）公布的數(shù)據(jù)，2013年世界光伏新增裝機(jī)容量達(dá)到37 007 MW，增幅首次超過風(fēng)電；其中我國新增裝機(jī)容量11 300 MW，占世界總新增裝機(jī)容量30.5%，成為世界第一。光伏發(fā)電系統(tǒng)一般分為集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，隨著國家能源發(fā)展戰(zhàn)略日益凸顯分布式電源在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)節(jié)能減排及實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展方面的重要意義，分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)已成為最主要的光伏發(fā)電消納方式[1-2]。

高密度、多接入點(diǎn)的分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后將對配電產(chǎn)生一系列影響[3]。合理地配置分布式光伏電源可支撐起配電網(wǎng)的電壓，然而不加約束地接入分布式光伏電源又會(huì)引起配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)過電壓[4-6]。此外，按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，考慮電網(wǎng)的安全運(yùn)行以及自動(dòng)重合閘的配置，當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，應(yīng)立刻停止運(yùn)行分布式電源，光伏發(fā)電系統(tǒng)需要經(jīng)過一定延時(shí)時(shí)間（20 s～5 min）后才能重新并網(wǎng)[7]。當(dāng)系統(tǒng)中接入的高密度分布式光伏電源解列時(shí)，配電系統(tǒng)將出現(xiàn)低電壓，從而影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，破壞相關(guān)電力設(shè)備。

相關(guān)單位與學(xué)者已深入研究了電網(wǎng)電壓與光伏電源接入容量兩者的相互影響。文獻(xiàn)[8]通過建立包含廣義負(fù)載的統(tǒng)一電路模型并進(jìn)行仿真分析，將光伏電源視為負(fù)載，從而計(jì)算出電網(wǎng)電壓波動(dòng)與分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入的交互影響，但是該文將光伏電源作為單個(gè)廣義負(fù)載處理，未考慮10 kV饋線線路多點(diǎn)接入光伏電源的情況。文獻(xiàn)[9]分析了負(fù)荷在不同分布規(guī)律的條件下不致引起饋線各點(diǎn)電壓超出饋線首端電壓的光伏組件準(zhǔn)入容量，但是該文將光伏組件考慮為純有功電源，未考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)的調(diào)節(jié)能力。此外，目前的研究多偏重考核光伏電源對線路造成過電壓影響，針對低電壓影響的研究較少。本文針對高密度分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入的中壓配電網(wǎng)絡(luò)，基于電壓偏差計(jì)算原理，建立了饋線電壓偏差計(jì)算模型，研究了不致引起饋線各點(diǎn)出現(xiàn)過電壓且在饋線故障排除后光伏發(fā)電系統(tǒng)解列時(shí)饋線各點(diǎn)出現(xiàn)低電壓的光伏準(zhǔn)入容量。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由3部分構(gòu)成：光伏陣列、逆變器和電網(wǎng)。其中光伏陣列主要由光伏組件組成，可采用單個(gè)組件、組件串聯(lián)和組件并聯(lián)等應(yīng)用形式。逆變器是將光伏陣列所輸出的直流電轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)要求的交流電再輸入電網(wǎng)的設(shè)備。圖1所示為多支路結(jié)構(gòu)的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)圖Fig. 1 Block diagram of distributed PV generation

逆變器是光伏系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換與控制的核心，影響和決定著整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定、安全、可靠、高效運(yùn)行。從波形上分析，逆變器電壓幅值連續(xù)可控、并保持與電網(wǎng)電壓頻率同步，運(yùn)行時(shí)即可視為一電壓源。因此，通過控制逆變器的相位和幅值，可實(shí)現(xiàn)電力電網(wǎng)與分布式光伏并網(wǎng)逆變器之間無功、有功功率的調(diào)節(jié)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，分布式光伏組件逆變器出口功率因數(shù)應(yīng)在超前0.95～滯后0.95范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)[6]。

2 含高密度光伏發(fā)電系統(tǒng)接入的配電網(wǎng)分析模型

我國城市電網(wǎng)電壓等級(jí)為220 kV/110（35）kV/10 kV/0.4 kV，其中110 kV及以下電壓等級(jí)屬于配電網(wǎng)。城市高壓配電網(wǎng)（110 kV或35 kV）采用鏈?zhǔn)浇泳€；中壓配電網(wǎng)（10 kV）架空線路多采用多分段多聯(lián)絡(luò)接線，電纜線路多采用環(huán)網(wǎng)接線。由于環(huán)網(wǎng)線路一般為開環(huán)運(yùn)行，故在正常運(yùn)行狀態(tài)可等效為單電源輻射式接線。

考慮到配電網(wǎng)系統(tǒng)中饋線長度較短、電壓等級(jí)較低，以下分析節(jié)點(diǎn)負(fù)荷時(shí)采用恒功率靜態(tài)模型，即納入輸電線路的分布電抗和分布阻抗，而略去三相線路間的互感和對地電容。圖2所示是在上述等值分析條件下的接入高密度光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)分析模型。配電網(wǎng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)k到配電母線處的電壓損失為

式（1）中，Pi、Qi為380 V用戶的廣義負(fù)載；ηi為第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)光伏滲透率。設(shè)第i個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的配電變壓器額定容量為SNi，變壓器的空載無功損耗率按均值2.5%考慮。

圖2 高密度多點(diǎn)接入光伏電源饋線模型Fig. 2 Circuit model with multiple distributed loads and generations

cosφLi為未接入光伏組件前負(fù)載的功率因數(shù)?？紤]用戶400 V低壓側(cè)一般裝設(shè)有無功補(bǔ)償裝置，10 kV節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷功率因數(shù)較高，可按0.95考慮。由公式（4）可得由式（5），廣義負(fù)載功率因數(shù)為式中，cosφpvi為光伏組件功率因數(shù)，考慮cosφpvi在±0.95間可調(diào)；tanφpvi值為±0.329。假設(shè)饋線負(fù)荷、線路阻抗均勻分布，為不失一般性，采用積分形式表達(dá)，則

由式（8），定義綜合光伏電源滲透率η；為方便分析，令η為常數(shù)。

3 準(zhǔn)入容量分析

3.1 考慮過電壓因素

按照母線處的電壓偏差合格且達(dá)到電壓偏差上限，則饋線上不出現(xiàn)過電壓的條件為

由式（11），光伏電源在不同功率因數(shù)下考慮過電壓條件光伏組件的滲透率限值如表1所示。

表1 考慮過電壓因素饋線光伏電源最大滲透率Tab. 1 Maximum PV penetration level considering over-voltage constraint

從表1可以得出以下結(jié)論：

1）線路r/x比值越小，光伏組件允許的滲透率越高；

2）光伏組件在滯后的功率因數(shù)條件下運(yùn)行可提高饋線光伏組件的滲透率，且r/x比值越小，提升的效果越明顯；

3）考慮過電壓限制，架空線路相比電纜線路可以承載更高的光伏滲透率。

3.2 考慮低電壓因素

考慮分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)解列條件前饋線最低點(diǎn)電壓為αUN（0.93<α<1.07）。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，20 kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%，則饋線上不出現(xiàn)低電壓的條件如式（12）所示。當(dāng)l為饋線總長度L時(shí)，f（l）取值最小。

以YJV-240電纜、LGJ-240架空線為例，兩者的輸送能力分別約為5.2 MV·A和9.3 MV·A。考慮60%線路負(fù)載率，光伏電源功率因數(shù)為超前0.95，不同饋線長度考慮低電壓約束的光伏電源滲透率限值如表2所示。

表2 考慮低電壓因素饋線光伏電源最大滲透率Tab. 2 Maximum PV penetration level considering low voltage constraint

從表2可以得出以下結(jié)論：

1）線路越短，光伏滲透率限值越高；

2）考慮低電壓限制，電纜線路相比架空線路可以承載更高的光伏滲透率。

4 仿真分析

隨日負(fù)荷曲線的變化，10 kV饋線出口母線電壓將周期性波動(dòng)。假設(shè)當(dāng)負(fù)荷位于峰值時(shí)，饋線出口母線電壓達(dá)到允許電壓上限1.07UN；當(dāng)負(fù)荷位于谷值時(shí)，饋線最遠(yuǎn)端電壓為UN。針對以上兩種情況分別進(jìn)行考慮過電壓因素和低電壓因素進(jìn)行PSS/E仿真分析，光伏組件功率因數(shù)分別取1和超前0.95、饋線負(fù)載率為60%。

仿真計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4，配電網(wǎng)光伏電源的滲透率限值需同時(shí)滿足過電壓與低電壓兩種條件的約束。光伏電源滲透率越大，電壓抬高或跌落越劇烈。仿真結(jié)果與表2、表3的結(jié)果一致。可以看出，電纜線路光伏電源滲透率限值主要受過電壓因素的限制，而架空線路主要受低電壓因素的限制。

5 結(jié)論

圖4 考慮低電壓因素電壓仿真曲線Fig. 4 Voltage curve considering low voltage constraint

配電系統(tǒng)接入高密度分布式光伏電源后，可能會(huì)出現(xiàn)饋線電壓的波動(dòng)問題，因而需合理限制分布式光伏裝置接入系統(tǒng)的容量。本文提出了考慮以上兩種限制因素的允許接入最大容量算法，得出的結(jié)論對于分布式光伏準(zhǔn)入容量的初步評估具有一般適應(yīng)性。在實(shí)際系統(tǒng)中，應(yīng)充分利用光伏電源的功率調(diào)節(jié)能力，并限制光伏組件的接入容量，使得母線電壓距離電壓偏差上下限留有一定的裕量。

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