基于電壓波動特性的地區(qū)配電網(wǎng)光伏電源接納能力分析

姜力文，康 青

（1.國網(wǎng)山西省電力公司大同供電公司，山西 大同 037008；2.國網(wǎng)太原供電公司，山西 太原 030012）

基于電壓波動特性的地區(qū)配電網(wǎng)光伏電源接納能力分析

姜力文1，康 青2

（1.國網(wǎng)山西省電力公司大同供電公司，山西 大同 037008；2.國網(wǎng)太原供電公司，山西 太原 030012）

結(jié)合地區(qū)配電網(wǎng)現(xiàn)狀及光伏電源接入的典型模式和運(yùn)行特性，通過功率變化引起的電壓波動的方法，系統(tǒng)分析光伏電源對配電網(wǎng)電壓波動的影響，從而對地區(qū)配電網(wǎng)接納光伏電源的能力進(jìn)行研究。研究表明，光伏電源接入系統(tǒng)的總?cè)萘颗c其功率因數(shù)有關(guān)，平均功率因數(shù)越小，其接入允許容量越小，輸出功率波動大，不確定性程度高，對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定影響顯著。

配電網(wǎng)；光伏電源；電壓波動；接納能力

1 易引起配電網(wǎng)電壓波動的光伏電源運(yùn)行特性

根據(jù)光伏電源的運(yùn)行特性進(jìn)行分析，配電網(wǎng)中接入光伏電源后，由于光伏電源輸出功率波動大，不確定性程度高的運(yùn)行特點，會引起配電網(wǎng)電壓分布的變化，極易造成配電網(wǎng)電壓波動，引起閃變。其中引起光伏電源功率波動的因素很多。

1.1 引起配電網(wǎng)電壓波動的光伏電源運(yùn)行特性分析

由于受所處環(huán)境溫度、日照強(qiáng)度、季節(jié)變化等自然因素的影響，光伏電源在其接入的配電網(wǎng)中的輸出功率具有波動性大，隨機(jī)變化性強(qiáng)，不確定性程度高等特點。尤其對保證電網(wǎng)電能質(zhì)量方面造成很大的難度。如若控制措施不當(dāng)，極易導(dǎo)致系統(tǒng)電壓閃變、諧波增多，甚至造成系統(tǒng)失穩(wěn)、解列等嚴(yán)重事故。因此配電網(wǎng)中光伏電源的接入對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行控制提出了很高的技術(shù)要求。其中引起光伏電源功率波動的因素很多。

一方面利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源作為系統(tǒng)電源的方式，使得其功率輸出具有天然的隨機(jī)性和波動性。同時電源控制器算法和參數(shù)設(shè)定也可能導(dǎo)致系統(tǒng)功率周期性地變動。另外當(dāng)電源所處外界自然環(huán)境發(fā)生變化時，其輸出功率也會隨之變動，影響系統(tǒng)電能質(zhì)量。此外光伏電源接入點多為低壓配電網(wǎng)母線，而其短路容量相對較小。如果光伏電源容量占系統(tǒng)電源總?cè)萘勘戎灯?，在光伏電源輸出功率變化時系統(tǒng)電壓會產(chǎn)生較大的波動。另一方面，由于光伏電源在運(yùn)行的過程中可能會發(fā)生方式倒換、運(yùn)行異常、故障事故等情形，因此隨機(jī)啟停機(jī)組的狀況時有發(fā)生。同時由于配電網(wǎng)調(diào)度人員難以掌握光伏電源的投入、退出時間以及發(fā)出的有功功率與無功功率的變化，使得配網(wǎng)線路的電壓調(diào)整控制十分困難。由上述情況可知，并入配電網(wǎng)的光伏電源輸出功率需要有一定的數(shù)值裕度，否則其功率變化將嚴(yán)重影響系統(tǒng)電能質(zhì)量，從而加大技術(shù)人員對系統(tǒng)配電網(wǎng)電壓調(diào)整控制難度。本文著重研究該閾值的取值范圍。

2 對光伏電源功率波動引起的電壓問題的計算分析

本文以簡化的電力系統(tǒng)為例，得到如圖1所示的示意圖。其中：節(jié)點①為配電網(wǎng)與上級電網(wǎng)的接口，將其視作系統(tǒng)大電源節(jié)點，其注入變電站的功率輸入設(shè)為；節(jié)點②為站內(nèi)主變高壓側(cè)母線；節(jié)點③為站內(nèi)主變低壓側(cè)母線。同時將站內(nèi)低壓饋線上的負(fù)荷和所接入的光伏電源等效到低壓側(cè)母線總體考慮，分別設(shè)為P3+j Q3與光伏電源Pdg+j Qdg。

圖1 光伏電源接入配網(wǎng)中的系統(tǒng)示意簡圖

對于上述簡化系統(tǒng)，計算過程如下。

2.1 基于出力波動下的光伏電源

光伏電源接入系統(tǒng)并處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，忽略配電網(wǎng)和變壓器損耗，由功率平衡可得以下結(jié)論。

假定已計入光伏電源的系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，忽略配電網(wǎng)傳輸中的線路損耗和變壓器損耗，由能量守恒定律可知

其中節(jié)點①注入變電站的有功功率和無功功率分別為

考慮極端狀況下系統(tǒng)中所有光伏電源均退出運(yùn)行。為了抑制負(fù)荷波動對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，通常會留有一定的備用負(fù)荷，根據(jù)規(guī)程規(guī)定，規(guī)劃、設(shè)計和運(yùn)行中的電力系統(tǒng)，均應(yīng)備有有功功率備用負(fù)荷。備用負(fù)荷一般取系統(tǒng)最大負(fù)荷的2%～5%，其中低值適用于大容量系統(tǒng)，高值適用于小容量系統(tǒng)。因本文研究的是配電網(wǎng)的光伏電源出力變化對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，因此假定系統(tǒng)備用負(fù)荷取5%。即此時整個系統(tǒng)能夠提供的所有負(fù)荷視在功率為

當(dāng)光伏電源容量占系統(tǒng)電源總?cè)萘勘壤^大時，若光伏電源短時內(nèi)大量退出會對系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。設(shè)圖1中光伏電源退出系統(tǒng)運(yùn)行前后，母線③的電壓、電流分別為U3、I3和U′3、I′3，同時由于負(fù)荷阻抗值基本不變，即R+j X不變。則有

比較式（4）和式（5），并將式（3）帶入，可得

一般而言，系統(tǒng)正常運(yùn)行中功率因數(shù)較大，有功分量遠(yuǎn)大于系統(tǒng)無功分量，即公式（6）可簡化為

式（7）表明了光伏電源接入系統(tǒng)有功出力的大小對系統(tǒng)母線電壓的影響。根據(jù)GB12326—2011電能質(zhì)量電壓允許波動和閃變規(guī)定，10 kV母線電壓偏差不應(yīng)超過標(biāo)稱電壓的±7%。因此有

由式（7）和式（8）計算得出，光伏電源接入功率不應(yīng)超過系統(tǒng)負(fù)荷的17.6%。

整個分析計算過程做了最嚴(yán)重情況的假設(shè)，即配網(wǎng)中光伏電源全部退出運(yùn)行。然而實際運(yùn)行中，風(fēng)電、光伏機(jī)組的短期功率變化最大達(dá)到裝機(jī)容量的60%，則式（7）應(yīng)修正為

經(jīng)實驗計算得出如表1所示，其中Kks為光伏電源短期功率變化占裝機(jī)容量比率，Kdgs為光伏電源接入功率占系統(tǒng)電源的比率。

表1 基于沖擊負(fù)荷特性下的系統(tǒng)電壓波動特性計算結(jié)果

由此可得光伏電源接入功率Pdg不應(yīng)超過系統(tǒng)負(fù)荷P3的30%。進(jìn)一步考慮負(fù)荷波動情況，我國地區(qū)電力系統(tǒng)峰谷差約為30%～40%，局部地區(qū)超過50%，由此可得到光伏電源的接入功率不應(yīng)超過系統(tǒng)最大負(fù)荷的15%～20%。

2.2 基于沖擊負(fù)荷特性的光伏電源電壓波動特性分析

由于光伏電源在實際運(yùn)行時其出力具有隨機(jī)變化性，因此還可以將頻繁退出或投入運(yùn)行的光伏電源看作是一個沖擊負(fù)荷，進(jìn)而從沖擊負(fù)荷對系統(tǒng)運(yùn)行影響的角度來進(jìn)行分析，系統(tǒng)中沖擊負(fù)荷引起的電壓降落公式如下。

式中：Qcj——沖擊無功負(fù)荷，Mvar；

Pcj——沖擊有功負(fù)荷，MW；

Sd——沖擊負(fù)荷點母線短路容量，MVA；

Δf——沖擊負(fù)荷引起的電網(wǎng)頻率降低(p.u.)；

Kufh——負(fù)荷電壓的頻率效應(yīng)系數(shù)，一般為0.8～2.0。

本文所研究的光伏電源接入點是低壓配電線路，對整個系統(tǒng)中的潮流流向影響較小，因此可以將光伏電源投入或退出運(yùn)行對系統(tǒng)頻率的影響忽略不計?？紤]到整個系統(tǒng)的故障情況，母線短路容量的大小和整個系統(tǒng)的容量相關(guān)，主變低壓側(cè)發(fā)生的功率波動，將由整個系統(tǒng)來分擔(dān)。但在進(jìn)行光伏電源接入分析時，考慮整個系統(tǒng)的負(fù)荷的功率變化，光伏電源Pcj、Qcj變化較大，可能與Sd在同一數(shù)量級，則電壓波動幅度較大。

如表2所示，系統(tǒng)平均功率因素越大，光伏電源總出力占母線短路容量比值越小的情況下，系統(tǒng)電壓波動幅度越小。因此，從保證電網(wǎng)電能質(zhì)量角度來看，確保系統(tǒng)中接入光伏電源容量在一定比例范圍顯得尤為重要。

表2 基于沖擊負(fù)荷特性下的系統(tǒng)電壓波動特性計算結(jié)果%

從基于Matlab7.0仿真軟件下的不同光伏電源占系統(tǒng)電源總?cè)萘康谋嚷孰S功率因數(shù)變化的電壓波動特性曲線圖中可以看出，隨著功率因數(shù)的減少，配電網(wǎng)中接入相同容量的光伏電源會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性變差。因此，為保證系統(tǒng)電能質(zhì)量，需要控制光伏電源的接入容量值。

3 結(jié)論

光伏電源接入系統(tǒng)的總?cè)萘颗c其功率因數(shù)有關(guān)，平均功率因數(shù)越小，其接入允許容量越小，且輸出功率波動大，不確定性程度高，對配電網(wǎng)電壓有顯著影響。當(dāng)接入整個配電網(wǎng)的光伏電源容量達(dá)到一定規(guī)模，系統(tǒng)的電壓質(zhì)量將受到影響。本文研究結(jié)果建議光伏電源的接入功率不應(yīng)超過系統(tǒng)最大負(fù)荷的15%～20%。

Analysis on Photovoltaic Power Accepting Ability of Regional Power Distribution Network Based on Voltage Fluctuation Characteristics

JIANG Liwen1，KANG Qing2
（1.State Grid Datong Power Supply Com pany of SEPC，Datong，Shanxi 037008，China；2.State Grid Taiyuan Power Supply Company，Taiyuan，Shanxi 030012，China）

In this paper，combining with current situation of regional power distribution network and the typical pattern and its operating characteristicsof photovoltaic power integration，the impactof photovoltaic power on voltage fluctuationsof distribution grid has been analyzed by themethod ofvoltage fluctuations caused by power changing.Thus，the ability of regional power distribution network to accept photovoltaic power has been studied.The results show that the total capacity of the photovoltaic power integrated is related to its power factor.The smaller theaverage power factor，the smaller the permitted capacity tobe integrated.The fiercer the fluctuation ofoutput power，thehigher the degreeofuncertainty，which hasa significantimpacton the voltage stability ofdistribution network.

power distribution network；photovoltaic power supply；voltage fluctuation；acceptableability

TP615

A

1671-0320（2015）05-0035-03

2015-06-13，

2015-08-03

姜力文（1988），女，山西大同人，2011年畢業(yè)于太原科技大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，助理工程師，從事調(diào)度運(yùn)行控制與電網(wǎng)規(guī)劃工作與研究；

康 青（1988），山西太原人，2014年畢業(yè)于北京交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，從事電力市場營銷與業(yè)擴(kuò)報裝工作。