不同場(chǎng)景下光伏接入配電網(wǎng)的影響分析

楊蘋，許志榮，袁昊哲，彭嘉俊，3，周少雄

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué)廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458；3.華南理工大學(xué)風(fēng)電控制與并網(wǎng)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458；4.廣東智造能源科技研究有限公司，廣東 廣州 511458）

不同場(chǎng)景下光伏接入配電網(wǎng)的影響分析

楊蘋1，2，許志榮1，袁昊哲1，彭嘉俊1，3，周少雄4

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué)廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458；3.華南理工大學(xué)風(fēng)電控制與并網(wǎng)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458；4.廣東智造能源科技研究有限公司，廣東 廣州 511458）

對(duì)光伏規(guī)?；尤肱潆娋W(wǎng)的影響分析有助于電網(wǎng)提前采取相關(guān)措施以提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。分析光伏分別以單點(diǎn)及多點(diǎn)接入前后配電網(wǎng)的電壓變化情況，提出評(píng)估光伏接入對(duì)配電網(wǎng)影響的3個(gè)量化指標(biāo)：電壓差變化率、靜態(tài)電壓和網(wǎng)損變化量。針對(duì)實(shí)際工程網(wǎng)架拓?fù)?，?jì)算出所提的量化指標(biāo)以進(jìn)行光伏接入對(duì)配電網(wǎng)的影響分析，驗(yàn)證示范工程光伏接入設(shè)計(jì)方案的合理性，證明了該指標(biāo)具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。

光伏；高滲透率；配電網(wǎng)；量化指標(biāo)

隨著分布式電源大規(guī)模接入配電網(wǎng)，其清潔、高效和環(huán)保的特性得以充分展現(xiàn)［1-3］。與此同時(shí)，配電網(wǎng)的潮流特性及各節(jié)點(diǎn)電壓也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致電壓波動(dòng)甚至閃變，對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)定性將造成多方面的影響［4-8］。

針對(duì)分布式光伏發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)饋線各點(diǎn)電壓的影響，文獻(xiàn)［9］通過(guò)建立中壓配電網(wǎng)饋線各點(diǎn)電壓的偏差模型，研究分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響，以及不發(fā)生過(guò)電壓條件下可接入的分布式光伏容量。但該文獻(xiàn)并未分析光伏接入對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響。文獻(xiàn)［10］針對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)后對(duì)饋線電壓造成的影響，提出電壓—無(wú)功靈敏度分析法。該分析法僅考慮了配電網(wǎng)電壓對(duì)無(wú)功變化的敏感度，而實(shí)際分布式電源有功功率對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響是不可忽略的。文獻(xiàn)［11］針對(duì)具體的配電網(wǎng)拓?fù)洌梅抡嬗?jì)算，以配電網(wǎng)絡(luò)每一節(jié)點(diǎn)電壓不超過(guò)限值為依據(jù)，得到每戶居民的光伏準(zhǔn)入發(fā)電容量。由于需要根據(jù)具體應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行建模計(jì)算，難以得出典型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的一般性結(jié)論，且配電網(wǎng)拓?fù)涓鼮閺?fù)雜時(shí)建模比較困難。

由于配電網(wǎng)中光伏接入點(diǎn)的電壓偏差和電壓波動(dòng)是限制配電網(wǎng)對(duì)高滲透率光伏接入容量接納能力的關(guān)鍵因素，因此針對(duì)高滲透率光伏接入配電網(wǎng)引起的電壓抬升問(wèn)題，根據(jù)光伏單點(diǎn)接入和多點(diǎn)接入配電網(wǎng)的兩種場(chǎng)景，本文提出了3個(gè)量化指標(biāo)用于評(píng)估高滲透率光伏接入對(duì)配電網(wǎng)的影響，并以某生態(tài)科技園微電網(wǎng)示范工程為實(shí)例，計(jì)算所提指標(biāo)以驗(yàn)證光伏接入方案的合理性，證明了該指標(biāo)具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 光伏接入配電網(wǎng)的典型場(chǎng)景分析

1.1 光伏單點(diǎn)接入配電網(wǎng)

圖1為單個(gè)光伏接入的典型配電網(wǎng)低壓線路負(fù)荷分布圖。

圖1 單個(gè)光伏接入的配電網(wǎng)低壓線路負(fù)荷分布Fig.1 Load distribution of low-voltage distribution network with single photovoltaic system connected

線路上帶有N個(gè)用戶，第n個(gè)用戶視在功率為Pn+Qn(n=1,2,…,N)。線路初始端電壓為U0，設(shè)定該值不變。線路上第n戶所在位置電壓為Un(n=1,2,…,N)。第n-1個(gè)用戶和第n個(gè)用戶之間線路阻抗為Rn+jXn=ln(r+jx)，其中，ln為第n-1和n個(gè)用戶之間線路的長(zhǎng)度，r和x分別為單位長(zhǎng)度線路的電阻和電抗。用戶p接入的光伏容量為PV。

由于用戶側(cè)功率因數(shù)很大，而且低壓線路電抗很小，因此可忽略無(wú)功功率的作用。

1）若用戶在光伏接入點(diǎn)前，第 m戶(0

光伏接入后，在光伏接入點(diǎn)前的用戶電壓幅值得到提升，且提升幅度與線路參數(shù)、用戶負(fù)荷大小、光伏出力及其接入位置密切相關(guān)。

第m戶和第m-1戶之間的電壓差為

2）用戶在光伏接入點(diǎn)后，第m戶(p

相鄰兩點(diǎn)電壓差為

即m點(diǎn)電壓始終要小于m-1點(diǎn)的電壓。

綜上，假設(shè)線路初始端電壓不變，單個(gè)光伏接入后，隨著光伏出力的逐漸增加，線路電壓變化趨勢(shì)存在3種情況：1）逐漸降低；2）先降低后升高，再降低；3）先升高后降低。

1.2 光伏多點(diǎn)接入配電網(wǎng)

圖2為多個(gè)分布式光伏接入的配電網(wǎng)低壓線路負(fù)荷分布圖。線路上有多個(gè)用戶均接入光伏，沒(méi)有接入光伏的用戶，其光伏容量按零考慮。

圖2 多個(gè)光伏接入的配電網(wǎng)低壓線路負(fù)荷分布Fig.2 Load distribution of low-voltage distribution network with several photovoltaic systems connected

所有光伏接入后，可得m點(diǎn)電壓為

相鄰兩點(diǎn)電壓差為

式中：PVn為第n個(gè)用戶接入光伏的容量。

綜上，光伏多點(diǎn)接入情況下，同樣可能使第m戶和第m-1戶的電壓差減少，當(dāng)光伏接入容量足夠大時(shí)，后者電壓甚至?xí)笥谇罢唠妷骸?/p>

2 3種量化指標(biāo)的定義與分析

2.1 電壓差變化率指標(biāo)

本文定義相鄰接入點(diǎn)的電壓差對(duì)光伏接入容量的導(dǎo)數(shù)為電壓差變化率指標(biāo)。將ΔUm對(duì)PV求導(dǎo)，得到光伏接入容量變化所對(duì)應(yīng)的電壓差變化率指標(biāo)：

其中，當(dāng)用戶在光伏接入點(diǎn)后(p

化簡(jiǎn)式（7）可知電壓差變化率?ΔUm/?PV為 1個(gè)等比數(shù)列，其中公比為根據(jù)公比的取值范圍，可判斷配電網(wǎng)相鄰兩點(diǎn)電壓差隨PV的變化規(guī)律。

設(shè)線路電壓由減小到增大的轉(zhuǎn)折節(jié)點(diǎn)為M，光伏接入點(diǎn)為p，可得到以下結(jié)論：

2.2 靜態(tài)電壓指標(biāo)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB12325—90《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》，為保證配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，用戶

供電電壓允許偏移|ΔU|≤7%，則

式中：UM為配電網(wǎng)線路額定電壓，本文取電源點(diǎn)電壓U0=[UM]；U*m為m點(diǎn)實(shí)際電壓。

定義m點(diǎn)的靜態(tài)電壓指標(biāo)為

對(duì)于不同情況的光伏接入，靜態(tài)電壓指標(biāo)Sm有不同的表達(dá)式。

1）單個(gè)光伏接入，且用戶位于接入點(diǎn)前：

2）單個(gè)光伏接入，且用戶位于接入點(diǎn)后：

3）多個(gè)光伏接入時(shí)：

為使配電網(wǎng)m點(diǎn)電壓穩(wěn)定，光伏接入容量PV使得點(diǎn)m的靜態(tài)電壓指標(biāo)Sm滿足-7%≤Sm≤7%。

2.3 網(wǎng)損變化量指標(biāo)

分布式能源接入配網(wǎng)后，通過(guò)合理設(shè)計(jì)接入方案有利于減少線路損耗，提高配網(wǎng)傳輸效率。

在接入光伏前配電網(wǎng)產(chǎn)生的網(wǎng)損SB為

式中：ΔUkb為光伏接入配電網(wǎng)前第k點(diǎn)和k-1點(diǎn)的電壓差；Rk為第k點(diǎn)和k-1點(diǎn)之間的線路阻值，k=1,2,3,…,N。

在接入光伏后配電網(wǎng)產(chǎn)生的網(wǎng)損SA為

式中：ΔUka為光伏接入配電網(wǎng)后第k點(diǎn)和k-1點(diǎn)的電壓差。

定義網(wǎng)損變化量指標(biāo)為

若ΔS<0時(shí)，接入的光伏利于減小線損；反之，ΔS>0時(shí)，光伏的接入則導(dǎo)致線路網(wǎng)損增加。

3 實(shí)例分析

以某生態(tài)科技園微電網(wǎng)示范工程作為算例，針對(duì)光伏單點(diǎn)接入和多點(diǎn)接入的不同場(chǎng)景計(jì)算所提出的3個(gè)量化指標(biāo)，評(píng)估光伏接入配電網(wǎng)的影響情況。

3.1 光伏單點(diǎn)接入配電網(wǎng)

選擇園區(qū)內(nèi)某辦公樓為工程算例對(duì)象，計(jì)算光伏單點(diǎn)接入對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響指標(biāo)。9B棟研發(fā)辦公樓為商業(yè)辦公樓宇型用戶側(cè)微電網(wǎng)，該示范點(diǎn)配置15 kW光伏板，同時(shí)配置15 kW·h的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接入，算例不考慮蓄電池儲(chǔ)能。選定9B棟研發(fā)辦公樓中的用戶2作為微電網(wǎng)的受電負(fù)荷，該用戶最大負(fù)荷為18 kW。其辦公樓宇型用戶側(cè)微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 9B棟研發(fā)辦公樓宇型用戶側(cè)微電網(wǎng)拓?fù)銯ig.3 The topology of the non-residential user-side microgrid in the 9B R&D office building

負(fù)荷及線路參數(shù)如表1所示。其中，380 V側(cè)母線線路電阻率ρ=0.3 Ω/km,端電壓U0=380 V,光伏接入容量PV=15 kW。

表1 負(fù)荷及線路參數(shù)情況Tab.1 The parameter of the load and line

1）計(jì)算光伏單點(diǎn)接入前后各點(diǎn)的電壓，如圖4所示。

圖4 光伏單點(diǎn)接入前后各點(diǎn)電壓分布圖Fig.4 Comparison of the voltage distribution before/after photovoltaic source single-point access

2）計(jì)算光伏單點(diǎn)接入的各用戶電壓差變化率，如表2所示。

表2 電壓差變化率指標(biāo)Tab.2 The voltage difference indexs

由表2可知，接入光伏容量的變化對(duì)用戶1，2兩點(diǎn)的電壓差變化影響較大；光伏容量增大，用戶1點(diǎn)電壓變化最大。

3）計(jì)算光伏單點(diǎn)接入的靜態(tài)電壓指標(biāo)，如表3所示。

表3 靜態(tài)電壓指標(biāo)Tab.3 The steady-state voltage indexs

光伏單點(diǎn)接入后各點(diǎn)電壓在允許電壓偏差范圍內(nèi)。

4）計(jì)算光伏單點(diǎn)接入的網(wǎng)損變化量。光伏接入前為1.469 kW，光伏接入后為0.934 kW，網(wǎng)損變化量指標(biāo)為-0.535 kW，配電網(wǎng)的網(wǎng)損減少。

3.2 光伏多點(diǎn)接入配電網(wǎng)

選擇園區(qū)內(nèi)“9A棟公寓”為工程算例對(duì)象，計(jì)算光伏多點(diǎn)接入對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響指標(biāo)。9A棟公寓為商業(yè)住宅型用戶微電網(wǎng)，該示范點(diǎn)配置36 kW光伏板，同時(shí)配置21 kW·h的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接入，算例不考慮蓄電池儲(chǔ)能。每戶負(fù)荷的功率大致為6～10 kW，具體情況視用戶的需求而定。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，初步確定各用戶的最大用電負(fù)荷為10 kW，則該微電網(wǎng)的12戶用戶的最大負(fù)荷為120 kW。其商業(yè)住宅型用戶側(cè)微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 9A棟商業(yè)住宅型用戶側(cè)微電網(wǎng)拓?fù)銯ig.5 The topology of the user-side microgrid in the 9A commercial residential building

負(fù)荷參數(shù)如表4所示。其中，380 V側(cè)母線線路電阻率ρ=0.3 Ω/km,端電壓U0=380 V。光伏接入容量分別為：PV1=6 kW,PV2=6 kW,PV3= 6 kW,PV4=6 kW,PV5=6 kW,PV6=6 kW。

表4 負(fù)荷及線路參數(shù)情況Tab.4 The parameter of the load and line

1）計(jì)算光伏多點(diǎn)接入前后各點(diǎn)的電壓，如圖6所示。

圖6 光伏多點(diǎn)接入前后各點(diǎn)電壓分布圖Fig.6 Comparison of the voltage distribution before/after the photovoltaic source multi-point access

2）計(jì)算光伏多點(diǎn)接入的各用戶電壓差變化率，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 電壓差變化率指標(biāo)Tab.5 The voltage difference indexs

由表5可知，接入光伏容量的變化對(duì)用戶1至6點(diǎn)的電壓差變化影響較大，光伏容量增大用戶1點(diǎn)電壓變化最大。

3）計(jì)算光伏多點(diǎn)接入的靜態(tài)電壓指標(biāo)，如表6所示。光伏多點(diǎn)接入后各點(diǎn)電壓偏差較大，用戶12點(diǎn)已達(dá)到5.22%，若光伏容量增大，用戶12點(diǎn)將最早超出配電網(wǎng)電壓偏差允許范圍。

4）計(jì)算光伏多點(diǎn)接入的網(wǎng)損變化量。光伏接入前為4.988 kW，光伏接入后為2.747 kW，網(wǎng)損變化量指標(biāo)為-2.242 kW，配電網(wǎng)的網(wǎng)損減少。

表6 靜態(tài)電壓指標(biāo)Tab.6 The steady-state voltage indexs

4 結(jié)論

根據(jù)光伏單點(diǎn)及多點(diǎn)接入配電網(wǎng)2種場(chǎng)景，本文對(duì)光伏接入配電網(wǎng)拓?fù)溥M(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際的微電網(wǎng)項(xiàng)目工程，提出電壓差變化率、靜態(tài)電壓指標(biāo)和網(wǎng)損變化量3個(gè)新的量化指標(biāo)，并給出詳細(xì)的推導(dǎo)，以評(píng)估高滲透率光伏接入對(duì)配電網(wǎng)的影響，具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。最后，針對(duì)2個(gè)實(shí)際工程網(wǎng)架拓?fù)?，?jì)算出所提的量化指標(biāo)以進(jìn)行光伏接入對(duì)配電網(wǎng)的影響分析，驗(yàn)證示范工程光伏接入設(shè)計(jì)方案的合理性。

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修改稿日期：2016-04-08

Impact Analysis of Photovoltaic Integrated Into Distribution Network in Different Scenarios

YANG Ping1，2，XU Zhirong1，YUAN Haozhe1，PENG Jiajun1，3，ZHOU Shaoxiong4
（1.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2.Guangdong Key Laboratory of Clean Energy Technology，South China University of Technology，Guangzhou 511458，Guangdong，China；3.National-local Joint Engineering Laboratory for Wind Power Control and Integration Technology，South China University of Technology，Guangzhou 511458，Guangdong，China；4.Guangdong Intework Energy Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 511458，Guangdong，China）

Impact analysis of photovoltaic massively connected to distribution network will be helpful to take measures in advance to improve the power network stability.According to the voltage changes of distribution network under both scenarios contains the photovoltaic single-point and multi-points access to distribution network，Put forward three quantitative indicators，which included voltage difference change rate，static voltage indicator and net loss variation.In view of practical engineering network topologies，the quantitative indicators were calculated to analyze the influence of photovoltaic integrated into the distribution network，and the rationality of photovoltaic access scheme on the demonstration projects was verified.It proves that these quantitative indicators have practical engineering applications value.

photovoltaic；high permeability；distribution network；quantitative indicators

TM615

A

10.19457/j.1001-2095.20161118

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2014AA052001）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012B040303005）；

南方電網(wǎng)科學(xué)研究院科技項(xiàng)目（SEPRI-K143003）

楊蘋（1967-），女，博士，教授，Email：243567111@qq.com

2015-09-14