光伏接入對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響及最大接入容量分析

秦鵬，崔國柱，郭昌林，魏飛，寇宇，徐歡

（1.西安交通大學電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西西安 710049；2.山東省臨沂供電公司，山東臨沂 276004）

光伏接入對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響及最大接入容量分析

秦鵬1，崔國柱2，郭昌林2，魏飛2，寇宇1，徐歡1

（1.西安交通大學電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西西安 710049；2.山東省臨沂供電公司，山東臨沂 276004）

利用DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件，搭建了某地區(qū)10 kV配電網(wǎng)典型接線模型，從電壓偏差、電壓波動、三相電壓不平衡和諧波畸變等方面分析了分布式光伏接入對該地區(qū)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。針對不同的典型接線形式，以電能質(zhì)量為約束計算了配電網(wǎng)的分布式光伏的最大接入容量。結(jié)果表明，分布式光伏在饋線末端接入時，對電能質(zhì)量的影響最大；電能質(zhì)量滿足要求時，各類型配電網(wǎng)所允許接入的最大光伏容量為負荷的35%～50%，主要制約因素為電壓偏差。

DIgSILENT/PowerFactory；分布式光伏；電能質(zhì)量；最大接入容量

隨著人類對煤炭、石油等化石能源的不斷開采，其枯竭已不可避免。因此，清潔、可再生的新能源成為替代傳統(tǒng)化石能源的最佳選擇[1]。由于光伏發(fā)電具有資源充足、安全可靠且不受地域限制等特點而得到人們普遍關(guān)注[2]，但光伏發(fā)電在為電網(wǎng)注入清潔能源的同時，因其間歇性、隨機性的特點以及電力電子裝置的應(yīng)用，會對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，進而影響電力系統(tǒng)的供電可靠性。因此有必要分析光伏接入配電網(wǎng)后對電能質(zhì)量的影響，并以此為約束確定配電網(wǎng)所允許接入的最大光伏容量，保證配電網(wǎng)的電能質(zhì)量和運行可靠性。

光伏接入對配電網(wǎng)的影響已經(jīng)得到較為深入的研究。文獻[3]中，為了避免光伏接入點出現(xiàn)過電壓，采用相關(guān)觀測數(shù)據(jù)，將饋線簡化為等值電路，以計算饋線所允許接入的最大光伏容量；文獻[4-5]考慮了分布式光伏接入后配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，分析了光伏接入對配電網(wǎng)繼電保護的影響，并通過MATLAB進行了建模仿真，在此基礎(chǔ)上提出了減小光伏接入對保護影響的措施；文獻[6]以最大電壓偏差和電壓波動為約束，針對6種典型場景，分析了分布式光伏與負荷分布接近時的允許接入容量；文獻[7]基于matlab-simulink定量分析了在饋線不同位置接入不同容量光伏電源對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，但并未對配電網(wǎng)的最大接入容量進行分析；文獻[8]針對一條380 V饋線，對在不同位置接入單個光伏電源和不同位置同時接入光伏電源時的電壓偏差進行了計算，并以此為依據(jù)分析了該饋線的光伏接入容量；文獻[9]建立了分布式光伏模型，針對10 kV單聯(lián)絡(luò)典型線路，分析了光伏接入對電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行的影響，特別是小負荷方式下逆潮流對配電網(wǎng)的影響；文獻[10]分析了分布式電源，尤其是光伏電源的接入對配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，并根據(jù)不同的負荷分布，分析推導了過電壓約束下的接入容量極限值。

本研究在上述研究成果基礎(chǔ)上，利用DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件，以某地區(qū)10 kV配電網(wǎng)為例，重點分析了大規(guī)模光伏接入對其電壓偏差、電壓三相不平衡、電壓波動和諧波畸變等電能質(zhì)量指標的影響；計算了該配電網(wǎng)3種典型接下形式下分布式光伏的最大接入容量；給出了提高光伏接入容量的措施，并驗證了其可行性。

1 電能質(zhì)量評估指標

由于分布式光伏隨機性、波動性的出力特性和電力電子裝置的應(yīng)用，分布式光伏接入配電網(wǎng)主要會對系統(tǒng)的電壓和諧波產(chǎn)生較大影響，因此本研究主要從電壓偏差、電壓波動、三相電壓不平衡和諧波畸變四個方面分析分布式光伏接入對配網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

1.1 電壓偏差

電壓偏差是是衡量電力系統(tǒng)正常運行與否的主要指標。分布式光伏的接入對配電網(wǎng)電壓有一定的抬升作用，接入容量越大，抬升效果越明顯。當接入容量達到一定值時，將引起電壓越限，為了保證電網(wǎng)的安全運行，應(yīng)保證電壓偏差在標準范圍之內(nèi)。電壓偏差ΔU的計算公式如下[11]：

式中：U為實際電壓；UN為標稱電壓。

本文所研究線路為10 kV線路，故ΔU最大允許值為UN的±7%[11]。

1.2 電壓三相不平衡

分布式光伏接入會對配電網(wǎng)電壓三相不平衡產(chǎn)生一定的影響。本文中主要研究光伏接入對三相不平衡中負序電壓不平衡度的影響，其公式如下所示[12]：

式中：為電壓三相不平衡度；U1為電壓正序分量均方根值；U2為電壓負序分量均方根值。

根據(jù)文獻[12]，電力系統(tǒng)中公共連接點的電壓三相不平衡度允許值為2%，連接于公共連接點的用戶的電壓三相不平衡度允許值為1.3%。

1.3 電壓波動

電壓波動定義為電壓均方根值一系列相對快速變動或連續(xù)改變的現(xiàn)象。光伏出力受天氣影響較大，所以當有云層遮擋或出現(xiàn)陰雨天氣時，光伏出力會迅降低，可能會使配電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動現(xiàn)象。

根據(jù)文獻[13]，變動頻率小于等于1次時，高壓側(cè)電壓波動限值為3%，中、低壓側(cè)限值為4%。

1.4 諧波

分布式光伏通過整流器和逆變器接入電網(wǎng)，會向電網(wǎng)中注入諧波電流，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。通常用電壓總諧波畸變率、各次諧波電壓含有率、各次諧波電流含有率等指標描述系統(tǒng)的諧波含量。本文主要研究分布式光伏接入后對電壓總諧波畸變率和各次電流諧波含量的影響，其計算公式如下[14]：

式中：HRIh為h次諧波電流含有率；Ih為h次電流均方根值；I1為基波電流均方根值。

式中：THDU為電壓總諧波畸變率；U1為基波電壓；Uh為第h次諧波電壓。

由文獻[14]可知，在本文所研究的線路中，THDU的限值為4%。各次諧波電流限值在文獻[14]中也有詳細表述。

2 配電網(wǎng)及光伏模型簡介

2.1 配電網(wǎng)模型簡介

本文研究對象為某一實際配電網(wǎng)系統(tǒng)中選取的10 kV饋線構(gòu)成的小型配電網(wǎng)模型，如圖1所示。本文以該模型為基礎(chǔ)分析光伏接入對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

圖1 10 kV饋線簡化模型Fig.1 Model of 10 kV feedback lines

根據(jù)文獻[15]，選取單側(cè)電源多分段、多聯(lián)絡(luò)和雙側(cè)電源多分段、單聯(lián)絡(luò)2種典型接線方式的架空線進行仿真計算，具體線路參數(shù)如表1所示。

表1 10 kV饋線接線形式及參數(shù)Tab.1 Connection forms and parameters of 10 kV feedback lines

3種類型的饋線均通過220/10.5 kV變壓器向負載供電，變壓器容量為50 MW，導線類型除表1所列的主干線路型號外，還包括JK-240、YJLV-500和LGJ-70等9種類型，仿真中視系統(tǒng)負荷為恒功率負荷。

2.2 光伏模型介紹

光伏發(fā)電系統(tǒng)簡化模型如圖2所示。光伏陣列發(fā)出的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換為50 Hz的交流電，經(jīng)過濾波器濾波后通過升壓變壓器輸入電網(wǎng)。根據(jù)光伏電站接入電力系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)定，本研究中可將光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型簡化為PQ模型[16]。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)簡化模型Fig.2 Model of PV system

3 仿真結(jié)果及分析

本文分別對上述3種接線方式饋線進行仿真計算，分析分布式光伏接入位置不同和接入容量不同時對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響?？紤]到實際電網(wǎng)中分布式光伏的容量占負荷的比例較低，接入容量最大值取饋線負荷總量，接入位置選擇饋線的首端、中間和末端。在饋線首端、中間和末端各選一個觀測點，部分仿真結(jié)果如圖3～6所示。

3.1 對電能質(zhì)量的影響

3.1.1 對電壓偏差的影響

圖3為在不同位置接入分布式光伏和不接入光伏時線路的電壓分布；圖4為線路末端接入光伏時首端、中間和末端3個觀測點的電壓偏差變化。由圖可知，分布式光伏的接入會對線路的電壓起一定的抬升作用，線路末端的電壓抬升最明顯。隨著光伏接入容量逐漸增大，各節(jié)點電壓偏差越來越大，其中線路末端觀測點的偏差最大，也最有可能出現(xiàn)電壓越限現(xiàn)象。

圖3 光伏接入位置不同時線路電壓分布Fig.3 Voltage distribution of different interconnected locations

圖4 末端電壓偏差Fig.4 Voltage deviation in the terminal of the feeder

3.1.2 對電壓三相不平衡的影響

由圖5可知，隨接入容量的增加，負序電壓不平衡度呈線性增加，但未達到第1.2節(jié)所述的電壓三相不平衡限值?？傮w來看，電壓三相不平衡度受分布式光伏接入的影響較小。

3.1.3 對電壓波動的影響

根據(jù)文獻[17]，受天氣影響，光伏出力波動量短時間內(nèi)可能超過裝機容量的50%。因此，本研究分析了光伏出力在3 s內(nèi)將至30%時3個觀測點的電壓變動。由圖可知，受影響最大的末端節(jié)點的電壓變化約為2.2%。

圖5 末端電壓三相不平衡Fig.5 Voltage unbalance in the terminal of the feeder

圖6 光伏出力降低時的電壓變化Fig.6 Voltage fluctuations

3.1.4 對諧波的影響

圖7中列出了2～40次諧波電流含量，接入分布式光伏后，各次諧波電流含量較低。圖8為末端節(jié)點的電壓總諧波畸變率。從圖中可以看出，隨著光伏接入容量的增大，電壓總諧波畸變率逐漸增大，最大值為2.2%?？傮w而言，分布式光伏接入后電流各次諧波含量與電壓總諧波畸變率較低，兩項指標均在文獻[14]規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。

圖7 末端各次諧波Fig.7 The harmonic of voltage

3.2 光伏最大接入容量的確定

通過上述分析可得，對于所選取的3種典型接線形式的10 kV線路，分布式光伏的接入對電能質(zhì)量有較大的影響，其中對電壓的影響最大。因此，為了確定該配電網(wǎng)所能接入的最大光伏容量，本研究以電壓偏差限值為標準，選取滿足電壓偏差要求的最大光伏容量，即電壓偏差為7%時3個觀測點所對應(yīng)的光伏接入容量的最小值，便是該線路所能接納的最大光伏容量。3種典型接線形式饋線電壓偏差如圖9所示。

圖8 總諧波畸變率Fig.8 Total harmonic distortion

通過上述方法確定的3種典型接線形式的饋線允許接入的最大光伏容量如表2所示。

表2 3種典型接線的最大光伏接入容量Tab.2 The maximum integration capacity of 3 different types of connection forms MW

為了保證系統(tǒng)安全運行，通過此方法確定最大光伏接入容量時還應(yīng)留有一定的裕度。

4 提高配網(wǎng)光伏接入容量的措施

4.1 調(diào)節(jié)母線變壓器分接頭

分布式光伏的接入會使饋線電壓升高，因此，為了增大光伏接入容量，可適當調(diào)節(jié)母線變壓器分接頭，使母線電壓降低。實際電力系統(tǒng)中變壓器的分接頭以無載調(diào)壓為主。本文以3分接頭變壓器為例，分析調(diào)節(jié)變壓器分接頭使母線電壓為1.05 UN、UN0.95 UN時饋線的接入容量，如表3所示。

從表3中可以看出，通過調(diào)節(jié)變壓器分接頭，使母線電壓適當降低，有助于提高分布式光伏的最大接入容量。

圖9 3種典型接線饋線的電壓偏差Fig.9 Voltage deviation of 3 different types of connection forms

表3 母線電壓不同時的最大接入容量Tab.3 The maximum integration capacity of different busbar voltages

4.2 加裝儲能裝置

儲能技術(shù)目前在電力系統(tǒng)中的主要應(yīng)用在電力調(diào)峰、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和改善電能質(zhì)量等方面[18]。儲能技術(shù)能夠較好地改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性，有利于提高光伏發(fā)電在配電網(wǎng)中的滲透率。

儲能裝置可采用圖10所示的方式接入配電網(wǎng)。

圖10 儲能裝置接入方式Fig.10 The connection form of energy storing device

當光伏出力較大，線路負荷較小時，通過儲能裝置儲存電能，以防線路電壓過高；當光伏出力較小，線路負荷較大時，釋放儲能裝置中的電能，以滿足負荷需求。

5 結(jié)論

本文利用DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件，針對3種10 kV典型接線線路，分析了不同位置和不同容量的分布式光伏接入對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，并進一步導出系統(tǒng)安全運行下配電網(wǎng)所能接入的最大光伏容量，所得結(jié)論如下：

1）光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)會對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生一系列影響，其中電壓偏差受分布式光伏接入的影響較大，也是限制光伏接入的主要因素。

2）分布式光伏的接入對配網(wǎng)的電壓有一定的抬升作用，且對線路末端的電壓抬升最突出。

3）配電網(wǎng)的最大光伏接入容量與其負荷分布和拓撲結(jié)構(gòu)有關(guān)?？紤]一定裕度時，該地區(qū)10 kV配電網(wǎng)所能接入的最大光伏容量為負荷的30%～35%。

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（編輯 李沈）

Impact of Distributed Photovoltaic Generation on Power Quality in Distribution Network and Analysis of Maximum Integration Capacity

QIN Peng1，CUI Guozhu2，GUO Changlin2，WEI Fei2，KOU Yu1，XU Huan1
（1.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment in Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China；2.Linyi Power Supply Company，Linyi 276004，Shandong，China）

In this paper，the impact of distributed photovoltaic generation on power quality in a real distribution network is analyzed by DIgSILENT/PowerFactory software from the viewpoint of voltage deviation，voltage fluctuations，voltage unbalance and harmonic distortion.The maximum integration capacity of photovoltaic generation is calculated with the limit of power quality for different typical connection forms，whose models are built in the software.The results show that the impact on power quality is great when distributed PV is connected in the terminal of the feeder；the maximum integration capacity of distributed PV in the distributed network is approximately 30%～50%of the network load，and the main restriction of power quality is voltage deviation.

DIgSILENT/PowerFactory；distributed PV；power quality；maximum integration capacity

2016-01-18。

秦 鵬（1992—），男，碩士，主要研究方向為新能源接入系統(tǒng)安全評估；

崔國柱（1970—），男，高級工程師，碩士，主要從事電網(wǎng)運行、檢修及電力系統(tǒng)規(guī)劃工作；

郭昌林（1982—），男，高級工程師，學士，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃及電網(wǎng)運行分析研究工作；

魏 飛（1985—），男，工程師，學士，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃及電網(wǎng)運行分析研究工作；

寇 宇（1992—），男，碩士，電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性評估；

徐 歡（1992—），男，碩士，電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性評估。

國網(wǎng)山東省電力公司科技項目（A144-300009601-00007）。

Project Supported by the Science and Technology Project of State Grid Shandong Electric Power Company（A144-300009601-00007）.

1674-3814（2016）11-0145-06

TM712

A