分布式光伏對(duì)10 kV配電網(wǎng)的影響及并網(wǎng)輔助決策系統(tǒng)

鄭茂松，曹 申，任喬林，鄒 宇，張 偉

（1．國(guó)網(wǎng)湖北電力公司 孝感供電公司，湖北 孝感443200；2．三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌443000；3．廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司 欽州供電公司，廣西 欽州535000）

0 引 言

分布式電源（Distributed Generation，DG）通常指發(fā)電功率為數(shù)千瓦至50 MW的小型模塊化、配置在用戶(hù)附近、與環(huán)境兼容的發(fā)電單元。分布式電源有利于改善能源結(jié)構(gòu)，提高現(xiàn)有資源的利用率；減少輸電走廊建設(shè)，節(jié)省輸變電投資；優(yōu)化供電模式及提高供電可靠性，促進(jìn)電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

隨著分布式發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟，越來(lái)越多的分布式電源接入到配電網(wǎng)中，其中分布式光伏電源以太陽(yáng)光能作為能源，其豐富的能量來(lái)源及清潔的發(fā)電形式受到人們?cè)絹?lái)越多的青睞。分布式光伏電源采用逆變器連接到電網(wǎng)，工作原理是在太陽(yáng)光照射下通過(guò)光伏逆變器將光伏面板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)相同頻率、相同相位的交流電。與傳統(tǒng)發(fā)電形式相比，分布式光伏發(fā)電有其特有的優(yōu)勢(shì)：（1）光伏發(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，便于運(yùn)輸、安裝、維護(hù)，建設(shè)周期短。（2）發(fā)電能源清潔無(wú)污染，發(fā)電無(wú)需機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件無(wú)噪聲產(chǎn)生。（3）發(fā)電所需的太陽(yáng)光無(wú)地域限制，分布廣泛。

盡管分布式光伏電源具有著眾多優(yōu)點(diǎn)，但其發(fā)電使用的太陽(yáng)光能有較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，輸出的功率不穩(wěn)定；并網(wǎng)過(guò)程需要電力電子裝置進(jìn)行逆變，也在一定程度上附加了電網(wǎng)的諧波污染；其接入改變了原配網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和潮流，這些都會(huì)對(duì)配網(wǎng)的電能質(zhì)量、潮流分布、短路電流產(chǎn)生影響。

1 對(duì)10 kV配電網(wǎng)的影響

配電系統(tǒng)是發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)與用戶(hù)連接起來(lái)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。就我國(guó)電力系統(tǒng)而言，配電網(wǎng)是指110 kV及以下等級(jí)的電網(wǎng)，通常把110 kV和35 kV級(jí)稱(chēng)為高壓配電網(wǎng)，10 kV級(jí)稱(chēng)為中壓配電網(wǎng)，0．4 kV級(jí)稱(chēng)為低壓配電網(wǎng)。10 kV配電網(wǎng)是我國(guó)最常見(jiàn)的配電網(wǎng)，其在配電網(wǎng)體系中占比重較大，是分布式光伏電源的主要接入對(duì)象。

光伏電源的接入要考慮電力就近消納以減少電力傳輸時(shí)功率的損耗，接入位置通常選在電源項(xiàng)目周邊電網(wǎng)。由于溫度、光照具有較強(qiáng)的波動(dòng)性、隨機(jī)性，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出不穩(wěn)定，在一定程度上會(huì)改變配電網(wǎng)的潮流分布，有可能在某些位置造成不容忽視的電壓偏差，給電網(wǎng)及用戶(hù)帶來(lái)電壓波動(dòng)等問(wèn)題［1］。如圖1所示，光伏電源的并網(wǎng)需要借助電力電子裝置光伏逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)，逆變器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的諧波注入電網(wǎng)。隨著分布式光伏電源的推廣和普及，其并網(wǎng)引起的電能質(zhì)量、潮流分布、短路電流等問(wèn)題應(yīng)該得到最夠的重視。

圖1 典型光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1．1 對(duì)電能質(zhì)量的影響

分布式光伏電源并網(wǎng)改變了配網(wǎng)原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其接入配網(wǎng)后會(huì)引起配網(wǎng)的各種擾動(dòng)，從而對(duì)配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）電壓偏差

光伏電站接入后，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸功率帶有波動(dòng)性和負(fù)荷功率具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)中各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)電壓偏差。電壓偏差通常定義為供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，某一結(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓與系統(tǒng)額定電壓的差值對(duì)系統(tǒng)額定電壓的百分?jǐn)?shù)［2］。

電壓偏差的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Ure為節(jié)點(diǎn)實(shí)際電壓；UN為系統(tǒng)額定電壓。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》GB12325－90規(guī)定了系統(tǒng)的供電電壓允許偏差。

以一條簡(jiǎn)單的線路為例，說(shuō)明接入分布式光伏后產(chǎn)生電壓偏差的原因，等值電路圖如圖2所示；相量圖如圖3所示。

圖2 等值電路

圖3 相量圖

在圖3中，ΔUZ和ΔUH分別表示電壓降ΔU的縱分量和橫分量

由于在電壓等級(jí)為10 kV的線路上，一條線路兩端電壓的相角差δ較小，ΔUZ對(duì)ΔU的影響很小，可以把ΔUH近似看作ΔU，即：

分布式光伏接入后，向配網(wǎng)注入了有功功率P和無(wú)功功率Q，進(jìn)而影響形成電壓偏差的電壓降ΔU。

當(dāng)電壓偏離額定值較大時(shí)，用電設(shè)備的工作性能會(huì)降低，很可能因過(guò)電壓、過(guò)電流而損壞。

（2）電力諧波

由于光伏并網(wǎng)使用的光伏逆變器屬于高頻開(kāi)關(guān)的電力電子設(shè)備，在將直流電轉(zhuǎn)換成工頻交流電的過(guò)程中，其開(kāi)關(guān)器件頻繁的開(kāi)通和關(guān)斷易產(chǎn)生一系列開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波分量，使正弦電流、電壓波形發(fā)生畸變從而造成諧波污染［4］。

電壓總諧波畸變率的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

在分布式光伏電源接入位置確定的情況下，饋線上UTHD由光伏電源的總出力決定，UTHD與光伏總出力成正相關(guān)，即光伏電源的總出力占總負(fù)荷的比重越大，饋線上各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)UTHD也就越大。另外，光伏電源的接入位置對(duì)饋線上各節(jié)點(diǎn)UTHD的影響也有差異，其位置越接近線路末端，對(duì)各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的UTHD影響越嚴(yán)重；反之，其接入位置越接近配網(wǎng)變電站出線端影響越?。?］。根據(jù)以往運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光伏逆變器出力較小時(shí)諧波明顯較大，并且當(dāng)同一并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)含有多臺(tái)光伏逆變器時(shí)，可能引起線路內(nèi)部諧振將諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍。

1.2 對(duì)潮流分布的影響

穩(wěn)定、可靠的電源是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件，由于日出日落、云層遮擋、天氣狀況變化等原因，光照強(qiáng)度、溫度會(huì)隨之發(fā)生變化，這種波動(dòng)性和隨機(jī)性使得光伏發(fā)電系統(tǒng)在出力大小、質(zhì)量上呈現(xiàn)出不規(guī)律性?！盁o(wú)源”輻射狀的傳統(tǒng)配電網(wǎng)，線路潮流一般都是單向流動(dòng)的，當(dāng)分布式光伏電源接入電網(wǎng)后且就近消納不完全時(shí)，公共電網(wǎng)轉(zhuǎn)化為受電端會(huì)給電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生一定的波動(dòng)和影響，從根本上改變系統(tǒng)潮流分布情況。

當(dāng)配電網(wǎng)接入較小容量的光伏電源時(shí)，配電線路流過(guò)的有功和無(wú)功功率會(huì)有所降低，線路沿線的壓降減小，光伏系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)電壓起支撐作用；隨著光伏電源的滲透率逐漸增加到一定值，沿線的壓降會(huì)減小到零，即達(dá)到額定電壓；但如果繼續(xù)增加接入配電網(wǎng)的光伏電源容量，線路的有功功率和無(wú)功功率反而會(huì)增加，線路壓降變?yōu)樨?fù)值，導(dǎo)致線路電壓高于額定電壓。由此，光伏電源并入原有的配電網(wǎng)后，原有電力系統(tǒng)中饋線上的傳輸功率會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致原有配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)電壓隨著接入分布式電源的容量和類(lèi)型出現(xiàn)不同程度的升高或降低，這種不確定性可能會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓嚴(yán)重越限［6］。在配電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，分布式電源的接入總?cè)萘恳话悴怀^(guò)總負(fù)荷的30%，這樣即使系統(tǒng)中有多個(gè)光伏電源接入，負(fù)荷總?cè)萘咳源笥诮尤氲墓夥娫纯側(cè)萘?，可保證整個(gè)配電網(wǎng)路是嚴(yán)格的吸收型受端網(wǎng)絡(luò)。

1.3 短路電流

隨著分布式光伏電源接入配電網(wǎng)，使配電系統(tǒng)由原來(lái)的輻射狀網(wǎng)絡(luò)變成用戶(hù)和中小型電源互聯(lián)的“有源”網(wǎng)絡(luò)，改變了配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而影響配電網(wǎng)的短路電流水平［7］。

分布式光伏電源接入地區(qū)配電網(wǎng)后，當(dāng)配網(wǎng)線路某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)都會(huì)向該故障點(diǎn)提供短路電流。若此時(shí)分布式光伏電源未從配網(wǎng)系統(tǒng)中解列，則光伏電源有可能持續(xù)向故障點(diǎn)提供電流，可能使流過(guò)斷路器的短路電流超標(biāo)，系統(tǒng)側(cè)的保護(hù)無(wú)法正確動(dòng)作而使故障擴(kuò)大危及整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)短路電流的影響主要體現(xiàn)在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，其會(huì)增加注入故障點(diǎn)的短路電流。研究表明，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)位置對(duì)饋線上短路電流的分布也會(huì)產(chǎn)生較大影響，當(dāng)光伏電源越靠近故障點(diǎn)時(shí)，其對(duì)故障點(diǎn)的等效阻抗越小，注入的短路電流越大，對(duì)配電系統(tǒng)故障點(diǎn)的短路電流影響也就越大。因此在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入前須事先進(jìn)行分析和計(jì)算、校核接入點(diǎn)的短路電流限額，以確定其對(duì)配電網(wǎng)短路容量的影響程度以及接入后并網(wǎng)點(diǎn)與公共連接點(diǎn)短路電流是否滿(mǎn)足要求［8］。

2 分布式光伏并網(wǎng)輔助決策系統(tǒng)

分布式光伏電源接入配電網(wǎng)需要科學(xué)合理的確定分布式電源的接入點(diǎn)和接入容量，以減小配電網(wǎng)有功網(wǎng)損，改善電能質(zhì)量，減少配電網(wǎng)保護(hù)裝置的換新重置，延緩配電網(wǎng)的升級(jí)改造周期，使配電網(wǎng)在運(yùn)行可靠的同時(shí)更加經(jīng)濟(jì)。配電網(wǎng)能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行的首要條件是合理的配電網(wǎng)規(guī)劃，為盡可能多的發(fā)揮分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的配電系統(tǒng)、避免盲目規(guī)劃減少投資，設(shè)計(jì)一套可以對(duì)分布式光伏電源并網(wǎng)進(jìn)行科學(xué)和準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的分布式光伏并網(wǎng)輔助決策系統(tǒng)，以便在配電系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行中采取合理的措施。

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

僅考慮對(duì)局部地區(qū)10 kV配電網(wǎng)的影響，校核擬選擇的并網(wǎng)接入點(diǎn)是否滿(mǎn)足現(xiàn)有配電網(wǎng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，包含配電系統(tǒng)潮流計(jì)算、無(wú)功功率平衡計(jì)算、短路電流計(jì)算、電能質(zhì)量分析評(píng)估等功能。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

（1）通用性強(qiáng)，相關(guān)功能可廣泛應(yīng)用于分布式光伏電源接入的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（2）可擴(kuò)展性強(qiáng)，能根據(jù)特殊要求修改和增強(qiáng)系統(tǒng)功能。

（3）界面友好，具有完善的數(shù)據(jù)和算法接口，可方便與關(guān)聯(lián)系統(tǒng)實(shí)行數(shù)據(jù)交換，最大限度增強(qiáng)可維護(hù)性。

2.3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2．3．1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要由三部分組成：一是公共電網(wǎng)設(shè)備參數(shù)以及運(yùn)行情況；二是用戶(hù)電網(wǎng)設(shè)備參數(shù)以及運(yùn)行情況；三是光伏發(fā)電接入系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)。

公共電網(wǎng)的設(shè)備參數(shù)以及運(yùn)行情況通過(guò)整合生產(chǎn)管理PMS系統(tǒng)、配電GIS系統(tǒng)、營(yíng)銷(xiāo)SG186系統(tǒng)和調(diào)度SCADA系統(tǒng)的功能，建立模型并根據(jù)配網(wǎng)實(shí)際情況進(jìn)行修改調(diào)整。用戶(hù)電網(wǎng)和光伏發(fā)電接入系統(tǒng)通過(guò)人工繪圖和相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入來(lái)建立模型。其他電氣計(jì)算所需的短路電流、短路容量、阻抗參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)需具備人工添加、修改的功能。

2．3．2 具體功能

（1）分析計(jì)算分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償容量，綜合考慮光伏逆變器的功率因數(shù)、匯集線路、變壓器以及線路的無(wú)功損失等因素，以確保并網(wǎng)接入點(diǎn)的功率因數(shù)滿(mǎn)足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）計(jì)算配電網(wǎng)公共連接點(diǎn)和分布式光伏電源并網(wǎng)接入點(diǎn)在光伏電站接入前后的短路電流水平，為配電網(wǎng)相關(guān)電站及分布式光伏電站的開(kāi)關(guān)設(shè)備選擇提供依據(jù)和參考。

（3）分析計(jì)算電能質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)以滿(mǎn)足相關(guān)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，包含電壓波動(dòng)、電壓偏差、電力諧波、三相不平衡等方面。

（4）計(jì)算符合實(shí)際運(yùn)行情況的最大、最小負(fù)荷運(yùn)行方式、檢修運(yùn)行方式、事故運(yùn)行方式的相關(guān)線路潮流，校核是否滿(mǎn)足運(yùn)行要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了分布式光伏電源并網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量分布、潮流分布、短路電流帶來(lái)的影響，分析了其影響程度與光伏電源的接入位置以及容量密切相關(guān)。隨著分布式光伏發(fā)電技術(shù)的逐步成熟，其作為具有競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)電方式逐漸滲透到配電系統(tǒng)中，但在其并網(wǎng)前須充分考慮對(duì)配電網(wǎng)帶來(lái)的影響，文中提出構(gòu)建一種適合地區(qū)配電網(wǎng)的分布式光伏電源并網(wǎng)輔助決策系統(tǒng)，制定相應(yīng)的控制策略，以便在分布式光伏接入后保證以及優(yōu)化配電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。