地區(qū)電網(wǎng)分布式光伏接納能力校驗

張逸婕，周晨曦，祁 明，馬駿毅

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

2016年，江蘇揚(yáng)中獲批高比例新能源示范城市，大力發(fā)展以光伏為主的分布式綠色能源發(fā)電。規(guī)劃到2020年，分布式光伏發(fā)電的總裝機(jī)容量將達(dá)到400?MW，滲透率達(dá)100?%。高比例分布式電源接入將分布于用戶側(cè)的220?V～10?kV低電壓等級，分散區(qū)域廣、單個電源容量小等特點將造成末端電壓大幅波動、電網(wǎng)諧波等問題，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、電網(wǎng)規(guī)劃帶來巨大挑戰(zhàn)。為了構(gòu)建安全可靠、智能互動的現(xiàn)代配電網(wǎng)，亟需開展地區(qū)電網(wǎng)高比例分布式光伏接納能力研究。

以下提出一種新型的分布式光伏接納能力校驗策略，以揚(yáng)中電網(wǎng)110?kV某分區(qū)為算例，分別從供電安全水平、負(fù)載能力等方面展開校驗，在高負(fù)荷強(qiáng)日照、高負(fù)荷弱日照、低負(fù)荷強(qiáng)日照和低負(fù)荷弱日照4種運(yùn)行場景下計算電壓偏差和電壓波動，提出相應(yīng)的治理措施，多角度驗證分布式光伏接納能力校驗策略的正確性。

1 光伏發(fā)電功率輸出特性

光伏電站受天氣和季節(jié)影響具有很強(qiáng)的不確定性，電站功率輸出呈現(xiàn)較為明顯的波動性、隨機(jī)性和間歇性特點，出力范圍主要集中在20?%～80?%的裝機(jī)容量。

因電力用戶的作息和生產(chǎn)生活習(xí)慣的不同，電力需求呈現(xiàn)明顯的峰谷差。電源和負(fù)荷均呈現(xiàn)波動性，電網(wǎng)運(yùn)行方式多變，但總是在高負(fù)荷強(qiáng)光照、高負(fù)荷弱光照、低負(fù)荷強(qiáng)光照和低負(fù)荷弱光照4種極端運(yùn)行場景范圍內(nèi)變化。分析分布式光伏接納能力時，只需要研究上述4種特殊情況，按光伏電站強(qiáng)光照時輸出100?%額定功率、弱光照時輸出20?%額定功率進(jìn)行校驗計算。

2 電網(wǎng)接納能力校驗原則

在電網(wǎng)接納新能源能力方面，主要考慮供電安全水平、負(fù)載能力、短路電流、電能質(zhì)量等因素。文中主要就以下方面進(jìn)行研究。

(1)?利用N-1分析對光伏電站的上級變壓器及線路進(jìn)行校驗，檢查系統(tǒng)中是否有電流過載、越限情況，分析光伏接入系統(tǒng)后電網(wǎng)安全水平的影響程度。

(2)?計算電網(wǎng)在高負(fù)荷弱光照、高負(fù)荷強(qiáng)光照、低負(fù)荷強(qiáng)光照、低負(fù)荷弱光照等4種典型特征情境下光伏電站上級變壓器與線路的負(fù)載情況，研究局部電網(wǎng)對光伏接入的承載能力。

(3)?計算分布式光伏接入系統(tǒng)后造成的重要節(jié)點或母線電壓偏差，研究光伏電力并入系統(tǒng)后可能出現(xiàn)的電壓問題。

2.1 光伏電力接入系統(tǒng)供電安全水平校驗

2.1.1 變壓器N-1 校驗

主變負(fù)載率即變壓器的最高負(fù)荷(一般近似為最高負(fù)荷的有功功率)與額定容量的比值。主變負(fù)載率通常能夠反映變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，以從側(cè)面反映其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，評估系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。其計算公式為：

式中，ηT為主變的負(fù)載率；SN為變壓器的額定容量；pmax為變壓器的最高負(fù)荷功率。

2.1.2 變壓器出線N-1校驗

線路負(fù)載率即線路的最高負(fù)荷電流與額定載流量之比。線路負(fù)載率計算公式為：

式中，ηL為線路的負(fù)載率；IN為線路的額定載流量；lmax為線路的最高負(fù)荷電流。

2.2 光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)負(fù)載率校驗

在光伏發(fā)電的功率輸出中，通?？梢院雎詿o功功率的影響，僅用有功功率參加負(fù)載率的計算。

式中，β為變壓器或線路的負(fù)載率；pL為變壓器或線路的負(fù)荷；pPV為光伏接入后的有功出力；Pn為主變或線路的額定容量。

如圖1所示，變壓器和輸電線路負(fù)載率的大小隨著光伏發(fā)電功率輸出的增加表現(xiàn)為分段線性變化，斜率為PN的倒數(shù)。設(shè)定某時刻的負(fù)荷為PL，光伏發(fā)電輸出功率PPV小于負(fù)荷PL時，光伏發(fā)電功率輸出的增加有助于降低負(fù)載率；當(dāng)光伏功率輸出等于負(fù)荷PL時，負(fù)載率減小為0?(B點);當(dāng)光伏發(fā)電輸出功率大于負(fù)荷PL且小于2倍的PL時，隨著光伏發(fā)電功率輸出的增加負(fù)載率增大；當(dāng)光伏發(fā)電功率大于2PL時，負(fù)載率將超過光伏未并網(wǎng)時的負(fù)載率。根據(jù)負(fù)載率特性，光伏發(fā)電宜采用分布式布局和就地負(fù)荷消納，有助于降低變壓器和輸電線路的負(fù)載率，同時降低光伏發(fā)電功率輸出對電網(wǎng)硬件的要求，節(jié)省電網(wǎng)投資。

圖1 光伏功率輸出對負(fù)載率的影響

3 算例分析

3.1 仿真計算

選取揚(yáng)中電網(wǎng)某110?kV變電站為算例，在潮流仿真平臺搭建實際網(wǎng)架模型，結(jié)合2020年預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計算，參數(shù)如下：2臺主變均為三繞組變壓器，其中:1號主變壓器容量為31.5?MVA，2號主變壓器容量為40?MVA，2臺主變變比均為 (110±8×1.25?%)/(37±2×2.5?%)/10.5;1 號主變壓器高、中、低壓側(cè)間的阻抗電壓分別為10.55?%，7.2?%，17.49?%，2 號主變壓器高、中、低壓側(cè)間的阻抗電壓分別為 10.35?%，6.51?%，18.7?%;1號、2號主變所接110?kV線路分別為出線一、出線二。計劃在1號主變壓器10?kV母線接入光伏發(fā)電22.8?MW，2號主變壓器10?kV母線接入光伏發(fā)電1?MW。該110?kV變電站的短路容量為 1?239.2?MVA。

3.2 仿真分析

3.2.1 主變及出線N-1校驗

根據(jù)變壓器N-1校驗結(jié)果和出線N-1校驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)光伏接入系統(tǒng)供電安全水平校驗存在下列規(guī)律。

(1)?如果主變和變壓器出線的核載容量大，現(xiàn)有負(fù)載率較低，那么當(dāng)光伏電力接入后，主變和變壓器出線將依然能夠滿足N-1校驗準(zhǔn)則，系統(tǒng)中不會出現(xiàn)電壓越限和過電流等現(xiàn)象。

(2)?在高負(fù)荷弱光照的情況下，主變和變壓器出線的負(fù)載率最高，與光伏是否并網(wǎng)無關(guān)，較大的系統(tǒng)負(fù)荷將從電網(wǎng)中吸收大量的有功功率，且光伏發(fā)電出力較小，不能滿足本地高負(fù)荷的功率需求。

(3)?在低負(fù)荷強(qiáng)光照的情況下，當(dāng)光伏發(fā)電功率輸出大于本地負(fù)荷功率時，在光伏并網(wǎng)前主變和變壓器出線的負(fù)載率較低，在光伏并網(wǎng)后主變和變壓器出線的負(fù)載率升高，主變和變壓器出線出現(xiàn)功率倒送現(xiàn)象。

3.2.2 配電線路負(fù)載率校驗

對該110?kV變電區(qū)域光伏發(fā)電輸配電網(wǎng)在高負(fù)荷、低負(fù)荷運(yùn)行模式下的負(fù)載率校驗、分析和對比，總結(jié)得到以下3點結(jié)論。

(1)?該區(qū)域內(nèi)負(fù)載率較低，對分布式光伏電功率的并網(wǎng)接入能力較強(qiáng)，不會出現(xiàn)過負(fù)荷和功率越限的情況。

(2)?在負(fù)荷較高的區(qū)域，適宜建立較大規(guī)模的分布式光伏電站，光伏功率的并網(wǎng)能夠明顯降低該區(qū)域的負(fù)載率，且有較高的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

(3)?在負(fù)荷較低的區(qū)域，不宜建立較大規(guī)模的分布式光伏電站，光伏功率的并網(wǎng)可能會導(dǎo)致該區(qū)域的輸變電設(shè)備的負(fù)載率增加，會增加電網(wǎng)運(yùn)行成本，威脅輸配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.3 電壓幅值偏差校驗

光伏電力并網(wǎng)后，對原輸變電設(shè)備的電能質(zhì)量有一定影響。分別對該110?kV變電站在高負(fù)荷及低負(fù)荷運(yùn)行模式下，光伏并網(wǎng)前后的10?kV各母線電壓按照光伏并網(wǎng)前、強(qiáng)光照光伏并網(wǎng)后、弱光照光伏并網(wǎng)后3種情況予以同時采樣，得到的各母線位置的電能質(zhì)量偏差的校驗情況如表1，2所示。

表1 高負(fù)荷運(yùn)行模式下母線電壓偏差校驗情況 p.u.

表2 低負(fù)荷運(yùn)行模式下母線電壓偏差校驗情況 p.u.

經(jīng)分析，對比表1，2中各種情況下的母線電壓偏差，總結(jié)以下4點規(guī)律。

(1)?光伏電力并網(wǎng)前，高、低負(fù)荷模式下各母線位置電壓與該處額定電壓的偏差均在±7?%以內(nèi)；并網(wǎng)后，弱光照下的各母線電壓均在正常電壓范圍內(nèi)，強(qiáng)光照下的各母線電壓大部分在正常電壓范圍內(nèi)，小部分大容量光伏并網(wǎng)處電壓升高明顯，出現(xiàn)電壓越限。

(2)?光伏電力并網(wǎng)后，并網(wǎng)處負(fù)荷可由光伏電力提供，減少了輸變電設(shè)備對該負(fù)荷的供電，根據(jù)輸電線路電壓降落公式(4)，可知輸電線路末端的并網(wǎng)處電壓升高。

式中，ΔU為輸電線路電壓降落的橫分量；U為末端電壓；P，Q分別為末端的有功、無功功率；R，X分別為線路的電阻和電抗。

(3)?強(qiáng)光照下的大容量光伏電力并網(wǎng)，其不僅就地供負(fù)荷消納，還會出現(xiàn)較強(qiáng)的有功功率倒送的現(xiàn)象，進(jìn)一步抬高了并網(wǎng)處的電壓，當(dāng)足夠大的有功和無功功率倒送，使小部分表1，2中的母線電壓越限，超出正常電壓范圍。

(4)?高負(fù)荷運(yùn)行模式下各母線節(jié)點的電壓變化較大，高負(fù)荷輸電線路的末端電壓較低，在額定值以下。光伏發(fā)電并網(wǎng)提高了高負(fù)荷輸電線路的末端電壓，特別是強(qiáng)光照下末端電壓明顯提高。低負(fù)荷運(yùn)行模式下各母線節(jié)點的電壓變化較小，低負(fù)荷輸電線路的末端電壓維持在額定電壓的較高水平，強(qiáng)光照和弱光照下的光伏發(fā)電并網(wǎng)均提高了低負(fù)荷輸電線路的末端電壓。

4 結(jié)束語

以揚(yáng)中電網(wǎng)110?kV某分區(qū)為算例，提出一種新型的分布式光伏接納能力校驗策略，該校驗策略分別從供電安全水平、負(fù)載能力、電能質(zhì)量因素等方面展開驗證。

文中提出電網(wǎng)接納能力的校驗原則，從變壓器N-1校驗、線路N-1校驗兩個方面進(jìn)行分布式光伏供電安全水平校驗，從高負(fù)荷、低負(fù)荷兩種運(yùn)行方式分別進(jìn)行負(fù)載率及電壓偏差校驗。該分析策略具有較強(qiáng)的適用性，可為后續(xù)制定分布式光伏接入電網(wǎng)規(guī)劃方案及電能質(zhì)量治理提供依據(jù)。