低壓配電網(wǎng)分布式光伏接納能力分析

趙冬梅，任耀宇，程雪婷

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市昌平區(qū)102206；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西省太原市030001）

0 引言

在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重和傳統(tǒng)能源日漸短缺的背景下，以光伏發(fā)電為代表的可再生清潔能源已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注且大規(guī)模并入電網(wǎng)。國(guó)家能源局發(fā)布的《可再生能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中提到，到2030年我國(guó)要實(shí)現(xiàn)非化石能源占一次能源消費(fèi)比重20%的目標(biāo)[1]。光伏發(fā)電在眾多可再生能源中占有十分重要的位置，目前光伏裝機(jī)容量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)[2]。根據(jù)容量不同，光伏發(fā)電分為兩種并網(wǎng)形式：一是通過(guò)中高壓線(xiàn)路接入輸電網(wǎng)，二是通過(guò)低壓線(xiàn)路接入配電網(wǎng)[3]。根據(jù)《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見(jiàn)》及《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，光伏并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)當(dāng)遵循分散開(kāi)發(fā)、就近消納為主的原則。光伏分散式并網(wǎng)及電能的就地消納已經(jīng)成為趨勢(shì)[4]。因此，在低壓配電網(wǎng)中分布式光伏并網(wǎng)數(shù)量會(huì)迅速增長(zhǎng)，容量也不斷增加。

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)是一種基于電網(wǎng)供電與用戶(hù)用電之間的單向電力分配網(wǎng)路，電壓呈現(xiàn)從首端到末端降低的趨勢(shì)，隨著分布式光伏接入負(fù)荷側(cè)，潮流分布發(fā)生改變，當(dāng)分布式光伏的容量超過(guò)負(fù)荷時(shí)，原有的負(fù)荷側(cè)就會(huì)變成電源側(cè)，形成潮流倒送，潮流倒送導(dǎo)致原有電壓降低的節(jié)點(diǎn)變成電壓升高的節(jié)點(diǎn)，接入容量過(guò)大會(huì)發(fā)生電壓越上限的現(xiàn)象。在高比例分布式光伏并網(wǎng)所面臨的諸多風(fēng)險(xiǎn)中，電壓越限是影響光伏消納最重要的因素之一[5]，在進(jìn)行配電網(wǎng)分布式光伏接納能力分析時(shí)，要充分考慮電壓越限的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[6]研究了配電網(wǎng)中分布式電源的最大接入容量，采用遺傳算法和牛頓-拉夫遜法求解模型；文獻(xiàn)[7]通過(guò)控制分布式電源逆變器應(yīng)對(duì)電壓越限，提升分布式電源的接入容量；文獻(xiàn)[8]利用智能軟開(kāi)關(guān)進(jìn)行雙向功率調(diào)節(jié)，提升配電網(wǎng)中分布式電源的接入容量；文獻(xiàn)[9-10]分析了功率因數(shù)控制和有功削減等對(duì)分布式電源準(zhǔn)入容量的影響；文獻(xiàn)[11]分析配電網(wǎng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)重構(gòu)對(duì)配電網(wǎng)接納分布式電源的作用。相關(guān)研究表明采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)壓措施可以緩解分布式電源接入導(dǎo)致的電壓越限問(wèn)題，提高配電網(wǎng)對(duì)分布式電源的接納能力。

低壓配電網(wǎng)受投資經(jīng)濟(jì)性的限制，通信網(wǎng)薄弱、量測(cè)不全[12]，缺少可控資源，缺乏調(diào)壓手段，而現(xiàn)階段不可控的分布式電源和可控資源如微型燃?xì)廨啓C(jī)、儲(chǔ)能設(shè)備、聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)及可控負(fù)荷等的大量接入，使中壓配電網(wǎng)形成具有一定協(xié)調(diào)控制能力的主動(dòng)配電網(wǎng)（active distribution network，ADN）[13]?，F(xiàn)有關(guān)于配電網(wǎng)接納分布式電源的研究都是針對(duì)單一電壓等級(jí)的配電網(wǎng)，未考慮多電壓等級(jí)配電網(wǎng)之間的相互影響。本文進(jìn)行低壓配電網(wǎng)分布式光伏接納能力分析時(shí)，考慮多電壓等級(jí)配電網(wǎng)的配合，提出利用中壓主動(dòng)配電網(wǎng)的調(diào)控能力，通過(guò)中低壓配電網(wǎng)的相互影響緩解低壓配電網(wǎng)調(diào)壓手段缺乏，提升低壓配電網(wǎng)接納分布式光伏能力的方法。建立包含10 kV主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型和380 V輻射型低壓配電網(wǎng)分布式光伏的選址定容模型[14-16]的多電壓等級(jí)配電網(wǎng)模型。分別用遺傳算法和多目標(biāo)進(jìn)化算法求解，計(jì)算結(jié)果說(shuō)明這種方法的有效性。針對(duì)低壓配電網(wǎng)中負(fù)荷不同的情況，分析分布式光伏接入和調(diào)壓對(duì)中壓主動(dòng)配電網(wǎng)電壓水平的影響，以及低壓配電網(wǎng)中負(fù)荷對(duì)接納分布式光伏和調(diào)壓方式的影響。

1 中低壓配電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)

中低壓配電網(wǎng)聯(lián)系緊密，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[17]如圖1所示，其中VH和VL分別為變壓器兩側(cè)電壓幅值。

圖1 中低壓配電網(wǎng)聯(lián)系拓?fù)鋱DFig.1 Connection topology of medium and low voltage distribution network

對(duì)中壓主動(dòng)配電網(wǎng)中可控設(shè)備的合理調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)VH的調(diào)節(jié)，通過(guò)改變VH的大小進(jìn)而改變VL的大小。變壓器高壓側(cè)有不同的分接頭，變壓器分接頭調(diào)節(jié)是一種有效的電壓控制方法，在國(guó)內(nèi)通常不考慮對(duì)分接頭進(jìn)行調(diào)整，但是在國(guó)際上，特別是歐洲一些國(guó)家將分接頭調(diào)節(jié)作為調(diào)節(jié)低壓配電網(wǎng)電壓非常重要的手段[18]，選擇不同的分接頭改變變壓器的變比，可以改變VL的大小，兩種方式都通過(guò)改變VL的大小影響低壓配電網(wǎng)整體電壓水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓配電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)。兩種方式對(duì)低壓配電網(wǎng)電壓的影響都是間接的，調(diào)壓后需要對(duì)低壓配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算來(lái)判斷發(fā)生電壓越限的節(jié)點(diǎn)電壓是否滿(mǎn)足要求，確定一個(gè)可以直接判斷的指標(biāo)，采用低壓配電網(wǎng)不發(fā)生電壓越限時(shí)VH允許值范圍[VHmin，VHmax]來(lái)指導(dǎo)調(diào)壓。

式中：Vmax和Vmin為配電網(wǎng)電壓允許值的上限和下限，在低壓配電網(wǎng)中Vmax=1.07，Vmin=0.9；Vd和Vx為低壓配電網(wǎng)的最大和最小電壓值；Bd和Bx為低壓配電網(wǎng)電壓相對(duì)VL的最大和最小變化率。

在未考慮電壓調(diào)節(jié)時(shí)，中壓主動(dòng)配電網(wǎng)以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)運(yùn)行，高比例分布式光伏接入導(dǎo)致低壓配電網(wǎng)電壓越上限?？梢赃x擇更大的變壓器分接頭增大變壓器變比K，由公式（2）VH允許值范圍的上下限VHmax和VHmin增大，也可以改變中壓主動(dòng)配電網(wǎng)中可控設(shè)備的運(yùn)行方式降低VH，通過(guò)兩種方式將VH限制在允許值[VHmin，VHmax]范圍內(nèi)，確保低壓配電網(wǎng)電壓不發(fā)生越限。

低壓配電網(wǎng)分布式光伏接入導(dǎo)致的潮流倒送和中壓主動(dòng)配電網(wǎng)可控設(shè)備的調(diào)節(jié)，都會(huì)對(duì)中壓主動(dòng)配電網(wǎng)整體電壓產(chǎn)生影響，采用電壓總偏差[19]反應(yīng)配電網(wǎng)整體的電壓水平，公式表示如下：

式中：T為調(diào)度周期；Vi,t為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i電壓；V*為系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓幅值，通常為1.0（標(biāo)幺值）。電壓總偏差作為檢驗(yàn)系統(tǒng)安全性和電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，值越小說(shuō)明電壓波動(dòng)越小，電壓越能保持在滿(mǎn)意的水平上。

2 模型建立

2.1 中壓主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

中壓主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)為：

VH最小目標(biāo)函數(shù)為：

式中：ndg、ness、nw、nil分別表示分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備、可投切無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、可中斷負(fù)荷的數(shù)量；分別表示分布式電源單位發(fā)電成本、配電網(wǎng)向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格、儲(chǔ)能單元充電的折算成本、儲(chǔ)能單元放電的折算成本、無(wú)功補(bǔ)償裝置的投切成本、可中斷負(fù)荷的補(bǔ)償費(fèi)用；分別表示分布式電源發(fā)電量、配電網(wǎng)向上級(jí)電網(wǎng)的購(gòu)電量、儲(chǔ)能單元的充放電功率、可中斷負(fù)荷的中斷功率；Mi,t表示無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投切狀態(tài)是否發(fā)生改變；Δt為時(shí)間間隔；α和β分別表示儲(chǔ)能充放電狀態(tài)；VH,t表示t時(shí)刻VH值。

2.1.2 約束條件

1）潮流約束

式中：Pi和Qi為節(jié)點(diǎn)i的有功和無(wú)功功率注入量；Vi和Vj分別為節(jié)點(diǎn)i和j的電壓，Gij，Bij和δij分別為節(jié)點(diǎn)i和j之間的電導(dǎo)、電納和電壓相角。

2）線(xiàn)路傳輸功率約束

式中：Sl,t為t時(shí)刻線(xiàn)路l傳輸功率；Sl,max為線(xiàn)路傳輸?shù)淖畲蠊β省?/p>

3）節(jié)點(diǎn)電壓約束

在中壓配電網(wǎng)中Vmax=1.07，Vmin=0.93。

4）微型燃?xì)廨啓C(jī)約束

微型燃?xì)廨啓C(jī)爬坡功率約束

5）儲(chǔ)能約束

在儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過(guò)程中，剩余容量用荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）表示。

6）無(wú)功補(bǔ)償裝置投切約束

式中：Mi,t為t時(shí)刻無(wú)功補(bǔ)償裝置的投切狀態(tài)是否發(fā)生改變，1表示發(fā)生改變，0表示保持不變，Mmax表示無(wú)功補(bǔ)償裝置在調(diào)度周期T內(nèi)的最大動(dòng)作次數(shù)。

7）可中斷負(fù)荷約束

2.2 低壓配電網(wǎng)分布式光伏選址定容模型

在380 V低壓配電網(wǎng)中負(fù)荷是單相供電，因此分布式光伏單相接入。低壓配電網(wǎng)分布式光伏選址定容模型包含兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，接入分布式光伏容量最大和低壓配電網(wǎng)電壓升高最小。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

接入分布式光伏容量最大目標(biāo)函數(shù)為：

低壓配電網(wǎng)電壓升高最小目標(biāo)函數(shù)為：

2.2.2 約束條件

潮流約束、線(xiàn)路傳輸功率約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束與中壓主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型類(lèi)似。

1）接入容量約束

式中：Pi為節(jié)點(diǎn)i處接入的分布式光伏容量；{PA,PB,PC，···}為節(jié)點(diǎn)i處所能接入的分布式光伏容量的集合。

2）電壓三相不平衡度約束

節(jié)點(diǎn)電壓不平衡度的定義是節(jié)點(diǎn)三相電壓幅值的偏差除以三相電壓幅值的平均值。本文模型采用的是電壓幅值平方進(jìn)行計(jì)算，對(duì)應(yīng)的電壓幅值平方不平衡度的范圍為6%。

3 模型求解

3.1 負(fù)荷和分布式電源出力的時(shí)序特性

在低壓配電網(wǎng)中用戶(hù)的負(fù)荷特性與光伏發(fā)電功率特性不一致，負(fù)荷高峰與光伏功率高峰在不同的時(shí)間段，導(dǎo)致低壓配電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)電壓在不同時(shí)刻發(fā)生顯著變化，在白天光伏發(fā)電過(guò)剩時(shí)段會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓升高，而在夜間重負(fù)荷時(shí)段則會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓降低。因此，為了保證分布式光伏接入后配電網(wǎng)的安全運(yùn)行,必須保證配電網(wǎng)電壓在任何時(shí)刻都不越限，在模型求解的過(guò)程中，需要了解配電網(wǎng)全天各個(gè)時(shí)段負(fù)荷和分布式電源的情況，考慮負(fù)荷和分布式電源出力的時(shí)序特性。

為了更好地把握電力負(fù)荷發(fā)展變化的情況，把負(fù)荷分為工業(yè)類(lèi)負(fù)荷、農(nóng)業(yè)類(lèi)負(fù)荷、商業(yè)類(lèi)負(fù)荷和居民負(fù)荷4類(lèi)。這4類(lèi)負(fù)荷的時(shí)序性各有特點(diǎn)，在春夏秋冬4季呈現(xiàn)出不同的規(guī)律性，負(fù)荷曲線(xiàn)見(jiàn)附錄A，圖A1，A2，A3，A4。

風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的出力大小主要由地理位置和氣候環(huán)境所決定，其出力大小具有明顯的時(shí)序特性。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的出力與風(fēng)力資源直接相關(guān)，不同季節(jié)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出力的時(shí)序特性曲線(xiàn)見(jiàn)附錄A，圖A5。光伏發(fā)電設(shè)備的出力與光照強(qiáng)度密切相關(guān)，光照強(qiáng)度受季節(jié)和天氣的影響，每個(gè)季節(jié)的光照強(qiáng)度曲線(xiàn)可以分為晴天、陰天和雨天3種情況，光伏發(fā)電設(shè)備出力的時(shí)序特性曲線(xiàn)見(jiàn)附錄A，圖A6。根據(jù)時(shí)序特性，形成春季晴天、春季陰天、春季雨天、夏季晴天、夏季陰天、夏季雨天、秋季晴天、秋季陰天、秋季雨天、冬季晴天、冬季陰天和冬季雨天共計(jì)12種場(chǎng)景，可以對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行一年的時(shí)序全過(guò)程模擬[20]。

3.2 求解步驟

步驟1：采用多目標(biāo)進(jìn)化算法求解低壓配電網(wǎng)的選址定容模型，得到分布式光伏的最大接入容量和低壓配電網(wǎng)電壓升高最小之間的關(guān)系，形成Pareto前沿。求解以運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)的中壓主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型，得到中壓主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的策略及該運(yùn)行策略下12個(gè)場(chǎng)景的VH時(shí)序特性。

步驟2：根據(jù)Pareto前沿分布式光伏接入容量對(duì)應(yīng)選址定容結(jié)果，計(jì)算出12個(gè)場(chǎng)景下低壓配電網(wǎng)最大和最小電壓值，確定發(fā)生電壓越限的場(chǎng)景，得到不考慮電壓調(diào)節(jié)情況下分布式光伏的最大接入容量。對(duì)于發(fā)生電壓越限的場(chǎng)景，結(jié)合變壓器分接頭的選擇和低壓配電網(wǎng)的允許電壓偏差，由公式（1）和（2）得到對(duì)應(yīng)場(chǎng)景下VH允許值范圍[VHmin，VHmax]。

步驟3：考慮中低壓配電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)，采用遺傳算法求解以VH最小為目標(biāo)函數(shù)的中壓主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型，得到VH時(shí)序特性；調(diào)節(jié)變壓器的分接頭，計(jì)算對(duì)應(yīng)的VH允許值范圍。綜合分析全部12種場(chǎng)景，得到考慮一種調(diào)壓方式和綜合兩種方式的低壓配電網(wǎng)分布式光伏最大接入容量。

4 算例及結(jié)果分析

4.1 算例說(shuō)明

中壓主動(dòng)配電網(wǎng)采用IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)構(gòu)如圖2所示。總負(fù)荷3.64+j2.23MVA，電壓基準(zhǔn)值12.66 kV，中壓主動(dòng)配電網(wǎng)中有大容量光伏電站、小容量光伏、大容量風(fēng)電場(chǎng)、小容量風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、可中斷負(fù)荷和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。分布式資源的具體參數(shù)見(jiàn)附錄B，表B1，B2，B3，B4所示，配電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)如附錄B圖B1所示。各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷類(lèi)型如下：21—25節(jié)點(diǎn)為工業(yè)負(fù)荷，30—33節(jié)點(diǎn)為農(nóng)業(yè)負(fù)荷，8—15節(jié)點(diǎn)為商業(yè)負(fù)荷，其余節(jié)點(diǎn)為居民負(fù)荷。

圖2 主動(dòng)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topological structure of active distribution network

中壓主動(dòng)配電網(wǎng)29節(jié)點(diǎn)與低壓配電網(wǎng)通過(guò)降壓變壓器相連，29節(jié)點(diǎn)的電壓即為VH。變壓器低壓側(cè)的額定電壓為0.4 kV，變壓器在高壓側(cè)有5個(gè)分接頭，分別為?5%、?2.5%、0、2.5%和5%。

參考IEEE22節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建22節(jié)點(diǎn)輻射型低壓配電網(wǎng)，電壓基準(zhǔn)值為380 V，低壓配電網(wǎng)中的負(fù)荷類(lèi)型均為居民負(fù)荷，本文假設(shè)在低壓配電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷大致相同，各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷在2.5~3.5 kVA之間隨機(jī)生成，各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的功率因數(shù)均為0.9，隨機(jī)生成的負(fù)荷總量為59.62+j28.88 kVA。低壓配電網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)均可以接入分布式光伏，可接入的容量為5、6、7、8、9、10 kW。

4.2 模型求解

采用多目標(biāo)進(jìn)化算法求解分布式光伏選址定容模型，得到分布式光伏接入容量和低壓配電網(wǎng)電壓升高之間的關(guān)系，形成Pareto前沿，如圖3所示，隨著分布式光伏接入容量的增加，低壓配電網(wǎng)的電壓升高就越明顯。

圖3 分布式光伏選址定容模型的Pareto前沿Fig.3 Pareto frontier of site selecting and capacity determining model of distributed PV power

以分布式光伏接入容量140 kW為例說(shuō)明求解過(guò)程，選址定容結(jié)果如表1所示。

表1 140 kW分布式光伏選址定容Table 1 Site selecting and capacity determining of 140 kW distributed PV power

求解中壓主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型，目標(biāo)函數(shù)為運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，得到12個(gè)場(chǎng)景下中壓主動(dòng)配電網(wǎng)以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)運(yùn)行的VH時(shí)序曲線(xiàn)。變壓器高壓側(cè)分接頭選擇2.5%，根據(jù)VH時(shí)序曲線(xiàn)和選址定容結(jié)果計(jì)算出在12個(gè)場(chǎng)景下低壓配電網(wǎng)最大和最小電壓的時(shí)序曲線(xiàn)，低壓配電網(wǎng)電壓偏差允許范圍為?10%~7%，判斷各場(chǎng)景電壓是否在此范圍內(nèi)，確定發(fā)生電壓越限的場(chǎng)景。對(duì)于發(fā)生電壓越限的場(chǎng)景，由公式（1）和（2）計(jì)算出VH允許值范圍[VHmin，VHmax]。在所有電壓越限的場(chǎng)景中，只列出場(chǎng)景1春季晴天的結(jié)果，如圖4所示。

圖4 V H值和V H允許值Fig.4 V H voltage value and V H allowable voltage value

由圖4可知，在時(shí)刻12，13，14處VH超過(guò)允許值的上限，低壓配電網(wǎng)發(fā)生電壓越限。在不考慮調(diào)壓的情況下，場(chǎng)景1春季晴天低壓配電網(wǎng)無(wú)法接納140 kW的分布式光伏。綜合分析所有選址定容結(jié)果，當(dāng)接入容量超過(guò)109 kW時(shí)出現(xiàn)電壓越限的場(chǎng)景。

對(duì)于發(fā)生電壓越限的場(chǎng)景，考慮采用電壓調(diào)節(jié)策略，調(diào)節(jié)中壓主動(dòng)配電網(wǎng)的可控設(shè)備和改變變壓器分接頭進(jìn)行調(diào)壓。求解中壓主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型，目標(biāo)函數(shù)為VH最小，得到新的VH時(shí)序曲線(xiàn)。負(fù)荷和分布式光伏的出力與季節(jié)相關(guān)，在不同的季節(jié)選擇不同的分接頭進(jìn)行調(diào)壓，一年中分接頭最多調(diào)整4次，對(duì)低壓配電網(wǎng)的運(yùn)行沒(méi)有影響，通過(guò)變壓器分接頭改變[VHmin，VHmax]，將變壓器分接頭由2.5%調(diào)整為5%，得到新的VH允許值范圍[VHmin，VHmax]。調(diào)壓后的結(jié)果如圖5所示。

對(duì)比圖4和圖5(a)，通過(guò)調(diào)整中壓主動(dòng)配電網(wǎng)的可控設(shè)備可以緩解VH升高，防止發(fā)生電壓越限，提高低壓配電網(wǎng)對(duì)分布式光伏的接納能力。對(duì)比圖4和圖5(b)，改變變壓器分接頭為5%，[VHmin，VHmax]的上限和下限均升高，使VH在[VHmin，VHmax]范圍內(nèi)，低壓配電網(wǎng)的電壓不發(fā)生越限。

圖5 調(diào)壓后V H值和V H允許值Fig.5 V H voltage value and V H allowable voltage value after voltage regulation

當(dāng)兩種調(diào)壓方式均可以采用時(shí)，對(duì)使用一種調(diào)壓方式依然發(fā)生電壓越限的場(chǎng)景，可以綜合兩種調(diào)壓方式，進(jìn)一步提高低壓配電網(wǎng)對(duì)分布式光伏的接納量。調(diào)壓后部分場(chǎng)景分布式光伏可接入的最大容量如表2所示。其余場(chǎng)景分布式光伏最大容量遠(yuǎn)大于表中的4個(gè)場(chǎng)景，對(duì)最終結(jié)果沒(méi)有影響因此省略。

表2 調(diào)壓后分布式光伏最大接入容量Table 2 Maximum admitted capacity of distributed photovoltaic power after voltage regulation

由表2可得分布式光伏最大接入容量為156 kW，選址定容結(jié)果如表3所示。

表3 156 kW分布式光伏選址定容Table 3 Site selecting and capacity determining of 156 kW Distributed photovoltaic power

綜合上述結(jié)果，得到在不同情況下配電網(wǎng)可接納的分布式光伏最大容量及滲透率[21]，考慮中低壓配電網(wǎng)的配合，利用中壓主動(dòng)配電網(wǎng)的調(diào)控能力和變壓器分接頭的調(diào)整，提升了低壓配電網(wǎng)接納分布式光伏能力，結(jié)果如表4所示。

表4 分布式光伏接入容量及滲透率Table 4 Admitted capacity and permeability of distributed PV power

4.3 中壓主動(dòng)配電網(wǎng)電壓的影響

仍以場(chǎng)景1春季晴天分布式光伏接入140 kW為例，說(shuō)明分布式光伏接入和調(diào)節(jié)可控設(shè)備調(diào)壓對(duì)中壓主動(dòng)配電網(wǎng)電壓的影響，如圖6所示，(a)、(b)、(c)分別為分布式光伏接入低壓配電網(wǎng)前、分布式光伏接入后、調(diào)壓后的中壓主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓水平。

相較于中壓配電網(wǎng)的負(fù)荷和已有的分布式電源容量，低壓配電網(wǎng)接入的140 kW分布式光伏的容量很小，對(duì)中壓配電網(wǎng)整體電壓影響很小，對(duì)比圖6(a)和圖6(b)，中壓配電網(wǎng)的電壓基本沒(méi)有發(fā)生變化，只對(duì)接入的29節(jié)點(diǎn)電壓即VH和周?chē)?jié)點(diǎn)有電壓的抬升作用，在中午光伏大發(fā)時(shí)段比較明顯，如表5所示。但接入140 kW分布式光伏會(huì)導(dǎo)致低壓配電網(wǎng)電壓越限，中壓主動(dòng)配電網(wǎng)通過(guò)調(diào)節(jié)可控設(shè)備的運(yùn)行方式降低電壓，不僅降低了VH，對(duì)比圖6(b)和圖6(c)，中壓主動(dòng)配電網(wǎng)在中午時(shí)段電壓整體降低，全天的電壓波動(dòng)明顯減小。由表6電壓總偏差可知，分布式光伏的接入使電壓總偏差降低，但影響很??；調(diào)節(jié)可控設(shè)備調(diào)壓后，中壓主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓總偏差大幅降低，提升了配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和電能質(zhì)量。

圖6 中壓主動(dòng)配電網(wǎng)電壓Fig.6 Voltage of medium-voltage active distribution network

表5 中午光伏大發(fā)時(shí)段V H值Table 5 VH value of peak distributed PV generation at noon

表6 電壓總偏差Table 6 Total voltage deviation

4.4 負(fù)荷的影響

改變22節(jié)點(diǎn)低壓配電網(wǎng)的負(fù)荷，各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷分別在1.5 kVA~2.5 kVA、2 kVA~3 kVA、2.5 kVA~3.5 kVA、3 kVA~4 kVA之間隨機(jī)生成，計(jì)算不同負(fù)荷低壓配電網(wǎng)接入的分布式光伏容量及滲透率，結(jié)果如表7所示。

表7 分布式光伏接入容量及滲透率Table 7 Admitted capacity and permeability of distributed PV power

為應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的低壓配電網(wǎng)電壓升高導(dǎo)致電壓越限的問(wèn)題，變壓器應(yīng)選擇盡可能大的分接頭，而變壓器分接頭的選擇和負(fù)荷量密切相關(guān)，由負(fù)荷和光伏出力的時(shí)序特性可知，在夜間負(fù)荷達(dá)到高峰時(shí)，光伏出力接近于零，低壓配電網(wǎng)電壓呈現(xiàn)由首端到末端逐漸減低的趨勢(shì)，如果變壓器分接頭選擇太大可能會(huì)出現(xiàn)電壓越下限的情況。在負(fù)荷較小時(shí)變壓器分接頭可以始終保持在5%，只能調(diào)節(jié)中壓主動(dòng)配電網(wǎng)中的可控設(shè)備提高分布式光伏的接入量，如表7編號(hào)1。隨著低壓配電網(wǎng)中負(fù)荷增大，變壓器保持5%不變會(huì)出現(xiàn)夜間電壓越下限的場(chǎng)景，無(wú)法滿(mǎn)足全年12個(gè)場(chǎng)景的電壓約束，可以在不同季節(jié)改變變壓器分接頭調(diào)壓，如表7編號(hào)2和3，在春、秋、冬3季選擇分接頭5%，在夏季選擇分接頭2.5%。低壓配電網(wǎng)中負(fù)荷進(jìn)一步增大，變壓器分接頭在各季節(jié)的選擇也隨之發(fā)生變化，如表7編號(hào)4，在春、秋、冬3季選擇分接頭2.5%，在夏季選擇分接頭0。

由表7可得，隨著配電網(wǎng)中負(fù)荷量的增加，配電網(wǎng)中分布式光伏的最大接入容量呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性，但滲透率不斷降低。在變壓器分接頭選擇相同的情況下，低壓配電網(wǎng)負(fù)荷越大，其自身所能消納的分布式光伏所發(fā)的電能就越多，因此可接納更多的分布式光伏，如編號(hào)2和編號(hào)3。將編號(hào)2和3看成一個(gè)整體，雖然從編號(hào)1到4負(fù)荷逐漸增大，但變壓器分接頭的選擇為5%，2.5%和0，分接頭的選擇越來(lái)越小，制約了低壓配電網(wǎng)在光伏大發(fā)時(shí)應(yīng)對(duì)電壓升高的能力，導(dǎo)致分布式光伏的接入量大幅降低。結(jié)合不同負(fù)荷情況下可以采用的調(diào)壓方式，改變變壓器分接頭進(jìn)行調(diào)壓受低壓配電網(wǎng)負(fù)荷的影響，在負(fù)荷較小時(shí)不存在調(diào)節(jié)變壓器分接頭的調(diào)壓方式；運(yùn)用中壓主動(dòng)配電網(wǎng)的可控設(shè)備進(jìn)行VH調(diào)節(jié)只與中壓配電網(wǎng)中的可控設(shè)備有關(guān)，不受低壓配電網(wǎng)中負(fù)荷的影響。由于變壓器分接頭檔位不連續(xù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，用中壓配電網(wǎng)的可控設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，但會(huì)犧牲配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。提高低壓配電網(wǎng)分布式光伏的接納量是本文的首要目標(biāo)，在根據(jù)低壓配電網(wǎng)中負(fù)荷量選擇最優(yōu)的分接頭的基礎(chǔ)上，結(jié)合中壓主動(dòng)配電網(wǎng)的可控設(shè)備進(jìn)行調(diào)壓，能夠最大限度的提高低壓配電網(wǎng)對(duì)分布式光伏的接納能力同時(shí)保證配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

1）相較于只考慮低壓配電網(wǎng)單一電壓等級(jí)不考慮調(diào)壓的情況，調(diào)節(jié)中壓配電網(wǎng)中的可控設(shè)備和變壓器的分接頭均可以緩解高比例分布式光伏接入導(dǎo)致的電壓越限問(wèn)題，提高低壓配電網(wǎng)所能接納的分布式光伏容量。

2）低壓配電網(wǎng)分布式光伏接入導(dǎo)致的潮流倒送對(duì)中壓主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓影響很小，只是使接入點(diǎn)和周?chē)?jié)點(diǎn)電壓略有抬升；調(diào)節(jié)可控設(shè)備調(diào)壓不僅降低了VH，還使中壓主動(dòng)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)明顯減小，電壓總偏差大幅降低。

3）負(fù)荷通過(guò)影響低壓配電網(wǎng)分布式光伏消納和變壓器分接頭的選擇影響低壓配電網(wǎng)接納分布式光伏的能力。在分接頭一定時(shí)，負(fù)荷越大，分布式光伏接納量越大；當(dāng)負(fù)荷增大導(dǎo)致分接頭的選擇發(fā)生變化時(shí)，負(fù)荷越大，變壓器變比越小，分布式光伏接納量越小。

（本刊附錄請(qǐng)見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)版，印刷版略）

附錄A

附圖A1工業(yè)負(fù)荷的日出力時(shí)序特性曲線(xiàn)Fig.A1 Timing characteristics of daily power output of industrial load

附圖A2農(nóng)業(yè)負(fù)荷的日出力時(shí)序特性曲線(xiàn)Fig.A2 Timing characteristics of daily power output of agricultural load

附圖A3居民負(fù)荷的日出力時(shí)序特性曲線(xiàn)Fig.A3 Timing characteristics of daily power output of resident load

附圖A4商業(yè)負(fù)荷的日出力時(shí)序特性曲線(xiàn)Fig.A4 Timing characteristics of daily power output of commerical load

附圖 A5風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的日出力時(shí)序特性曲線(xiàn)Fig.A5 Timing characteristics of daily power output of wind generators

附圖 A6 光伏發(fā)電設(shè)備的日出力時(shí)序特性曲線(xiàn)Fig.A6 Timing characteristics of daily power output of photovoltaic generators

附錄B

圖B1分時(shí)電價(jià)Fig.B1 Time sharing price

表B1分布式發(fā)電單元參數(shù)Table B1 Parameters of distributed generators

表B2儲(chǔ)能參數(shù)Table B2 Parameters of battery storage

表B3可中斷負(fù)荷參數(shù)Table B3 Parameters of interuptible loads

表B4可投切電容器組參數(shù)Table B4 Parameters of switchable capacitor banks