基于RTDS建模的分布式光伏對配電網(wǎng)影響研究

龍雪梅，嚴(yán)亞兵，丁禹，歐陽宗帥，賀思林

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

0 引言

為實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，光伏等新能源將大規(guī)模接入電網(wǎng)。截至2020年底，湖南電網(wǎng)的光伏裝機(jī)容量為390.7萬kW。根據(jù)規(guī)劃，到2030年和2060年湖南電網(wǎng)的光伏裝機(jī)容量將達(dá)到3 000萬kW和6 000萬kW。國家能源局綜合司明確提出開展整縣推進(jìn)屋頂分布式光伏建設(shè)工作。大量分布式光伏并網(wǎng)會給配電網(wǎng)帶來過電壓、故障時電流減小、保護(hù)拒動等諸多挑戰(zhàn)[1－3]。因此有必要從電壓、電流和繼電保護(hù)角度分析大規(guī)模分布式光伏接入配電網(wǎng)所產(chǎn)生的影響。

目前，已有不少文獻(xiàn)針對光伏接入配電網(wǎng)開展了研究，針對分布式光伏配電網(wǎng)中的電壓問題，文獻(xiàn)[4－7]分析了影響配電網(wǎng)電壓波動的主要因素以及不對稱故障下分布式光伏低電壓穿越期間的諧波特性。文獻(xiàn)[8－9]考慮電壓等因素研究了光伏并網(wǎng)的最大容量問題。對于故障特性這一方面，文獻(xiàn)[10－11]通過建立光伏和配電網(wǎng)的仿真模型、故障仿真，分析了含分布式光伏配電網(wǎng)的故障特性以及光伏接入對短路電流的影響，并研究了光伏系統(tǒng)接入位置、接入容量對電網(wǎng)電壓和系統(tǒng)網(wǎng)損影響。關(guān)于繼電保護(hù)，文獻(xiàn)[12－14]研究了分布式光伏接入配電網(wǎng)后對繼電保護(hù)的影響及解決措施。文獻(xiàn)[15]針對重合閘問題，考慮光伏容量、本地負(fù)荷和故障位置討論了光伏接入對于重合閘的影響，并給出了分布式光伏接入配電網(wǎng)的重合閘配置方式。文獻(xiàn)[16－22]分別從潮流、諧波、網(wǎng)損、電能質(zhì)量、風(fēng)險評估幾個方面綜述了分布式光伏接入配電網(wǎng)的影響。

本文主要針對分布式光伏接入配電網(wǎng)后對電壓、電流和繼電保護(hù)產(chǎn)生的影響展開研究，以便更好地推進(jìn)分布式光伏接入配電網(wǎng)。

根據(jù)配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)和分布式光伏系統(tǒng)，建立基于RTDS的分布式光伏接入配電網(wǎng)仿真模型，并仿真得到分布式光伏在不同滲透率、不同位置發(fā)生不同類型故障時的配電網(wǎng)情況，進(jìn)而從電壓、電流和繼電保護(hù)三個角度分析分布式光伏接入配電網(wǎng)以后所帶來的影響以及改進(jìn)措施。

1 基于RTDS的分布式光伏接入配電網(wǎng)仿真模型

典型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，分布式光伏通過DYn11變壓器接入10 kV配電網(wǎng)，系統(tǒng)主要設(shè)備及模型參數(shù)見表1。

圖1 分布式光伏接入配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)

表1 系統(tǒng)參數(shù)表

基于RTDS仿真平臺搭建分布式光伏接入配電網(wǎng)的系統(tǒng)仿真圖，含分布式光伏的配電網(wǎng)仿真圖如圖2所示。

圖2 基于RTDS的含分布式光伏配電網(wǎng)仿真圖

2 分布式光伏對配電網(wǎng)電壓與電流的影響

2.1 分布式光伏滲透率對電壓與電流的影響

分析分布式光伏不同滲透率對配電網(wǎng)母線電壓、光伏接入點(diǎn)高壓側(cè)S2電壓和線路末端高壓側(cè)S3電壓的影響，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 分布式光伏不同滲透率時的配電網(wǎng)電壓

根據(jù)圖3可知，分布式光伏的接入對光伏接入點(diǎn)和線路末端的電壓有抬升作用，并且滲透率越高，電壓抬升的程度越明顯，分布式光伏對母線電壓無影響。分布式光伏的接入有助于改善遠(yuǎn)距離供電線路末端負(fù)荷的低電壓問題。如果分布式光伏滲透率較高，光伏接入點(diǎn)附近的用戶可能面臨過電壓問題。

分布式光伏不同滲透率時，斷路器K0—K6的電流分別為Ik0—Ik6，如圖4所示。

圖4 分布式光伏不同滲透率時的配電網(wǎng)電流

根據(jù)圖4可知，分布式光伏接入配電網(wǎng)以后，由于分布式光伏提供能量，所以系統(tǒng)提供的能量有所減少，系統(tǒng)電流I0減小，同時光伏接入點(diǎn)上游K2的電流I2也減小，并且光伏滲透率越大，系統(tǒng)電流減小的越多。當(dāng)滲透率達(dá)到一定程度后，配電網(wǎng)將由從系統(tǒng)獲取電量轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳到y(tǒng)提供電量，流過K0、K2的電流方向?qū)l(fā)生轉(zhuǎn)向，具體由負(fù)荷以及光伏輸出功率大小決定。由圖4可知，光伏接入線路從由系統(tǒng)提供電量轉(zhuǎn)變?yōu)橛晒夥峁┠芰浚虼薑3的電流幅值從逐漸減小到逐漸增大，電流方向從流向用戶到流向母線。分布式光伏接入后對相鄰線路K1、光伏接入點(diǎn)下游K4、K5、K6的電流無明顯影響。

2.2 故障時分布式光伏對電壓與電流的影響

當(dāng)分布式光伏滲透率為30%時，分析在相鄰線路Ⅰ、光伏接入點(diǎn)上游Ⅱ、光伏接入點(diǎn)下游Ⅲ發(fā)生單相接地故障、相間短路故障、三相短路故障時，分布式光伏對配電網(wǎng)電壓和電流的影響。當(dāng)配電網(wǎng)沒有發(fā)生故障時的電壓和電流見表2。由于斷路器K4和K6無跳閘功能，僅設(shè)置故障時告警，所以分析時忽略。

表2描述了光伏接入以后配電網(wǎng)電壓和電流的變化情況，分布式光伏接入配電網(wǎng)使光伏接入點(diǎn)電壓和線路末端電壓抬升，使電網(wǎng)提供的電流、光伏接入點(diǎn)上游電流減小，使光伏所在線路和光伏接入點(diǎn)下游電流增大。分布式光伏接入配電網(wǎng)對母線電壓和相鄰線路電流無影響。

表2 無故障時配電網(wǎng)電壓和電流大小

2.2.1 單相接地故障

當(dāng)配電網(wǎng)單相接地故障發(fā)生在不同位置時，有無分布式光伏接入的故障相電壓和故障相電流見表3、表4。

表3 單相接地故障時有無分布式光伏的配電網(wǎng)電壓大小

表4 單相接地故障時有無分布式光伏的配電網(wǎng)電流大小

分析表2—4可知，光伏的相鄰線路發(fā)生單相接地故障以后，分布式光伏接入使母線電壓抬升，使光伏接入點(diǎn)和線路末端電壓下降。光伏接入點(diǎn)上游發(fā)生單相接地故障以后，由于無故障時分布式光伏出力使上游電流減小，所以故障時母線電壓下降。光伏接入后使光伏接入點(diǎn)和線路末端電壓上升。光伏接入點(diǎn)下游發(fā)生單相接地故障以后，光伏接入使母線電壓、光伏接入點(diǎn)電壓和線路末端電壓下降。無論單相接地故障發(fā)生的位置改變，配電網(wǎng)電流的變化情況都不受分布式光伏接入的影響。

2.2.2 相間短路故障

當(dāng)配電網(wǎng)相間短路故障發(fā)生在不同位置時，有無分布式光伏接入配電網(wǎng)的最低電壓和最大電流見表5、表6。

表5 相間短路故障時有無分布式光伏的配電網(wǎng)電壓大小

表6 相間短路故障時有無分布式光伏的配電網(wǎng)電流大小

分析表2、表5、表6可知，光伏的相鄰線路發(fā)生相間短路故障以后，由于分布式光伏的出力，使母線電壓、光伏接入點(diǎn)電壓和線路末端電壓增大。光伏接入點(diǎn)上游相間短路以后，由于光伏出力使上游電流減小，所以母線電壓下降，光伏接入點(diǎn)電壓和線路末端電壓增大。光伏接入點(diǎn)下游發(fā)生相間短路故障以后，由于故障距離母線較遠(yuǎn)，所以分布式光伏接入對母線電壓幾乎無影響，使光伏接入點(diǎn)電壓和線路末端電壓增大。無論相間短路故障位置是否改變，分布式光伏接入后都使系統(tǒng)電流、光伏接入點(diǎn)上游電流減小，使光伏所在線路電流增大，但對相鄰線路電流和光伏接入點(diǎn)下游電流無影響。

當(dāng)相間短路發(fā)生在Ⅱ位置時，分布式光伏接入以后，因為光伏需要輸出功率，所以使所在線路故障相電流的相位從同向變?yōu)榉聪?，如圖5、圖6所示。

圖5 無分布式光伏時流經(jīng)斷路器K3的電流

圖6 有分布式光伏時流經(jīng)斷路器K3的電流

2.2.3 三相短路故障

當(dāng)配電網(wǎng)三相短路故障發(fā)生在不同位置時，有無分布式光伏接入的故障電壓和故障電流見表7、表8。

表7 三相短路故障時有無分布式光伏的配電網(wǎng)電壓大小

表8 三相短路故障時有無分布式光伏的配電網(wǎng)電流大小

分析表2、表7、表8可知，光伏的相鄰線路發(fā)生三相短路故障以后，分布式光伏接入使母線電壓、光伏接入點(diǎn)電壓和線路末端電壓抬升。光伏接入點(diǎn)上游發(fā)生三相短路故障以后，由于故障使光伏孤島運(yùn)行，因此光伏對電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)無影響，光伏系統(tǒng)中的電壓有所下降，并且電壓有所波動。光伏接入點(diǎn)下游發(fā)生三相短路故障以后，因為故障距離母線較遠(yuǎn)，所以分布式光伏對母線電壓無明顯影響，光伏接入使光伏接入點(diǎn)電壓和線路末端電壓抬升。

光伏相鄰線路發(fā)生三相短路故障以后，分布式光伏接入時光伏會向電網(wǎng)側(cè)提供電流，使光伏接入點(diǎn)上游電流幅值增大、方向反向。光伏接入點(diǎn)上游發(fā)生三相短路故障以后，由于故障使光伏孤島運(yùn)行，因此光伏對電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)幾乎無影響，但光伏系統(tǒng)的頻率可能失穩(wěn)。光伏接入點(diǎn)下游發(fā)生三相短路故障以后，流過斷路器K2的短路電流I如式(1)所示，由于光伏對故障電流具有分流作用，由系統(tǒng)提供的故障電流I隨著分布式光伏Ipv的增大而減小。

式中，母線電壓為E，分布式光伏輸出的電流為Ipv，等效系統(tǒng)阻抗為Xs，各線路的阻抗為X1、X2、X3、X4、X5、X6，如圖1所示。

無論三相短路故障發(fā)生的位置改變，分布式光伏接入后都使系統(tǒng)電流減小，使光伏所在線路電流幅值增大，對相鄰線路電流和光伏接入點(diǎn)下游電流無影響。

3 分布式光伏對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

3.1 過流保護(hù)

當(dāng)分布式光伏接入點(diǎn)下游發(fā)生相間短路或三相短路故障時，分布式光伏的接入會使光伏接入點(diǎn)上游的短路電流減小。當(dāng)系統(tǒng)處于最小運(yùn)行方式時，線路末端相間短路的故障電流最小，如果此時過渡電阻較大，分布式光伏的滲透率較高，光伏接入點(diǎn)上游的短路電流減小得多，可能使短路電流減小到繼電保護(hù)整定值以下，導(dǎo)致線路過流保護(hù)Ⅱ段拒動。

3.2 重合閘

當(dāng)故障發(fā)生后，在保護(hù)跳閘到重合閘這個時間段，若分布式光伏防孤島保護(hù)未動作，則極有可能發(fā)生非同期合閘，產(chǎn)生較大沖擊電流影響一次設(shè)備，或?qū)е轮睾祥l失敗。因此，當(dāng)分布式光伏滲透率高時，需要重新整定重合閘的動作時間，保證分布式光伏的防孤島保護(hù)動作后再進(jìn)行重合閘。

3.3 其他繼電保護(hù)

對于配電網(wǎng)的其他繼電保護(hù)，由于故障期間分布式光伏最多只能提供1.5倍額定電流的故障電流，光伏可以提供的故障電流有限，即使流經(jīng)斷路器的電流反向也不會使繼電保護(hù)動作，因此分布式光伏不會對其他繼電保護(hù)動作產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

1)電壓方面:分布式光伏接入配電網(wǎng)會抬升整體的電壓水平，光伏接入點(diǎn)附近用戶可能面臨過電壓問題。三相短路故障發(fā)生在光伏接入點(diǎn)上游會導(dǎo)致光伏孤島運(yùn)行，使光伏所在配網(wǎng)的電壓和頻率失穩(wěn)。

2)電流方面:分布式光伏接入配電網(wǎng)后，會使電網(wǎng)提供的電流減小，使光伏所在線路和光伏接入點(diǎn)上游線路電流減小甚至反向增大，使光伏接入點(diǎn)下游線路的電流略微增大，對相鄰線路電流無影響。光伏接入配網(wǎng)后故障線路的短路電流將增大。

3)繼電保護(hù)方面:光伏接入配電網(wǎng)以后，下游發(fā)生故障時電網(wǎng)提供的故障電流會降低，可能造成線路出口斷路器拒動，需要重新計算過流保護(hù)整定值。分布式光伏接入后可能造成線路故障時的重合閘失敗，需要重新整定重合閘的動作時間。分布式光伏接入對配電網(wǎng)其他繼電保護(hù)無影響。