分布式光伏接入對地市配電網(wǎng)調(diào)控運行的影響研究

滿忠誠, 程青青, 王 磊, 劉新山, 李 丹

(國網(wǎng)宿遷供電公司, 江蘇 宿遷 223800)

0 引言

近年來，隨政府政策激勵，我國分布式光伏接入電網(wǎng)快速發(fā)展[1,2]。在全國范圍內(nèi)，截至2020年底，我國分布式光伏發(fā)電累計裝機容量7 831萬千瓦，占太陽能發(fā)電總裝機容量的31%，同比增長25%[3]。分布式光伏的大量接入，使得配電網(wǎng)從傳統(tǒng)無源網(wǎng)絡向有源網(wǎng)絡轉(zhuǎn)變，必然對傳統(tǒng)電網(wǎng)產(chǎn)生影響，如就地消納承載力不足、設備電壓升高越限、系統(tǒng)調(diào)峰困難等[4-6]。為應對分布式光伏接入對電網(wǎng)的影響，文獻[7]提出了長時間尺度下考慮電壓越限風險的配電網(wǎng)無功優(yōu)化調(diào)度模型，有效降低光伏并網(wǎng)引起的電壓越限問題；文獻[8]通過雙層優(yōu)化模型改善傳統(tǒng)電網(wǎng)集中式控制的不足；文獻[9]引入時段解耦動態(tài)模型來提高系統(tǒng)無功優(yōu)化效果。本文將從分布式光伏接入對地市配電網(wǎng)調(diào)控運行的角度，分析分布式光伏接入對地市配電網(wǎng)的影響、地市配電網(wǎng)承載力的影響因素和評估流程，并給出算例，提出配電網(wǎng)調(diào)控應對分布式光伏接入的建議和舉措。

1 分布式光伏發(fā)電運行特性

1.1 出力特性

光伏電源具有“白天發(fā)電，晚上停發(fā)”的典型特點，具有明顯的時段性和波動性。圖1展示了某地市某日負荷曲線與光伏出力曲線對比，可以看出，光伏出力隨時間變化，具有顯著時段性。

光照變化可使光伏電站輸出功率在一個小時內(nèi)驟降50%以上。圖2展示了某地市某光伏電站的日負荷出力情況。受天氣影響，光伏出力的波動性較大，以12時為例，偶爾多云、多云天氣的出力情況不足晴天出力的50%。

圖2 某地市某光伏發(fā)電典型日出力特性

從月度數(shù)據(jù)來看，華東地區(qū)光伏發(fā)電出力呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特性，春秋季發(fā)電較多，如圖3所示。不同地區(qū)受經(jīng)緯度和氣候影響，年度出力特性有所差別。

圖3 華東某分布式光伏發(fā)電年出力特性

1.2 電能質(zhì)量特性

當前分布式光伏接入電網(wǎng)會引起配電網(wǎng)電壓波動和閃變、直流注入超標等電能質(zhì)量問題。分布式光伏并網(wǎng)造成的諧波主要以3次、5次、7次為主。選取某典型臺區(qū)，臺變?nèi)萘繛?00 kVA，光伏并網(wǎng)額定容量為126 kW，測試點三相逆變器額定功率為20 kW，測試其在不同出力條件下輸入電流各次諧波含有率，如圖4所示。

圖4 分布式光伏三相并網(wǎng)電壓諧波含量

2 分布式光伏接入對配電網(wǎng)調(diào)控運行的影響

分布式光伏點多面廣，暫未實現(xiàn)可觀可測可控，給配電網(wǎng)調(diào)度控制帶來很大挑戰(zhàn)。

(1)增大配電網(wǎng)的短路電流水平，可能出現(xiàn)短路電流水平超標，擴大故障范圍。在配電網(wǎng)故障時，分布式電源將提供短路電流，提高配電網(wǎng)的短路電流水平，容易導致斷路器因開斷能力不足而不能有效切除故障，從而使故障范圍擴大，增加停電時戶數(shù)，降低用戶的供電可靠性。

(2)影響短路電流分布，引起保護裝置拒動和誤動，增加調(diào)控協(xié)調(diào)難度。中低壓配電網(wǎng)為輻射型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，保護多采用三段式過流保護。分布式多電源接入后，配電網(wǎng)的故障電流的大小、持續(xù)時間及方向都將發(fā)生改變，容易導致繼電過流保護配合失誤。

(3)電壓波動閃變等電能質(zhì)量問題降低用戶供電可靠性，配網(wǎng)調(diào)控容易引起用戶投訴。受自然因素影響，分布式光伏出力的隨機性，易造成電網(wǎng)電壓波動和閃變。近年來，高精端電子、服務行業(yè)的用電可靠性要求逐步提高，用戶對電能質(zhì)量異常感知明顯。電壓暫降引起用戶失電或造成用戶產(chǎn)品出現(xiàn)瑕疵的案例屢見不鮮，這會為電網(wǎng)調(diào)控專業(yè)帶來用戶投訴風險。

3 分布式光伏對地市配電網(wǎng)承載力評估方法分析

配電網(wǎng)承載力是指在設備持續(xù)不過載和短路電流、電壓偏差、諧波不超標條件下，配電網(wǎng)接納分布式電源的最大容量,可用來評估區(qū)域消納能力。

3.1 地市配電網(wǎng)承載力的影響因素和評估流程

配電網(wǎng)承載力受多種因素影響。(1)配電網(wǎng)用電負荷水平及局部電力電量平衡情況。分布式光伏接入會讓地區(qū)供電從主電網(wǎng)下送潮流變小，甚至出現(xiàn)配電網(wǎng)向主網(wǎng)潮流倒送的情況，部分220 kV主變甚至反向超載，導致地區(qū)網(wǎng)供負荷特性發(fā)生變化。目前分布式光伏缺乏有效的監(jiān)測、預測和調(diào)節(jié)手段，不參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓，影響電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。且由于分布式光伏發(fā)電具有間歇性、波動性、隨機性的特點，加大電網(wǎng)方式計劃安排的不確定性。(2)分布式光伏接入引起的電能質(zhì)量不達標等情況。分布式光伏大規(guī)模并網(wǎng)，易產(chǎn)生電網(wǎng)電壓波動、諧波污染、三相不平衡等問題。(3)省級主網(wǎng)和跨省跨區(qū)消納能力也是配電網(wǎng)承載力的制約因素之一。隨著分布式光伏的不斷發(fā)展，其對電網(wǎng)的影響已呈現(xiàn)從配電網(wǎng)到主網(wǎng)延伸的趨勢，分布式光伏若大規(guī)模發(fā)展，疊加集中式新能源，將導致省級電網(wǎng)調(diào)峰能力和輸送能力不足，分布式光伏接入電網(wǎng)承載力的容量必然會降低。

根據(jù)《分布式電源接入電網(wǎng)承載力評估技術(shù)導則》相關(guān)計算規(guī)定，分布式光伏接入配電網(wǎng)承載力評估流程如圖5所示[10]。

圖5 分布式光伏接入電網(wǎng)承載力評估流程圖

3.2 評估算例分析

選取2021年4月25日為典型日，對某地市電網(wǎng)50個220 kV主變供電區(qū)域逐一開展計算，構(gòu)建供電區(qū)域內(nèi)220 kV～10 kV網(wǎng)絡拓撲，在待評估區(qū)域電網(wǎng)正常運行方式下，開展熱穩(wěn)定計算分析，校核短路電流和電壓偏差，確定待評估區(qū)域反向負載率及可新增分布式電源容量，并根據(jù)計算結(jié)果將供電區(qū)域劃分為分布式電源接入綠色(推薦接入)、黃色(可以接入)、紅色(暫停接入)區(qū)域。主要計算結(jié)果如下：

從分布式電源可新增總量來看，某地市總計可新增1 214.84 MW，同比增長3.53%。按供電區(qū)域來看，某地市電網(wǎng)共有50個220 kV主變供電區(qū)域，計算結(jié)果表明，主變最大反向負載率均小于0，總計可新增分布式電源容量占2021年調(diào)度最高負荷26.13%。

從電壓等級來看，某地市110 kV和10 kV母線分布式電源可新增容量較大。按母線來看，220 kV母線可新增1 214.84 MW，110 kV母線可新增5 755.86 MW，35 kV母線可新增1 232.98 MW，20 kV母線可新增1 120.39 MW，10 kV母線可新增6 378.42 MW。其中部分10/20 kV母線存在由于短路電流超標而限制接入的情況，詳情如表1所示。

表1 分布式光伏可新增容量統(tǒng)計

4 配電網(wǎng)調(diào)控應對分布式光伏接入的建議舉措

(1)優(yōu)化保護整定計算原則。在配電網(wǎng)保護整定方面，應考慮分布式光伏接入容量占該區(qū)域最大負荷的比例，以及分布式光伏的接入位置。

(2)進一步提升負荷精細化預測水平。統(tǒng)籌考慮地區(qū)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整、客戶報裝、氣象變化等因素，運用大數(shù)據(jù)理論和科學模型，滾動做好日前及中長期負荷預測和研判工作。

(3)建設分布式光伏消納能力實時監(jiān)視系統(tǒng)，評估區(qū)域消納能力。部署動態(tài)監(jiān)測裝置，強化源荷辨識和協(xié)同控制，實現(xiàn)負荷精準控制，減少故障停電影響范圍。

(4)推動開發(fā)分布式光伏項目建設監(jiān)控系統(tǒng)。參照集中式光伏，統(tǒng)一接入電網(wǎng)調(diào)度控制平臺，滿足實時和動態(tài)運行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制和調(diào)度管理要求。對于接入中低壓的分布式光伏項目，發(fā)揮新一代配電自動化系統(tǒng)、新型臺區(qū)智能融合終端、用電信息采集系統(tǒng)實時感知優(yōu)勢，實現(xiàn)全電壓等級可觀、可測、可控。

(5)建設電網(wǎng)調(diào)度新能源支撐系統(tǒng)，完善開發(fā)分布式光伏功率預測、自動控制、運行評估和調(diào)度管理等功能模塊。結(jié)合新型電力系統(tǒng)構(gòu)建，推動抽水蓄能、燃氣輪機、新型儲能等靈活性調(diào)節(jié)資源建設，提升電網(wǎng)調(diào)峰與消納能力。加強需求側(cè)管理，擴大可調(diào)節(jié)負荷規(guī)模，提升響應能力，以需求側(cè)柔性應對供應側(cè)不確定性。

(6)加快分布式光伏“群控群調(diào)”?，F(xiàn)有的配電網(wǎng)控制運行系統(tǒng)，以無源網(wǎng)的特點進行系統(tǒng)設計，對分布式光伏缺少優(yōu)化調(diào)度手段，不具備調(diào)控功能。為進一步推動分布式光伏的可觀、可測、可控，需對分布式光伏開展群控群調(diào)，提出更有效的優(yōu)化調(diào)度模式，切實提高配電網(wǎng)消納分布式光伏的能力。

5 結(jié)論

分布式光伏的大規(guī)模接入將給地區(qū)電網(wǎng)調(diào)控運行等方面帶來較大影響。為應對高滲透率分布式光伏接入引起的電網(wǎng)運行問題，應加強配電網(wǎng)的信息化建設，精細電網(wǎng)負荷預測水平，推動分布式光伏“群控群調(diào)”，提高電網(wǎng)調(diào)度控制能力。建議定期開展配電網(wǎng)承載計算，逐步建立分布式光伏有序發(fā)展的評估預警機制，確保分布式光伏與電網(wǎng)、負荷的協(xié)調(diào)發(fā)展，在現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)上最大限度接納分布式光伏。