大規(guī)模分布式光伏接入對城市配電網(wǎng)的影響

夏敏浩，趙萬劍，王 樂，葉誠明

(1.國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，上海 200233； 2.國網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司，上海 201600；3.上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200025)

城市土地相對稀缺，大規(guī)模風(fēng)電建設(shè)難以實現(xiàn)，因此分布式光伏發(fā)電成為了城市綠色能源發(fā)展的首選。分布式光伏發(fā)電是指在用戶場地附近建設(shè)，運行方式以用戶側(cè)自發(fā)自用為主、多余電量上網(wǎng)，并且在配電系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)為特征的光伏發(fā)電設(shè)施。分布式光伏發(fā)電在城市中建設(shè)的主要形式有屋頂光伏或建筑一體化光伏(BIPV)。

隨著分布式光伏接入容量的增加，大規(guī)模光伏接入對城市配電網(wǎng)潮流、電壓、短路電流、電能質(zhì)量、保護配置等均會造成不同程度的影響[1-4]。分布式光伏還未大規(guī)模發(fā)展，針對分布式光伏接入對配電網(wǎng)影響的研究大多仍以理論研究為主。文獻[5]以節(jié)點電壓越限和線路潮流越限為風(fēng)險評估指標，建立了配電網(wǎng)運行風(fēng)險評估模型，給出了大規(guī)模分布式光伏接入配電網(wǎng)風(fēng)險評估的具體實施步驟，提出針對性的風(fēng)險應(yīng)對措施。文獻[6]對冀北地區(qū)大規(guī)模分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)對配電網(wǎng)諸多方面的影響及對策進行了一定深度的闡述。文獻[7]介紹了分布式光伏接入方式及運行特點，并從電壓分布、繼電保護、配電網(wǎng)運行監(jiān)控、配電網(wǎng)規(guī)劃和配電網(wǎng)運行經(jīng)濟性等方面分析了分布式光伏發(fā)電對配電網(wǎng)的影響。文獻[8]從潮流、電能質(zhì)量和保護方面分析了分布式光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響。文獻[9]分析了分布式光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)潮流和網(wǎng)損的影響，并提出了相應(yīng)的對策措施。文獻[10]通過對配電網(wǎng)進行一年的時序全過程模擬分析了分布式光伏接入和調(diào)壓對中壓主動配電網(wǎng)電壓的影響，以及低壓配電網(wǎng)中負荷對接納分布式光伏和調(diào)壓方式的影響。本文重點分析大規(guī)模分布式光伏接入對城市配電網(wǎng)的影響。

1 分布式光伏接入對城市配電網(wǎng)的影響

1.1 電網(wǎng)潮流

分布式光伏接入城市配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，由原先的單向潮流轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向潮流。當分布式光伏功率超出所在區(qū)域配電網(wǎng)負荷時，全年當中某些時段的光伏發(fā)電功率會超過區(qū)域配電網(wǎng)的負荷需求，配電網(wǎng)中凈負荷為負值，多余的光伏發(fā)電功率將會倒送至上一級電網(wǎng)[11]。

以上海某商業(yè)廣場典型負荷曲線為例，當分布式光伏滲透率超過60%時，配電網(wǎng)就會出現(xiàn)潮流倒送情況。此時凈負荷功率如下：

Pnetload=Pload-PPV<0

(1)

式中Pload——配電網(wǎng)負荷功率；PPV——光伏發(fā)電功率。

對于380 V電壓等級，接入的分布式光伏容量上限PPV,max受臺區(qū)配電變壓器容量Ptrans和臺區(qū)日間最低負載率rmin的限制，有如下關(guān)系：

PPV,max=Ptrans×(1-rmin)

(2)

1.2 節(jié)點電壓

通常情況下，分布式光伏發(fā)電以定功率因數(shù)控制模式運行。以接入低壓配電網(wǎng)的分布式光伏為例，分析分布式光伏接入對節(jié)點電壓的影響，如圖1所示。

圖1 分布式光伏接入低壓配電網(wǎng)示意圖

假設(shè)電網(wǎng)側(cè)電壓UN不變，光伏接入點的電壓UL與線路路徑上的潮流有關(guān)，當分布式光伏發(fā)電功率大于負荷功率時，供電線路上將發(fā)生功率倒送，并抬高配電網(wǎng)末端光伏并網(wǎng)點的電壓，造成配電網(wǎng)末端電壓偏高。

為了解決光伏接入造成的電壓過高問題，需要調(diào)節(jié)光伏輸出的無功功率。

1.3 短路電流

分布式光伏采用逆變器接入電網(wǎng)，分布式光伏并網(wǎng)逆變器的主電路普遍采用基于脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，簡稱PWM)控制技術(shù)的電壓源逆變器(Voltage Source Inverter，簡稱VSI)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可等效為一個頻率上與電網(wǎng)電壓同步、幅值上連續(xù)可控的電壓源，此電壓源經(jīng)過濾波電抗器可以等效為一個幅值和相位連續(xù)可調(diào)的電流源[12]。

在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，逆變器會限制分布式光伏系統(tǒng)提供的短路電流。根據(jù)GB/T 19939—2005《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》，配電網(wǎng)發(fā)生短路時由光伏系統(tǒng)提供的短路電流不超過其額定電流的1.5倍。在光照強度較低時，分布式光伏系統(tǒng)提供的短路電流更小。因此可按照額定電流的1.5倍計算分布式光伏系統(tǒng)提供的額定電流。

1.4 電能質(zhì)量

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用逆變器為電力電子設(shè)備，該裝置在并網(wǎng)運行時會向電網(wǎng)注入諧波，引起諧波污染。

通常光伏電源可等效為內(nèi)阻無窮大的諧波電流源，大規(guī)模分布式光伏接入配電網(wǎng)的不同節(jié)點中相當于在配電網(wǎng)中加入了大量的諧波電流源。配電網(wǎng)諧波等效電路如圖2所示。

圖2 分布式光伏接入對電網(wǎng)諧波影響示意圖

該等效電路中除分布式光伏逆變器以外不考慮其他諧波源。

分布式光伏接入配電網(wǎng)后，注入的n次諧波電流為IS，ZLa為分布式光伏接入點(POC)前負荷的n次諧波等效阻抗，ZLb為分布式光伏接入點(POC)后負荷的n次諧波等效阻抗，Zeq為負荷接入點(POL)與公共連接點(PCC)間的n次諧波等效阻抗。

則在POC點有：

IS-ILa-ILb=0

(3)

(Zeq//ZLa)ILa=ZLbILb

(4)

在POL點有：

ILa-Ieq-IL=0

(5)

ZeqIeq=ZLaILa

(6)

可以得到：

(7)

由式(7)可知，流入PCC點的諧波電流Ieq由Zeq、ZLa、ZLb共同決定。由于Zeq通常遠小于ZLa和ZLb，因此分布式光伏注入的諧波電流IS大部分流入PCC點。

2 分布式光伏接入城市配電網(wǎng)模型構(gòu)建

2.1 配電網(wǎng)模型構(gòu)建

采用DIgSILENT Powerfactory電力系統(tǒng)仿真軟件對分布式光伏接入城市配電網(wǎng)典型場景進行建模。

以城市電網(wǎng)中典型的三分段多聯(lián)絡(luò)架空線路中壓配電網(wǎng)和開關(guān)站電纜單環(huán)網(wǎng)接線作為配電網(wǎng)典型案例，分析分布式光伏接入對城市配電網(wǎng)的影響，如圖3和圖4所示。

圖3中，以2個分段開關(guān)分將架空線為三個分段，每個分段線路長1.5 km。線路高峰負荷4 MW，日間低谷負荷按照2 MW計算。每個分段中通過1回0.5 km接入一組分布式光伏電源，光伏通過升壓變以10 kV接入配電網(wǎng)。其中PV1和PV2配置在支線上，PV3配置在主干線路末端。首端節(jié)點電壓設(shè)為10 kV。

圖3 架空線三分段多聯(lián)絡(luò)接線

圖4中，變電站10 kV側(cè)通過2個開關(guān)站形成單環(huán)網(wǎng)接線。每一段電纜線路長2 km，開關(guān)站每段母線接入負荷1 MW。單環(huán)網(wǎng)高峰負荷4 MW，日間低谷負荷按照2 MW計算。開關(guān)站每段母線通過1回0.5 km接入一組分布式光伏電源，光伏通過升壓變以10 kV接入配電網(wǎng)。4處分布式光伏分別接入兩座開關(guān)站的不同段母線。首端節(jié)點電壓設(shè)為10 kV。

圖4 電纜開關(guān)站單環(huán)網(wǎng)接線

2.2 分布式光伏模型構(gòu)建

分布式光伏采用DIgSILENT中光伏系統(tǒng)模型建模，采用全功率變換光伏模型，光伏出力控制采用衡功率因數(shù)控制，功率因數(shù)設(shè)為0.95。光伏短路電流為1.5倍額定電流。光伏逆變器各次諧波電流如表1所示。

表1 光伏逆變器諧波

3 算例分析

3.1 電網(wǎng)潮流分析

為研究分布式光伏接入對不同類型用戶負荷疊加的影響，研究光伏滲透率分別為50%、75%、100%、150%的情況下，不同類型用戶的凈負荷。

其中光伏滲透率定義為光伏裝機容量與峰值負荷的比值：

(8)

本文選取制造業(yè)用戶為例進行分析，制造業(yè)用戶四季典型負荷曲線見圖5，可見制造業(yè)四季負荷較為一致，其中夏、冬季的負荷略高于春、秋季的負荷。

圖5 制造業(yè)用戶的負荷曲線

不同光伏滲透率下負荷疊加光伏出力后的凈負荷曲線如圖6所示。

圖6 制造業(yè)用戶不同光伏滲透率下的凈負荷曲線

由圖6可以看出，對于制造業(yè)用戶，分布式光伏滲透率達到150%時出現(xiàn)反向潮流，最大反向潮流僅為正向潮流的25%。由此可見，由于制造業(yè)用戶負荷較穩(wěn)定，分布式光伏接入對制造業(yè)用戶潮流的影響較小。

3.2 節(jié)點電壓分析

通過仿真建模對分布式電源接入后配電網(wǎng)線路末端的節(jié)點電壓進行分析，結(jié)果見表2。由計算結(jié)果可見，隨著分布式光伏出力的逐步增加，配電網(wǎng)線路末端電壓顯著升高。當分布式光伏出力大于線路上負荷時，會造成線路末端電壓高于首端電壓。

表2 典型接線分布式光伏對節(jié)點電壓的影響

3.3 短路電流分析

模擬配電網(wǎng)在變電站出線處發(fā)生短路，在分布式光伏接入前短路電流為11.6 kA，在分布式光伏接入后，短路電流見表3。由表3可見，隨著分布式光伏接入容量的增加，配電網(wǎng)短路電流逐步增大，但由于分布式光伏提供的短路電流僅為其額定電流的1.5倍，因此分布式光伏接入提供的短路電流較小，對配電網(wǎng)短路電流的影響有限，僅短路電流接近極限的區(qū)域在建設(shè)分布式光伏時需要注意校核短路電流是否超標。

表3 典型接線分布式光伏對節(jié)點短路電流的影響

3.4 諧波電流分析

根據(jù)GB/T 24337—2009《電能質(zhì)量公共電網(wǎng)諧波》規(guī)定，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)后向電網(wǎng)公共連接點注入的諧波電流應(yīng)符合標準要求，如表4所示。

表4 分布式光伏接入架空網(wǎng)對電網(wǎng)公共連接點各次諧波

根據(jù)諧波潮流計算結(jié)果，變電站出線處諧波畸變率如圖7和圖8所示。各節(jié)點接入分布式光伏容量1～3 MW時，變電站出線各次諧波電流見表5和表6?？梢姶笠?guī)模分布式光伏接入雖然會帶來新的諧波源，但對配電網(wǎng)諧波影響較小，只有在背景諧波接近限值時才有可能導(dǎo)致諧波電流超過允許值。

表5 分布式光伏接入架空網(wǎng)對電網(wǎng)公共連接點的各次諧波及諧波電流

表6 分布式光伏接入開關(guān)站單環(huán)網(wǎng)對電網(wǎng)公共連接點的各次諧波及諧波電流

4 結(jié)語

本文針對大規(guī)模分布式光伏接入城市電網(wǎng)進行了仿真計算，分析了分布式光伏接入對電網(wǎng)潮流、節(jié)點電壓、短路電流和電能質(zhì)量的影響。

(1)分布式光伏接入后對配電網(wǎng)潮流造成很大影響，可能造成線路輕載甚至潮流倒送的情況。當配電網(wǎng)線路潮流較輕時接入大量分布式光伏可能造成配電變壓器過載。

圖7 分布式光伏接入架空網(wǎng)對電網(wǎng)公共連接點諧波畸變率

圖8 分布式光伏接入開關(guān)站單環(huán)網(wǎng)對電網(wǎng)公共連接點諧波畸變率

(2)大規(guī)模分布式光伏接入會造成接入點電壓升高。尤其是對于電纜網(wǎng)為主的城市電網(wǎng)，會進一步加劇線路輕載時線路末端電壓過高的問題。必要時需要對分布式光伏逆變器輸出無功進行控制。

(3)分布式光伏接入會增加配電網(wǎng)的短路電流，但增加幅度很小。短路電流大小的變化可能影響保護整定，大規(guī)模分布式光伏接入后需要對保護進行重新整定。

(4)分布式光伏作為諧波源接入電網(wǎng)后會帶來一定的諧波污染，但是合格的逆變器造成的諧波影響有限，不會對配電網(wǎng)的諧波造成很大影響。