大型城市電網(wǎng)下分布式光伏承載力評(píng)估分析

收稿日期：2022-01-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目（5100-202111025A-0-0-00）

通信作者：王海云（1988—），女，碩士、高級(jí)工程師，主要從事大電網(wǎng)仿真分析方面對(duì)應(yīng)安檢方面的研究。helenhappy@139.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0135 文章編號(hào)：0254-0096（2023）06-0260-05

摘 要：為準(zhǔn)確評(píng)估大型城市電網(wǎng)對(duì)分布式光伏的承載能力，該文在開(kāi)展電網(wǎng)運(yùn)行特性、電源裝機(jī)構(gòu)成、短路電流、電能質(zhì)量、電壓偏差及損耗和繼電保護(hù)等6方面影響因素分析的基礎(chǔ)上，提出考慮大型城市電網(wǎng)特性的分布式光伏承載力計(jì)算評(píng)估方法，并以大型城市電網(wǎng)為例，驗(yàn)證其可行性和實(shí)用性。算例結(jié)果表明，該方法能精準(zhǔn)評(píng)估出電網(wǎng)10～220 kV母線可新增分布式光伏接入容量，為分布式光伏接入大型城市電網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行分析提供有力指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：分布式光伏；承載力評(píng)估；靜態(tài)安全分析；短路校核；諧波分析

中圖分類號(hào)：TM744 "" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

分布式光伏建設(shè)是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要措施，近年分布式光伏呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，國(guó)家電網(wǎng)有限公司經(jīng)營(yíng)區(qū)域分布式光伏裝機(jī)容量已達(dá)8210.8萬(wàn)kW，預(yù)計(jì)到2025年，分布式新能源裝機(jī)將達(dá)到1.8億kW以上，2030年達(dá)到3.5億kW以上［1-2］，那么到2035年將基本建成新型電力系統(tǒng)。

分布式光伏承載力是衡量電力系統(tǒng)可新增分布式光伏接入容量的重要指標(biāo)。隨著新能源容量逐漸增大，大型城市電網(wǎng)主要面臨以下問(wèn)題：1）高電壓等級(jí)并網(wǎng)需求增多，大電網(wǎng)晚間高峰保供和午間低谷深調(diào)保消納的矛盾將愈發(fā)凸顯［3-4］，因此需開(kāi)展主配網(wǎng)全電壓等級(jí)分布式光伏承載力分析；2）大型城市電網(wǎng)重要用戶多，重要會(huì)事和賽事供電保障等級(jí)高，大量分布式光伏接入將導(dǎo)致電網(wǎng)諧波污染，嚴(yán)重影響重要用戶的供電可靠性，因此需結(jié)合諧波影響程度進(jìn)行評(píng)估；3）大型城市電網(wǎng)短路電流水平逐年攀升，局部高密度接入的分布式光伏對(duì)短路電流的影響不能忽視［5］。因此，亟需開(kāi)展電網(wǎng)分布式光伏承載力分析，有助于控制新能源并網(wǎng)帶來(lái)的影響，對(duì)保障新能源并網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)新能源規(guī)劃和承載力計(jì)算進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)［6］提出利用新能源消納系數(shù)計(jì)算新能源利用率的消納系數(shù)法，但適用于電站級(jí)的新能源分析，不適用于分布式電源；文獻(xiàn)［7］提出主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)分布式資源的雙層規(guī)劃模型，但欠缺考慮電網(wǎng)安全性的分析；文獻(xiàn)［8］提出新能源接入后系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的分析方法，但該方法僅適用于含大型風(fēng)場(chǎng)的電網(wǎng)；文獻(xiàn)［9］提出采用多種遺傳算法的分布式光伏接入配電網(wǎng)規(guī)劃模型，但缺乏短路校核分析；文獻(xiàn)［10］提出以相似度最優(yōu)和新能源消納量最大為目標(biāo)的兩階段優(yōu)化評(píng)估模型，模型準(zhǔn)確度受相似度指標(biāo)影響大；文獻(xiàn)［11］提出考慮有功網(wǎng)損、投資成本以及電網(wǎng)穩(wěn)定等因素的分布式電源并網(wǎng)階段優(yōu)化方法，但缺乏從主配網(wǎng)整體角度的分析；文獻(xiàn)［12］提出在頻率穩(wěn)定約束條件下電網(wǎng)可再生能源承載力的評(píng)估方法，但因同步機(jī)組等值簡(jiǎn)化，準(zhǔn)確性有待提高；文獻(xiàn)［13］提出可再生能源承載力評(píng)估的線性規(guī)劃模型，但未考慮諧波對(duì)電網(wǎng)的影響。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，首先分析分布式光伏承載力的影響因素，然后以靜態(tài)安全分析、短路電流水平和諧波電流為約束條件，提出適用于大型城市電網(wǎng)準(zhǔn)確實(shí)用的分布式光伏承載力評(píng)估方法，并以某大型城市為例，準(zhǔn)確得出電網(wǎng)10～220 kV母線可新增分布式光伏的接入容量，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型城市電網(wǎng)分布式光伏承載力的評(píng)估。

1 分布式光伏承載力的影響因素分析

限制分布式光伏接入容量大小的因素主要包括運(yùn)行特性、電源裝機(jī)構(gòu)成、短路電流、電能質(zhì)量、電壓偏差及損耗和繼電保護(hù)等方面。

1.1 運(yùn)行特性

分布式光伏受輻照的影響，光伏有功出力的平滑可控性較差，主要表現(xiàn)為白天發(fā)電，夜間停發(fā)，在夜間負(fù)荷高峰時(shí)不能提供電量，同時(shí)云彩的遮擋會(huì)導(dǎo)致光伏出力急劇下降，秒級(jí)最大降幅可達(dá)50%以上。隨著分布式光伏接入電網(wǎng)，從高電壓等級(jí)下送的潮流變輕，有可能出現(xiàn)潮流返送的情況，導(dǎo)致網(wǎng)供負(fù)荷特性發(fā)生變化。

1.2 電源裝機(jī)構(gòu)成

分布式光伏不具備適應(yīng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)的調(diào)節(jié)能力，且不提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，隨著分布式電源裝機(jī)容量的增加、網(wǎng)內(nèi)常規(guī)電源機(jī)組比例的下降，電力系統(tǒng)的調(diào)頻能力將逐步呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。分布式光伏出力受地理位置、氣象條件、地形地勢(shì)、季節(jié)、大氣質(zhì)量以及政策等影響存在不確定性，且其發(fā)電出力預(yù)測(cè)難度較大，給中長(zhǎng)期電量平衡安全帶來(lái)困難，因此電力系統(tǒng)需預(yù)留出較多的備用容量。

1.3 短路電流

隨著分布式光伏接入容量的增加，配電網(wǎng)從單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸演化成多電源網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)，從而改變了電網(wǎng)短路電流的大小、方向及持續(xù)時(shí)間。針對(duì)變流器型新能源短路電流為1.2～1.5倍的額定電流，持續(xù)時(shí)間取決于相應(yīng)控制裝置。

1.4 電能質(zhì)量

分布式光伏常通過(guò)逆變器等電力電子元件接入電網(wǎng)，電壓總諧波畸變率在諧波源點(diǎn)產(chǎn)生的不確定性最強(qiáng)，當(dāng)諧波源增多，多個(gè)諧波疊加將進(jìn)一步增加電網(wǎng)的諧波污染程度；分布式光伏的投切控制或出力波動(dòng)可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的波動(dòng)或閃變發(fā)生；分布式光伏如果單相接入低壓配電網(wǎng)，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題。

1.5 電壓偏差及損耗

隨著分布式光伏接入容量的增加，線路電壓可能會(huì)出現(xiàn)一直降低、先降低再升高再降低、先升高再降低等情況，如果分布式光伏接入線路最末端，還將出現(xiàn)持續(xù)升高的情況。當(dāng)分布式光伏接入容量較大時(shí)，在分布式光伏接入點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)局部電壓甚至饋線電壓最大值，損耗主要呈現(xiàn)U型曲線模式。

1.6 繼電保護(hù)

因分布式光伏大量接入電網(wǎng)，使得電網(wǎng)潮流反向疊加分布式光伏提供的故障電流，易造成過(guò)電流保護(hù)整定困難，也易導(dǎo)致不帶方向元件的過(guò)電流保護(hù)誤動(dòng)作，且故障切除不及時(shí)易造成線路重合閘、備自投、主變壓器間隙保護(hù)等不正確動(dòng)作的情況發(fā)生，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

2 分布式光伏承載力評(píng)估方法

分布式光伏承載力是指在設(shè)備持續(xù)不過(guò)載和短路電流、諧波不超標(biāo)的條件下電網(wǎng)接納分布式光伏電源的最大容量。基于電力系統(tǒng)現(xiàn)狀和規(guī)劃，從總體到局部、從高壓到低壓，按供電區(qū)域和電壓等級(jí)開(kāi)展；承載力計(jì)算范圍包括分布式光伏消納范圍內(nèi)的各電壓等級(jí)電網(wǎng)；在靜態(tài)安全校核分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行短路電流和諧波電流等校核，確定供電區(qū)域的可新增分布式光伏容量。分布式光伏評(píng)估流程如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

以分布式光伏并網(wǎng)數(shù)據(jù)、電網(wǎng)設(shè)備參數(shù)、電網(wǎng)安全運(yùn)行邊界數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)開(kāi)展分析，并結(jié)合在建及已批復(fù)電源和電網(wǎng)基改建等相關(guān)項(xiàng)目。數(shù)據(jù)應(yīng)來(lái)源于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)行設(shè)備參數(shù)、電網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)，并考慮地理位置、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、負(fù)荷類型、負(fù)荷水平、時(shí)間尺度等因素。數(shù)據(jù)需求詳見(jiàn)表1。

2.2 評(píng)估方法

2.2.1 靜態(tài)安全校核

選取用電負(fù)荷需求最低且最有可能發(fā)生電網(wǎng)潮流反送的斷面開(kāi)展靜態(tài)安全校核，當(dāng)本地負(fù)荷需求大于本地集中式電源和分布式電源出力總和時(shí)，判定此區(qū)域可繼續(xù)接入新的分布式電源，在220 kV變壓器不出現(xiàn)功率返送的條件下，最大可新增分布式電源容量為主變壓器有功與集中式電源有功出力之和。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

分布式電源反向負(fù)載率為：

[λ=PD-PLS×100%]"" （1）

式中：[λ]——反向負(fù)載率，%；[PD]——分布式電源出力，MW；[PL]——等效負(fù)荷，MW，去除分布式電源以外的其他電源出力；[S]——電網(wǎng)變壓器額定容量，MW。

評(píng)估區(qū)域可新增分布式電源容量為：

[Pm=min[（1-λmax）×S×k，PT+PG]] （2）

式中：[Pm]——評(píng)估區(qū)域可新增分布式電源容量，MW；[λmax]——最大反向負(fù)載率，%；[k]——設(shè)備運(yùn)行裕度系數(shù)，按電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則，一般取0.6～0.8；[PT]——電網(wǎng)變壓器實(shí)際運(yùn)行的容量；[PG]——集中式電源出力，MW；。

2.2.2 短路電流校核

短路電流校核應(yīng)在高負(fù)荷運(yùn)行方式下首先計(jì)算母線短路電流[Imax]，即三相短路電流和單相短路電流取最大值。在第1節(jié)分析中，針對(duì)變流器型新能源短路電流為1.2～1.5倍的額定電流，作為比例系數(shù)[KI]。短路電流為：

[Isc=Imax+KI×Pm3UN]""" （3）

式中：[KI]——短路電流比例系數(shù)；[UN]——各級(jí)母線額定電壓，kV。分布式光伏產(chǎn)生的短路電流不應(yīng)超過(guò)額定遮斷容量。

2.2.3 諧波電流校核

根據(jù)分布式光伏采用的逆變器諧波參數(shù)及其接入方案，計(jì)算接入點(diǎn)母線的諧波電流及其限值，分布式光伏產(chǎn)生的各次諧波電流注入應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。接入點(diǎn)的全部用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流分量不能超過(guò)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549—1993［14］）中規(guī)定的允許值。對(duì)于公共連接點(diǎn)處第[i]個(gè)分布式光伏的第[h]次諧波電流允許值為：

[Ihi=Sk1Sk2×Ihp/SiSe1a]""" （4）

式中：[Sk1]——公共連接點(diǎn)的最小短路容量；[Sk2]——基準(zhǔn)短路容量；[Ihp]——第[h]次諧波電流允許值［14］；[Si]——用電協(xié)議容量；[Se]——供電設(shè)備容量；[a]——相位疊加系數(shù)。

并網(wǎng)點(diǎn)多個(gè)分布式光伏諧波電流為：

[Ih∑=β×i=1NwtIh，iniβ]"" （5）

式中：[Ih∑]——公共連接點(diǎn)的h階諧波電流畸變；[Nwt]——接入公共連接點(diǎn)的設(shè)備數(shù)量；[Ih，i]——第[i]個(gè)設(shè)備[h]次諧波電流畸變；[ni]——第[i]個(gè)設(shè)備變壓器的變比；[β]——裕度系數(shù)，根據(jù)電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)，當(dāng)h小于等于5則取1，當(dāng)[h]介于5～10之間則取1.4，當(dāng)[h]大于等于10則取2。

3 算例分析

3.1 計(jì)算邊界

以大型城市電網(wǎng)為例，開(kāi)展2022年分布式電源電網(wǎng)承載力評(píng)估，選取2021年5月1日作為典型日，此日用電負(fù)荷需求最低，是最有可能發(fā)生電網(wǎng)潮流反送的時(shí)段。以此日作為典型日計(jì)算出的分布式光伏容量是全年分布式電源電網(wǎng)承載力的最小值，滿足一年中所有負(fù)荷情況的電網(wǎng)接納分布式光伏的最大容量。城市電網(wǎng)承載力分析邊界條件見(jiàn)表2。

3.2 分布式光伏承載力評(píng)估結(jié)果

在220 kV變壓器不出現(xiàn)功率返送的條件下評(píng)估10～220 kV各電壓等級(jí)允許接入的分布式光伏容量。利用式（1）進(jìn)行反向負(fù)載力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由算例可知，電網(wǎng)共185臺(tái)220 kV變壓器，其中185臺(tái)無(wú)反送電，全部220 kV變壓器的反向負(fù)載率小于0；共950臺(tái)110 kV變壓器，其中949臺(tái)無(wú)反送電，1臺(tái)出現(xiàn)反送電，全部110 kV變壓器的反向負(fù)載率小于80%；共84臺(tái)35 kV變壓器，其中84臺(tái)無(wú)反送電，全部35 kV變壓器的反向負(fù)載率小于0。

根據(jù)式（2）計(jì)算得出可新增分布式電源容量，通過(guò)式（3）和式（4）進(jìn)行短路水平校核和諧波電流校核。經(jīng)計(jì)算，2492條10 kV及以上母線短路電流、諧波校核均通過(guò)。電網(wǎng)分布式光伏可新增容量計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表4可知，各電壓等級(jí)母線接入分布式光伏可新增容量并非線性累加關(guān)系。110 kV及以下電網(wǎng)多為輻射網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同一輻射線路上低電壓等級(jí)母線的分布式光伏承載力小于高電壓等級(jí)母線的分布式光伏承載力，35 kV和10 kV母線總可新增分布式光伏容量均小于110 kV母線；220 kV及以上為環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，受靜態(tài)安全和短路電流影響，分布式光伏總可新增容量有所降低。

4 結(jié) 論

針對(duì)大型城市無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估電網(wǎng)對(duì)分布式光伏承載能力的問(wèn)題，本文提出一種針對(duì)大型城市電網(wǎng)未來(lái)分布式光伏承載力評(píng)估分析方法，并利用典型城市電網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，得到如下主要結(jié)論：

1）針對(duì)大型城市電網(wǎng)重要用戶供電可靠性需求高和短路電流水平高的特點(diǎn)，提出以靜態(tài)安全分析、短路電流水平和諧波電流影響為約束條件進(jìn)行評(píng)估，有助于大型城市電網(wǎng)控制新能源有序合理接入。

2）考慮大型城市電網(wǎng)特性的分布式光伏承載力評(píng)估方法能準(zhǔn)確評(píng)估全電壓等級(jí)的分布式光伏可接入容量，指導(dǎo)區(qū)域電網(wǎng)分布式光伏的規(guī)劃和運(yùn)行分析，具有較強(qiáng)實(shí)用性。

3）由分布式光伏可新增容量結(jié)果看，各電壓等級(jí)母線接入分布式光伏可新增容量并非線性累加關(guān)系，同一輻射線路上低電壓等級(jí)母線的分布式光伏承載力小于高電壓等級(jí)母線的分布式光伏承載力。

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EVALUATION AND ANALYSIS OF DISTRIBUTED PHOTOVOLTAIC CARRYING CAPACITY IN LARGE URBAN POWER GRID

Wang Haiyun，Yu Xijuan，Zhang Yuxuan，Yang Liping，Wang Wei

（Beijing Electric Power Research Institute of Beijing Electric Power Company， Beijing 100075， China）

Keywords：distributed photovoltaic； bearing capacity assessment； static safety analysis； short circuit check； harmonic analysis