高分布式發(fā)電滲透率對配電網(wǎng)電壓的影響

趙青宇

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著分布式光伏發(fā)電、風力發(fā)電等清潔能源的逐漸普及，分布式發(fā)電（DG）系統(tǒng)對配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響逐漸引起了人們的關注。其中，高滲透率分布式發(fā)電系統(tǒng)對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響是一項關鍵問題。

當分布式發(fā)電系統(tǒng)的滲透率較低時，其對配電網(wǎng)的影響較小，電壓穩(wěn)定性不受明顯影響。但是當分布式發(fā)電系統(tǒng)的滲透率較高時，由于分布式發(fā)電系統(tǒng)的電源特點，其向配電網(wǎng)注入的電能將對電網(wǎng)的電壓造成影響。

對于低壓配電網(wǎng)而言，高滲透率分布式發(fā)電系統(tǒng)的接入會導致電壓升高，這將會對用戶的終端設備造成損害，同時也會增加電網(wǎng)管理的難度。因此，在接入高滲透率分布式發(fā)電系統(tǒng)前，需要對低壓配電網(wǎng)進行相應的升級和配電設備的優(yōu)化，以保證電壓穩(wěn)定。

對于高壓配電網(wǎng)而言，高滲透率分布式發(fā)電系統(tǒng)的接入會導致電壓下降。雖然應用降壓變壓器可以緩解這種電壓下降，但需要注意的是，短期內(nèi)大量降壓變壓器的投入使用會增加配電網(wǎng)系統(tǒng)的復雜性，增加運行成本，同時也會增加設備的損耗。

1 技術分析

針對高滲透率分布式發(fā)電系統(tǒng)對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響，可以采取以下措施：加強配電網(wǎng)設備的監(jiān)測和維護，及時發(fā)現(xiàn)和修復電網(wǎng)設備故障，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行；通過分段調(diào)節(jié)降壓變壓器的輸出電壓，對接入分布式發(fā)電系統(tǒng)的區(qū)域進行有針對性的電壓調(diào)節(jié)；建立高效的電能管理機制，推廣一些新技術，如等效注入電量控制技術、自適應電壓控制技術等，有助于提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性；推廣并利用分布式儲能技術，增加分布式發(fā)電系統(tǒng)的可調(diào)度性，減輕分布式系統(tǒng)給配電網(wǎng)帶來的電壓波動。

在傳統(tǒng)意義上，配電系統(tǒng)的設計目的是將電力從發(fā)電廠及變電站輸送到客戶，然而，隨著DG融入配電系統(tǒng)的趨勢越來越明顯，配電系統(tǒng)的現(xiàn)狀也隨之演變。一般而言，將分布式發(fā)電集成到配電系統(tǒng)中，以優(yōu)化分布式發(fā)電的布局，有利于配電系統(tǒng)向客戶提供電力的可靠性，減少輸電系統(tǒng)的損耗，并在一定程度上改善了電壓狀況［1-2］。由于需要從電網(wǎng)輸入的電力較少，線路和電力變壓器的損耗也可以降低。

DG 集成對配電網(wǎng)的技術影響之一是故障級別的增加。DG 與配電系統(tǒng)的連接決定了故障級的增加，故障級的增加主要是由同步或異步電機引起的［3-5］。此外，分布式發(fā)電集成也可能影響配電網(wǎng)電壓的波動。主要穩(wěn)壓設施包括變電站負荷分接開關、線路調(diào)節(jié)器、自動穩(wěn)壓設備等。

綜合國內(nèi)外研究成果，隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)滲透率的不斷增加，對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響也會逐漸凸顯出來。只有通過加強設備維護、調(diào)節(jié)變壓器、應用新技術和儲能技術等多種手段，才能有效地應對分布式發(fā)電對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響，提高電網(wǎng)運行的安全性和可靠性。

2 分析框架

2.1 配電網(wǎng)絡

配電網(wǎng)絡的電壓值由35kV 和10kV 組成，并與輸電系統(tǒng)的110kV 電壓電平相連接。配電網(wǎng)有2 個主要進入口，分別為110／10kV 變電站和110／35kV變電站。110／10kV 配電網(wǎng)通過2x30MVA 變壓器與110kV 輸電系統(tǒng)連接，有14 個配電饋線。所有的饋線最終連接到10kV 變電站中壓-低壓互聯(lián)。同時，110／35／10kV 配電網(wǎng)通過2x90MVA 變壓器與110kV輸電系統(tǒng)連接，并通過35／10kV 變電站分布。

2.2 光伏發(fā)電

模擬的太陽能光伏剖面是使用太陽能資源數(shù)據(jù)站點生成的。光伏年發(fā)電量公式為：

式中，HA是單位面積太陽能年輻射總量，S 是組件面積，K1是組件轉(zhuǎn)換效率，K2是系統(tǒng)綜合效率。組件轉(zhuǎn)換效率K1一般取值為0.14-0.2，系統(tǒng)綜合效率K2一般取值為0.8±0.01。本文研究使用的光伏模型來自仿真系統(tǒng)的一個425kW 光伏系統(tǒng)的一年太陽能發(fā)電總量，并將其作為模擬研究的輸入。

2.3 場景模擬

針對110／10kV主進站、10kV 開關站和10／0.38kV配電站的DG 接線情況，進行了仿真分析?？紤]了兩個DG 地點，以了解DG 融入中壓配電網(wǎng)的影響，即在每個饋線的開始和結束。對每種情況進行模擬，DG滲透從基本情況（無DG 連接）、25%、50%、75%、100%、150%和200%最大負荷分別分析配電網(wǎng)絡。

圖1 顯示了在高DG 和低負荷情況下，網(wǎng)絡中的總有功負荷和網(wǎng)絡中DG 的總有功發(fā)電量。圖形顯示負荷為13.99 兆瓦。而DG 發(fā)電量由5.99MW增加到47.91MW，DG 滲透率由25%增加到200%。

圖1 各滲透率下DG 發(fā)電量

3 仿真及結果分析

3.1 分布式發(fā)電影響

本文基于三相交流系統(tǒng)故障電流計算方法進行了短路分析，分析了在研究的配電網(wǎng)中提高DG穿透水平的效果。集成到配電網(wǎng)中的每個光伏的DG 短路電流效應被設置為光伏最大電流的1.4倍。在圖2 中，可以看到，在基本情況下，初始故障水平測量的10kV 母線的相應變電站電流已超過20kA 的24.3%。本文分析了變壓器阻抗由14%提高到18%的效果。在基本情況下可以觀察到，增加變壓器阻抗后，故障電流由20kA 降至19.42kA。在所有情況下，DG滲透增加隨之而來的故障水平也增加。研究分析表明，每增加25%的DG 滲透率，故障水平將增加約2.2%。

圖2 變壓器短路14%、18%時故障電流

當DG 位于每個饋線的開始和結束時，配電網(wǎng)絡損耗圖如圖3 所示。在這兩種情況下，網(wǎng)絡損耗都會隨著DG 滲透率增加到50%而減少，因為DG生成更接近負載，從而減少了從電網(wǎng)的導入。然而，隨著分布式發(fā)電滲透率持續(xù)上升至200%，由于分布式發(fā)電產(chǎn)生的更多電力需要轉(zhuǎn)移到主要的變電站，因此網(wǎng)絡損耗反應到圖上即增加。由圖可以觀察到，在相同的DG 滲透水平下，當饋線末端沒有反向電源時，DG 連接的網(wǎng)絡損耗較低，這受到DG 所連接負荷的影響。然而，當DG 滲透水平超過50%，從而發(fā)生反向潮流的電網(wǎng)，定位在饋線末端的DG 將導致更高的網(wǎng)絡損耗，這是由于需要通過輸電線路向主變電站輸送更高的電力。另一方面，變壓器損耗較少的情況下，DG 在每個饋線處結束，由于較高的功率損耗在網(wǎng)絡上，因此發(fā)生較少的反向功率。

圖3 配電網(wǎng)絡損耗

3.2 提高故障水平緩解措施

提高故障緩解水平主要有以下措施：設置母線連接處的故障限流電抗器（FCLR）；設置進線饋線上的故障限流電抗器；使用分流母線。

母線連接處安裝FCLR 示意圖如圖4 所示，在110／10kV 配電網(wǎng)絡上安裝了FCLR?？梢钥闯觯杩篂?.759 歐姆的FCLR 能有效地將短路電流從24.846 kA 降低到18kA。

在圖5 中，安裝在母線接頭上的FCLR 被認為是最小化DG 滲透。然而，當DG 滲透率增加到200%時，緩解后的故障級別超過20kA。據(jù)觀察，每增加25%的DG 滲透率，故障水平將增加約20kA的1.4%。

進線及饋線處安裝FCLR 示意圖如圖6 所示，在所分析的110／10kV 配電網(wǎng)絡上母線接線處安裝了FCLR?？梢钥闯觯杩篂?.2148歐姆的FCLR 能有效地將短路電流從24.846kA 降低到18.02kA。

圖6 進線及饋線處安裝FCLR 示意圖

在圖7 中，安裝在進線饋線上的FCLR 在最小化故障級別增加的影響效果不如安裝在母線接頭上的FCLR 有效。然而，與在總線接頭上的安裝相比，在進線上只需安裝較小的FCLR。據(jù)觀察圖形可得，每增加25%的DG 滲透率，故障水平將增加約2.1%。

3.3 分流母線

圖8 顯示了分流母線的110／10kV 網(wǎng)絡。由于主備母線分離，短路電流只能通過一個變壓器供電。

圖9 顯示在故障水平顯著降低后，母線分流被認為是非常有效能減少故障水平的方法。由圖可知DG 滲透和故障電流增加不明顯。

4 結論

本文提出了一個模擬分析框架，以評估配電網(wǎng)電壓水平受分布式發(fā)電高滲透水平的影響，并在實際110／35／10kV 配電網(wǎng)模型的基礎上進行了仿真研究。研究了DG 滲透率4 個主要影響因素，即對故障水平的影響、對配電網(wǎng)電壓的影響、對網(wǎng)損的影響以及對線路負荷的影響。本文仿真研究表明，增加變壓器阻抗、安裝FCLR、設置分流母線等是有效的解決辦法，可以有效減輕故障影響水平。今后的工作將涉及智能逆變器特性的實際研究和測試，以期找到能緩解配電網(wǎng)DG 滲透率對電網(wǎng)影響的新方法。