含高比例分布式光伏配電系統(tǒng)建模及運行狀態(tài)分析

摘 要：光伏發(fā)電的穩(wěn)定性不佳，為了掌握高比例分布式光伏對配電系統(tǒng)運行狀態(tài)的影響，研究過程以某地的10kV配電網(wǎng)為分析對象，利用OpenDSS軟件建立了該配電系統(tǒng)的仿真模型，其中包括分布式光伏電站、臺變、輸電線路、柔性負荷。利用該仿真模型模擬配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，結(jié)果顯示，配電網(wǎng)存在功率返送和電壓越限的問題。研究結(jié)論如下：高比例分布式光伏在中午時段達到發(fā)電高峰，此時電網(wǎng)的消納能力不足，可導(dǎo)致功率返送，影響電能質(zhì)量；光伏并網(wǎng)運行之后有可能造成電壓失穩(wěn)，導(dǎo)致電壓高于最高電壓限值或者低于最低電壓限值，進而降低供電穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：高比例；分布式光伏配電系統(tǒng)；模型構(gòu)建；運行狀態(tài)

中圖分類號：TM 615" " 文獻標(biāo)志碼：A

當(dāng)配電網(wǎng)中并入高比例的分布式光伏系統(tǒng)后，其運行狀態(tài)有可能失穩(wěn)。因此，需要對相關(guān)問題進行研究，以便提出應(yīng)對策略。當(dāng)前，針對分布式光伏的研究較廣泛。孫勝博等[1]分析了分布式光伏電壓無功優(yōu)化方法，提出了相應(yīng)的優(yōu)化模型。栗峰等[2]探究了分布式光伏并網(wǎng)運行的關(guān)鍵技術(shù)，旨在提高對電網(wǎng)的觀測和調(diào)控能力。韓雨等[3]針對含分布式光伏的配電網(wǎng)，提出電壓越限預(yù)測方法。在此次研究中，建立某10kV配電網(wǎng)的仿真模型，其中包括12座光伏電站。通過仿真模擬發(fā)現(xiàn)了高比例光伏對配電網(wǎng)的影響，主要為電壓越限和功率返送。在光伏發(fā)電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用階段，需要解決以上問題。

1 構(gòu)建含高比例分布式光伏配電系統(tǒng)模型

1.1 配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將國內(nèi)某地區(qū)10kV配電網(wǎng)作為建模對象，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該模型包括4條配電線路，分別記為Line1、Line2、Line3、Line4，每條配電線路均由含光伏臺區(qū)、不含光伏臺區(qū)和分布式光伏電站組成。該配電網(wǎng)全年最大用電功率可達到6320kW。用電臺區(qū)的總數(shù)量為45個，安裝有12個光伏電站，其總裝機容量為8650kW。

1.2 配電系統(tǒng)參數(shù)

由圖1可知，各條線路上的臺區(qū)分布存在較大的差異。以10kV配電網(wǎng)實際情況為依據(jù)，對4條線路的臺變數(shù)量、臺變?nèi)萘?、分布式光伏電站?shù)量、分布式光伏電站裝機容量、需求側(cè)柔性負荷進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。以線路Line2為例，詳細的模型參數(shù)見表2。

1.3 配電系統(tǒng)仿真建模

1.3.1 建模流程

第1.1節(jié)和第1.2節(jié)分別建立了10kV配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上利用OpenDSS軟件建立配電網(wǎng)的仿真模型。該軟件中提供4類元件，分別為PD元件、PC元件、控制元件、測量元件，線路和變壓器屬于PD元件，光伏系統(tǒng)屬于PC元件[4]。仿真建模的流程如圖2所示。

1.3.2 配電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備建模方法

1.3.2.1 分布式光伏系統(tǒng)建模要點

光伏系統(tǒng)的主要組件包括光伏陣列、逆變器、升壓電路，經(jīng)過升壓后并入電網(wǎng)。OpenDSS軟件中具有成熟的光伏元件，可直接選用。建模要點為確定光伏系統(tǒng)有功功率的數(shù)學(xué)模型。在OpenDSS軟件平臺中，將光伏系統(tǒng)的有功功率設(shè)置為公式（1）。

PAC=Eff?Pmmp?Iirr?CPT（T0） （1）

式中：PAC為光伏系統(tǒng)的有功功率；Eff為光伏逆變器的工作效率；Pmmp為光伏陣列在特定溫度條件下的最大額定功率，該參數(shù)假定光照強度為1kW/m2；Iirr為光照強度；CPT為校正因子，用于校正光伏系統(tǒng)的有功功率，其參數(shù)為溫度T0。

在OpenDSS軟件中設(shè)置了CPT隨溫度的變化曲線，用于提高輸出功率的精度，該曲線如圖3所示。

1.3.2.2 電熱水器建模要點

光伏系統(tǒng)在相同時長內(nèi)的發(fā)電量與光照強度存在密切的聯(lián)系，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后，有可能出現(xiàn)發(fā)電量過剩的情況，此時可利用負荷端的電熱水器儲存能量，從而消納分布式光伏的發(fā)電量[5]。在仿真建模階段，需要設(shè)定電熱水器用電功率的數(shù)學(xué)模型，作為是否需要加熱電熱水器的控制依據(jù)，該數(shù)學(xué)模型如公式（2）所示。

（2）

式中：P（t）為電熱水器t時的用電功率；T（t）為t時熱水器內(nèi)的水溫；Tmax為電熱水器內(nèi)部允許的最高水溫，超過該溫度則自動停止加熱；PN為電熱水器的額定功率；Tmin為電熱水器中允許的最低水溫，當(dāng)?shù)陀谠摐囟葧r，電熱水器自動通電加熱；S（t）為t時刻對應(yīng)的電熱水器開關(guān)變量，取值為0或者1，分別代表開關(guān)斷開和關(guān)閉。

仿真過程根據(jù)公式（2）控制負荷端電熱水器的用電功率。

1.3.2.3 空調(diào)建模要點

配電系統(tǒng)模型中存在數(shù)量較多的空調(diào)設(shè)備，成為系統(tǒng)建模的重點。配電網(wǎng)的運行狀態(tài)受到空調(diào)負荷的影響，因此需要建立空調(diào)負荷的數(shù)學(xué)模型?？照{(diào)負荷可采用一階等效熱參數(shù)模型，其優(yōu)點為復(fù)雜度較低，該模型如公式（3）所示。

（3）

式中：To（t+1）為t+1時刻對應(yīng)的室外溫度；Ti（t+1）為t+1時刻對應(yīng)的室內(nèi)溫度；η為空調(diào)的能效比；Pac（t）為t時刻對應(yīng)的空調(diào)功率；R為空調(diào)的等效熱阻；Δt為時間間隔，Δt=15min；C為空調(diào)設(shè)備的等效熱容。

根據(jù)公式（3）可求解空調(diào)的實時功率，用于分析配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

1.3.2.4 充電樁建模要點

該配電網(wǎng)中設(shè)計有一定數(shù)量的充電樁，屬于用電負荷。當(dāng)構(gòu)建仿真模型時，需要建立充電樁的用電功率數(shù)學(xué)模型，從而為后續(xù)的配電網(wǎng)運行狀態(tài)分析提供理論依據(jù)。充電樁對汽車的充電功率數(shù)學(xué)模型如公式（4）所示。

PD（t）=PD，N?LD，N（t）?SD，N（t） （4）

式中：PD（t）為充電樁在t對應(yīng)的充電功率；PD，N為電動汽車的額定充電功率；LD，N（t）為充電汽車是否接入充電樁的變量，取值為0或者1，0表示未接入，1表示接入；SD，N（t）為電動汽車在t時對應(yīng)的充電控制策略。

充電策略受到預(yù)計充電時間的影響，如果剩余時間僅能滿足最低充電需求，就持續(xù)充電。如果剩余充電時間能夠超額充電，就通過參數(shù)SD，N（t）優(yōu)化充電策略。

2 含高比例分布式光伏配電系統(tǒng)運行狀態(tài)分析

在第1節(jié)中建立了含高比例分布式光伏配電系統(tǒng)的仿真模型，光伏系統(tǒng)的發(fā)電量受到光照強度的影響，因而穩(wěn)定性較差。與此同時，在負荷端，空調(diào)、電熱水器、充電樁等設(shè)備的用電負荷具有較大的變化幅度。利用仿真模型模擬分布式光伏發(fā)電設(shè)備對配電系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)該配電網(wǎng)存在2個較為突出的問題，具體如下。

2.1 高比例分布式光伏導(dǎo)致配電系統(tǒng)出現(xiàn)功率返送

2.1.1 功率返送的成因及危害

在此次建立的配電網(wǎng)模型中，分布式光伏發(fā)電站的數(shù)量為12個，總裝機容量達到8650kW，負荷端的全年最大用電量為6320kW，光伏滲透率超過120%。分布式光伏電站的發(fā)電功率受到光照的影響，其在1d內(nèi)的發(fā)電量具有顯著的波動性，從0：00～5：00，發(fā)電量幾乎為零。在5：00～20：00，發(fā)電量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，通常在12：00～1：00達到全天的發(fā)電量峰值。在20：00～24：00，發(fā)電量幾乎為零。12個光伏電站的發(fā)電量具有相似的變化規(guī)律，均在中午時段達到發(fā)電量峰值，因此該時段存在光伏發(fā)電量無法消納的問題，在這一情況下，配電網(wǎng)出現(xiàn)功率返送（也稱為潮流反轉(zhuǎn)）[6]。

功率返送的潛在危害深遠且復(fù)雜，對電力系統(tǒng)的整體管理和運行效率構(gòu)成了嚴峻挑戰(zhàn)。從配電網(wǎng)安全性的角度來看，功率返送打破了傳統(tǒng)電力流向的單向性，使電能在某些時段內(nèi)逆向流動，這不僅增加了電網(wǎng)的不確定性，還將導(dǎo)致電網(wǎng)保護裝置的誤動或拒動，進而威脅整個配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。在實際運行過程中，當(dāng)分布式能源在中午等陽光充足或風(fēng)力強勁時段大量發(fā)電而本地負荷又無法完全消納時，多余的電能便會通過配電網(wǎng)反向輸送至電網(wǎng)，形成功率返送。這種逆向潮流的頻繁出現(xiàn)，使網(wǎng)的潮流分布變得難以預(yù)測，給電網(wǎng)調(diào)度和運人員帶來了極大的困擾。此外，功率返送還顯著降低了電能質(zhì)量。電能質(zhì)量是衡量電力供應(yīng)品質(zhì)的重要指標(biāo)，而功率返送往往伴隨著電壓波動、諧波污染等問題，這些問題不僅會影響電力設(shè)備的正常運行，還會對敏感負荷設(shè)備造成損害。

更嚴重的是，功率返送還會干擾電能計量和電費計算。傳統(tǒng)的電能計量裝置大多基于單向電流設(shè)計，難以準(zhǔn)確計量逆向潮流的電能。這不僅會導(dǎo)致電能計量不準(zhǔn)確，還會影響電費計算的公正性，給電力企業(yè)和用戶帶來經(jīng)濟損失。同時，由于分時電價政策的實施，中午時段電價較高，這在一定程度上抑制了用電需求，但同時也加劇了配電網(wǎng)功率返送的問題。因為當(dāng)電價較高時，用戶更傾向于減少用電，而分布式能源則繼續(xù)發(fā)電，導(dǎo)致更多的電能需要逆向輸送至電網(wǎng)，進一步加劇了電網(wǎng)的負擔(dān)。

2.1.2 功率返送仿真模擬

研究過程利用含高比例分布式光伏配電系統(tǒng)仿真模型模擬功率返送現(xiàn)象，將1d劃分為96個時段，每個時段的時長均為15min。一方面模擬分布式光伏電站在全天96個時段內(nèi)的發(fā)電量，另一方面模擬負荷端在96個時段內(nèi)的用電功率變化趨勢，結(jié)果如圖4所示。在第34～64時段內(nèi)，出現(xiàn)了光伏發(fā)電功率大于負荷用電功率的現(xiàn)象（即功率返送），對應(yīng)的時間為09：00～16：00。

2.2 高比例分布式光伏導(dǎo)致配電系統(tǒng)出現(xiàn)電壓越限

2.2.1 電壓越限的成因及危害

在不含分布式光伏電站的傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，電量從變電站流向負荷端，屬于單向潮流，在這一過程中，由于輸電線路具有阻抗，電勢沿著傳導(dǎo)方向不斷下降，因此線電壓呈下降的趨勢。含高比例分布式光伏的配電網(wǎng)容易出現(xiàn)功率返送的問題，改變了配電網(wǎng)中的潮流方向，進而可能引起電壓越限。該配電網(wǎng)模型的電壓等級為10kV，對應(yīng)的電壓限值為10kV～10.5kV。當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)電壓越限時，可進一步導(dǎo)致設(shè)備損壞、供電中斷等一系列問題。

2.2.2 電壓越限仿真模擬

利用此次建立的仿真模型模擬配電網(wǎng)全天的電壓變化，將24h劃分為96個時段，每個時段15min，繪制配電網(wǎng)電壓隨時間的變化趨勢，結(jié)果如圖5所示。在典型工況1中，電壓標(biāo)幺值在局部超過了上限，電壓過高會導(dǎo)致輸電線電流過大，對線路和設(shè)備具有一定的危害，例如導(dǎo)致設(shè)備和線路過熱。在典型工況2中，配電網(wǎng)的電壓值標(biāo)幺值低于電壓下限，由此可造成配電網(wǎng)電壓不足，影響終端用電。

3 結(jié)語

在含有高比例分布式光伏的配電系統(tǒng)中，由于光伏發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量通常在中午12：00～01：00時段達到峰值，此時配電網(wǎng)的消納能力不足，導(dǎo)致發(fā)電功率超過用電功率，從而出現(xiàn)功率返送的問題，影響了配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

光伏發(fā)電缺乏足夠的穩(wěn)定性，早晚發(fā)電量幾乎為零，晝間發(fā)電量先增大后減小。這種周期性的變化可導(dǎo)致配電系統(tǒng)電壓失穩(wěn)，進而出現(xiàn)電壓越限。配電網(wǎng)的電壓值有可能高于最高限值或者低于最低限值。電壓越限造成的直接危害包括損害設(shè)備和線路、電壓不足等。

參考文獻

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