電壓約束的臺區分布式光伏最大接入容量研究

鐘化蘭，熊 珂，劉 珺

（華東交通大學電氣與自動化學院，江西 南昌330013）

與傳統的遠距離輸電方式相比，分布式光伏接入配電網之后降低了成本和功耗，將能源就地消納，但是大量的使用分布式光伏并網會導致整個配電系統變為多電源系統，引起系統潮流和電壓分布的變化。 由于典型居民用電負荷與光伏發電在高峰時段可能存在不匹配問題，造成電壓越上限的情況，從而增加線路損耗，影響系統正常運行。 所以，解決光伏發電帶來的各種隱患變得尤為重要。

目前各國已經對配電網電壓控制進行了大量的研究。 賀新禹，等[1]提出了一種新的無功有功協調控制策略，根據電壓幅值對節點電壓進行分區，按照無功功率調控策略對配電網進行無功補償使電壓更趨于理想范圍。 姚宏民，等[2]提出了一種采用蒙特卡洛隨機法模擬評估配電網的光伏消納能力，并提出基于光伏逆變器的電壓階段控制策略以緩解電壓越限問題。 范元亮，等[3]研究了光伏模塊的輸出趨勢曲線，并嘗試使用函數的方法揭示不產生過電壓情況下，光伏的最大允許接入容量。 目前，光伏定容研究通過建立配電線路光伏及負荷的概率潮流模型，以容量最大、配電網對主網電能需求最小、電網年運行費用最低、環境效益等多個因素為目標，利用遺傳算法[4]、粒子群算法、生物地理學優化算法[5]、啟發式人工魚群算法等人工智能算法進行求解。 然而這些方法的驗證效果未知。 在此背景下，提出一種臺區配電線路光伏接入容量評估模型與方法。 通過靈敏度分析，得出線路可消納的最大光伏容量，求出線路各個參數的靈敏系數，從而求出在不過載的情況下可接入的最大光伏容量。

1 分布式發電對配網電壓影響機理

1.1 單個光伏發電接入的情況

線路上帶有N 個用戶，第n 個用戶視在功率為Pn+jQn（n =1，2，…，N），Pn和Qn分別為視在功率的實部和虛部，其中Pn的單位為MW，線路上第n 戶所在位置電壓為Un（n=1，2，…，N），第n-1 和n 個用戶之間線路阻抗為Rn+jXn=ln(r+jx)，其中ln為第n-1 和n 個用戶之間線路的長度，r 和x 分別為單位長度線路的電阻和電抗，用戶p 接入的建筑光伏容量為Pv。

1.2 多個光伏發電接入的情況

線路上有多個用戶均裝有屋頂光伏，沒有建設屋頂光伏的用戶光伏發電容量按0 考慮。

所有光伏發電接入后，同理忽略無功功率作用后m 點電壓為

式中，Pvn為第n 個用戶接入光伏發電的容量。 由上式可知，m 點和m 點向后所有負荷有功功率之和大于所有光伏發電功率之和時，電壓降低；m 點和m 點向后所有負荷有功功率之和小于所有光伏發電功率之和時，電壓升高。 線路上的最高電壓視具體分布情況而定，若要滿足光伏接入后不出現高電壓情況，則其值應小于電壓偏差規定的最高點壓Umax。

2 以電壓為約束條件的臺區分布式光伏最大容量評估模型

2.1 集中單個接入光伏容量線性化評估模型

分布式光伏最大接入容量的約束條件為電壓不越上限，則各個用戶的節點電壓都不能超過上限值。 由前文分析可知，各節點電壓與V0，P，Q，R，X 有關，各節點電壓可寫作

評估模型的約束條件為

式中，N 為臺區線路節點集。

2.2 單個接入光伏容量系數及修正參數確定

在基態線路模型的基礎上（配變50 kW, 線徑LGJ-25 mm2，供電半徑1 km，10%的負載率），保持其他變量不變，依次修改線路的特征參數，通過潮流計算得到當電壓不越上限時配電線路的最大接入容量，并求出光伏最大接入容量與各變量：供電半徑、線徑、配變容量以及負載率的函數關系式，經數據曲線擬合，可獲得光伏消納比對該參數的靈敏度。

由此獲得光伏消納比對該參數的靈敏系數如表1 所示。

表1 光伏消納比對該參數的靈敏度Tab.1 Sensitivity of PV absorption ratio to the parameter

表2 光伏接入位置系數Tab.2 Coefficient of photovoltaic access location

故考慮位置因素βL′的具體取值如下

2.3 分散式接入光伏容量評估模型

單個光伏集中接入的場景，適用于考慮臺區最壞接入情況。 但是臺區光伏接入往往是多點分散式接入，為了充分利用光伏消納能力，提高清潔能源發電量，本節中建立一種臺區分散式接入光伏容量評估模型以更好的計算臺區光伏最大接入容量。

本節中，采用圖2 的系統為例，線路電壓等級為380 V，線路型號為LGJ-25 mm2，線路上共有10 個用戶接入。 在基態線路模型的基礎上，保持其他變量不變，依次修改線路的特征參數，通過潮流計算得到當電壓不越上限時配電線路的光伏最大接入容量。

表3-表5 分別闡述了不同線徑、不同線長、不同配變容量以及不同負載下的最大光伏接入容量。

表3 不同線徑下光伏最大接入容量變化Tab.3 Variation of PV maximum access capacity under different wire diameters

表4 不同配變容量下光伏最大接入容量變化Tab.4 Variation of PV maximum access capacity under different distribution variable capacity

表5 不同供電半徑下光伏最大接入容量變化Tab.5 Variation of PV maximum access capacity under different power supply radii

分析表格中數據，利用數據擬合可分別求出光伏最大接入容量與各變量：線徑、供電半徑、配變容量以及負載率的函數關系式，可由此獲得光伏消納比對該參數的靈敏度。 接著我們通過相同的方法對最大接入容量隨供電半徑變化求出對應的擬合曲線。 其中，y 為每戶接入容量，x 為基值10%的負載率。 擬合曲線可得：y=0.010 04x+0.028 09；故βL′的具體取值為：βL′=[4.57，-0.087 93，0.084 51，0.100 4，0.134 5]。

3 有效性驗證

以湖溪塔元公變臺區、湖溪中格田臺區為例，兩臺區目前已接容量分別為15，30 kW。 湖溪塔元公變臺區參數為：供電半徑為614 m，配變容量為30 kW，配變檔位為3 檔，供電線徑25 mm2；湖溪中格田臺區，供電半徑達1 100 m，配變容量為30 kW，供電線徑為25 mm2。 根據臺區線路現況，將參數供電半徑、線型、線徑、負載率、配變高壓側電壓、配變檔位、配變容量、接入位置輸入EXCEL 中。通過臺區分布式光伏最大接入容量計算軟件可計算出最大容量。 表6（最大接入容量一欄）為軟件計算結果。 由結果可知，湖溪塔元公變臺區、湖溪中格田臺區最大接入容量分別為7，20 kW。 表明當前接入容量超出可接最大接入容量。

為了改善超出最大接入容量所帶來的配電網高電壓問題，根據第2 章節中討論的影響光伏接入容量因素，考慮改造配變容量、線徑等條件，運用軟件重新計算，可推導出在滿足已接光伏容量下線路所需的改造，如表1 所示。 對比改造前后臺區的接入容量，改造后可接最大容量分別為18，36 kW，超出了已接容量，滿足不出現高電壓的要求。

表6 臺區改造前后光伏容量對比Tab.6 Comparison of photovoltaic capacity before and after substation transformation

4 結論

本文針對分布式光伏可接入最大容量問題做出了一系列研究。根據配電線路的特點建立了2 個數據模型；求出了光伏最大接入容量與線徑、供電半徑、配變容量以及負載率的函數關系式；經數據曲線擬合，求出了參數靈敏度；最后利用已有的計算軟件對模型進行了驗證。 由結果可知，該方法有一定的合理性和時效性。 后續還將對源頭問題做一些研究，從電壓等級、接線方式、調控手段等方面入手，重點加強設計評審和接入評估。 將問題解決在初始階段。 對還未接入的光伏扶貧項目，做好在接入前的光伏容量評估工作。 從源頭把光伏接入對配電網電壓帶來的影響降到最低。