基于電壓穩定的分布式電源最大允許接入容量分析

徐杰，郁家麟，李春，趙扉，劉偉

(國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興314000)

0 引言

能源結構清潔化轉型是實現“碳達峰”的關鍵所在，加大清潔能源開發力度是能源結構清潔化轉型的必然要求，可以預見清潔能源分布式發電將得到更大的發展空間[1－2]。配電網作為分布式電源接入的承載平臺，一方面要保障分布式電源可以廣泛的“即插即用”，另一方面也要保證配電網自身的安全穩定運行。未來廣泛的分布式電源接入所帶來的不穩定性給配電網的規劃設計帶來了巨大的困難和挑戰[3－6]。

目前，分布式電源接入對配電網的影響研究主要集中在分布式電源不穩定性對配電網電壓波動和短路電流的影響等方面[7－9]，提出的符合清潔能源發展要求且具有實際應用意義的解決措施和方案不多。文獻[10]提出了分布式電源對配網供電電壓質量影響的分析方法，但未考慮無功潮流對分布式電源接入時的電壓波動影響。文獻[11]基于逆功率限制分析分布式電源接入對配電網電壓和短路電流的影響，但《分布式電源接入配電網技術導則》已經取消了對逆功率的限制要求，其研究結論不能適應未來分布式電源接入配電網的情形。文獻[12]基于配電網環網運行提出提高短路容量以降低分布式電源接入對配電網電壓的影響，但未考慮配電網環網運行后可能出現短路電流超限的問題。

基于以上問題，本文分析分布式電源接入對配電網電壓穩定的影響因素，提出利用分布式電源功率因數調節、無功補償和儲能設施等手段解決電壓穩定問題，提升分布式電源允許接入容量。

1 無輔助措施時最大允許接入容量分析

分布式電源對并入點的沖擊是巨大的[10]，為便于分析，僅考慮分布式電源接入點處的電壓波動。將接入了分布式電源的配電網簡化為如圖1所示的等效圖。

圖1 分布式電源接入配電網接線圖

當分布式電源接入配電網后，在不考慮無功補償的前提下進行分析。假定分布式電源出力發生改變時，線路上電流變化量為ΔI，則分布式電源接入點的電壓變化值為:

式中，ΔSn為分布式電源的出力變化；SK為分布式電源接入處的短路容量；ZS為配電網的等效阻抗；ΔI為線路電流變化量；θ為分布式電源的功角；φ為配電網的阻抗角；U為分布式電源接入點電壓。

一般來說，配電網線路不長，線路兩端的相位變化不大，為簡化分析過程，忽略電壓垂直變化分量，則:

電壓波動率為:

以上分析可知，電壓波動率與分布式電源出力變化值、接入點的短路容量、配電網阻抗角以及分布式電源功角相關。

分布式電源出力變化最大值即為其投入前至全容量投入時，等于其額定容量Se。GB/T 12325《電能質量 供電電壓偏差》中對電壓波動率允許范圍做了相應規定，此處定義電壓波動率為d，則可得知最大允許接入容量為:

在實際運行中系統阻抗角為確定值，分布式電源功率因數在不考慮無功輸出調節時可取1，因此最大允許接入容量由電壓波動允許范圍、接入點的短路容量確定。

在保證電壓波動率滿足相關規定要求的條件下，分布式電源允許最大接入容量直接受短路容量限制，而短路電流需滿足限制要求，且短路容量受運行方式影響較大，因此從安全角度考慮，規劃設計中只能按照短路容量較小值計算。文獻[3]提出的通過配電網閉環運行提高短路容量的方法在實際中難以實施。

綜上所述，在不考慮輔助措施的條件下，分布式電源的允許接入容量直接受接入點短路容量限制。因此在實際中，分布式電源的接入點和接入容量的選擇尤其重要。此時允許最大接入容量為:

以10 kV接入的分布式電源為例，假定接入點短路容量為100 MVA，配電網功率因素為0·96，GB/T 12325《電能質量 供電電壓偏差》規定10 kV配電網電壓波動率應不超過±7%[13]，則該接入點最大允許接入容量為:

即不考慮輔助措施時，該接入點最大允許接入分布式電源容量為7·29 MVA。

2 考慮分布式電源自身功率因數調節的最大允許接入容量分析

隨著并網容量的提升，分布式電源接入點出現電網電壓可能越限問題。若以電壓波動不越限為邊界調節，分布式電源自身調節輸出功率因數，使其在向電網輸入有功功率的同時輸入(或吸收)一定量的感性無功功率，則可以在不增加附加裝置的前提下提高分布式電源的接入點電壓穩定性。

同樣以10 kV接入的分布式電源接入為例，假定接入點短路容量為100 MVA，配電網功率因素為0·96，按照《分布式電源接入配電網技術規定》的要求，同步電機類分布式電源并網點功率因素在0·95(超前)～0·95(滯后)[14]，則該接入點最大允許接入容量為:

若接入變流型分布式電源(如分布式光伏)，按照《分布式電源接入配電網技術規定》的要求，變流型分布式電源并網點功率因素在0·98(超前)～0·98(滯后)[14]，則該接入點最大允許接入容量為:

顯然，通過分布式電源自身的功率因數調節，可一定范圍內提高電壓穩定性，提高接入點的最大允許接入容量，提高幅度直接與分布式電源的功率因數調節范圍有關。但分布式電源一般要以考慮發電效益為先，因此分布式電源的功率因數調節范圍不大，且受限制于當前規范要求。因此通過分布式電源自身功率因數調節，可以提高分布式電源的可接入容量，但提升幅度較小。

3 有附加設施的最大允許接入容量分析

通過前述分析，分布式電源自身功率因數調節可以在一定范圍內提高分布式電源的最大允許接入容量。但未來分布式電源技術發展，其接入功率超過一定范圍后，自身功率因數調節亦不能保證電壓穩定。此時，可以通過增加無功補償或儲能裝置來抑制電壓波動[15]，進而提高分布式電源最大允許接入容量。

3.1 加入無功補償的最大允許接入容量

同樣以圖1進行分析，將分布式電源換成無功補償裝置，此時無功補償裝置輸入配電網的電流沒有橫向分量，因此無功補償裝置投入后產生的電壓變化為:

式中，ΔSL為無功補償容量，X為配電網的阻抗垂直分量；U為分布式電源接入點電壓；SK為接入點短路容量。

則加入無功補償后(不考慮分布式電源自身功率因素調節)，分布式電源出力變化引起的電壓波動為:

則整體電壓波動率為:

此時分布式電源的最大允許接入容量為:

對比式(5)和式(12)可知，增加容量為ΔSL的無功補償裝置，可提高分布式電源的最大允許接入容量為

同樣以前述假定條件計算，假定需接入的分布式電源容量為100 MVA，顯然此時僅通過分布式電源自身的功率因數調節已經無法滿足電壓穩定的要求。式(6)已計算得知，不考慮輔助措施時，最大接入容量僅7·29 MVA，在分布式電源不參與功率因數調節時，需增加無功補償容量:

3.2 加入儲能裝置的最大允許接入容量

考慮分布式電源配套儲能裝置時，有兩種方式降低分布式電源出力波動時的電壓波動。

其一是在分布式電源出力波動或投入時，通過儲能裝置吸收部分出力，通過穩定分布式電源波動容量降低電壓波動率，顯然此時儲能配置容量應等于分布式電源超出最大允許接入容量。

其二是利用虛擬同步機技術，使儲能裝置發揮無功補償的作用，此時儲能裝置相當于無功補償裝置，其分析方法與加入無功補償的分析方法相同。

4 應用算例

以浙江嘉興某廠區10 kV光伏接入為例。該廠區共計安裝有6 MVA分布式光伏，其附近有110 kV變電站一座，其10 kV母線在最小運行方式下的短路電流均為9·32 kA，功率因數為0·95～0·98；母線上已經接入分布式電源容量為7·2 MVA。

在不考慮輔助措施時，10 kV母線處可接入的分布式電源最大允許接入容量為:

顯然，前期接入了7·2 MVA分布式電源，剩余可供接的容量為11·89－7·2＝4·69 MVA。如直接將該分布式光伏項目接入該母線，存在電壓超限的風險。

1)方案一。為了分布式光伏項目能接入該變電站母線，可以考慮采用調節分布式光伏的功率因數:

可求得:cosθ＝0·967。

因此為確保該光伏項目接入變電站10 kV母線后電壓穩定，光伏發電的功率因數應根據實際運行情況調節，功率因數在0·967(超前)～0·967(滯后)。

2)方案二。光伏功率因數不調節，可通過增設無功補償裝置維持電壓穩定。其補償容量應為:

3)方案三。增加儲能裝置，其容量為:

最終經過技術經濟比較分析，通過調節光伏發電功率因數，功率因數在0·967(超前)～0·967(滯后)，對發電效率影響可忽略，技術經濟性最優秀，因此選用方案一。

5 結論

本文分析了分布式電源接入配電網時引起電壓波動的具體因素，以電壓穩定為邊界條件分析分布式電源的最大允許接入容量，分析了不考慮輔助措施、考慮分布式電源自身功率因數調節、加入無功補償裝置和加入儲能設施等四種情況下的最大接入容量。主要結論如下:

1)分布式電源接入配電網引起的電壓波動范圍主要取決于接入點短路容量、分布式電源出力波動量。

2)在現實情況中，接入點選擇往往受到客觀條件限制，接入點的短路容量難以改變，分布式接入容量在不考慮輔助措施時將受到限制，難以滿足未來分布式電源發展要求。

3)分布式電源通過自身功率因數調節，有利于電壓穩定，在一定范圍內可以提高分布式電源接入容量。

4)增加無功補償裝置和儲能裝置是抑制分布式電源出力波動時電壓波動的有效手段，可以較大幅度提高分布式電源最大允許接入容量。