滿足電壓質(zhì)量條件下分布式光伏電源接入中壓配電網(wǎng)的研究

黃煒，嚴(yán)永文，李輝，陳皓東，丁若陽(yáng)

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000）

0 前言

當(dāng)前，傳統(tǒng)能源的不斷消耗和對(duì)環(huán)境的破壞已無(wú)法滿足世界發(fā)展需求，世界各國(guó)紛紛開(kāi)始對(duì)新能源進(jìn)行研究[1-2]。而大多數(shù)新能源中太陽(yáng)能光伏發(fā)電由于其靈活經(jīng)濟(jì)，成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注重點(diǎn)。為了更好地打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)，滿足人民日益對(duì)美好生活向往的電力需求，大量的光伏扶貧工程被接入配電網(wǎng)。大量無(wú)規(guī)律無(wú)約束的分布式電源接入配電網(wǎng)則會(huì)對(duì)電壓質(zhì)量造成比較嚴(yán)重的影響[3-5]。因此，在配電網(wǎng)規(guī)劃階段就有必要對(duì)分布式光伏電源接入的容量和位置進(jìn)行合理約束和優(yōu)化。

目前應(yīng)對(duì)大量分布式光伏接入配電網(wǎng)的大多數(shù)做法是先接入然后通過(guò)協(xié)調(diào)控制的方法來(lái)提高接入容量，但是過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜，通信要求較高，且建設(shè)成本和后期維護(hù)費(fèi)用較高。實(shí)際上，在分布式光伏電源接入前根據(jù)10 kV線路上的負(fù)荷分布情況對(duì)分布式光伏電源的位置進(jìn)行提前規(guī)劃，即使不對(duì)接入的分布式光伏電源進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，也能通過(guò)合理的規(guī)劃與10 kV線的負(fù)荷進(jìn)行匹配得到較高的接入容量。

為了得到滿足電壓質(zhì)量條件下，負(fù)荷和分布式光伏電源在沿10 kV線路不同分布的情況下，分布式光伏電源接入的容量范圍。本文根據(jù)10 kV線路上負(fù)荷分布情況與分布式光伏電源接入的容量和位置進(jìn)行匹配，得到36種典型匹配場(chǎng)景下滿足電壓質(zhì)量條件下的分布式光伏電源的可接入容量區(qū)域，為分布式光伏電源規(guī)劃接入中壓配電網(wǎng)階段提供參考依據(jù)。

1 理論分析

1.1 含分布式光伏饋線建模

對(duì)于正常運(yùn)行的10 kV線路而言，無(wú)論何種接線形式都可等效為一個(gè)單電源輻射狀接線。由于配電網(wǎng)10 kV主干線長(zhǎng)度較短、電壓等級(jí)較低，在對(duì)10 kV線路進(jìn)行分析過(guò)程中，可以略去線路之間的互感和對(duì)地分布電容，而只線路本身的自阻抗。在整個(gè)分析過(guò)程中對(duì)于負(fù)荷采用恒功率靜態(tài)模型并假設(shè)三相負(fù)荷平衡，10 kV母線以上系統(tǒng)等效為無(wú)限大功率系統(tǒng)。10 kV母線電壓近似為額定電壓UN。綜合上述的等效分析，建立分布式光伏電源接入10 kV配電網(wǎng)的拓?fù)淠Ｐ停缦聢D1所示。

圖1 分布式光伏接入配電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

對(duì)于等效的10 kV線路模型，沿線共設(shè)n個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都等效的裝接負(fù)荷和分布式光伏電源，如果該節(jié)點(diǎn)未有負(fù)荷或分布光伏電源接入時(shí)，可將相應(yīng)節(jié)點(diǎn)容量等效為零。為了便于分析計(jì)算對(duì)圖1中參數(shù)進(jìn)行定義，如表1所示。

表1 相關(guān)參數(shù)定義

續(xù)表：

根據(jù)上述定義，有：

1.2 電壓質(zhì)量分析

分布式光伏電源接入10 kV配電網(wǎng)對(duì)電壓質(zhì)量方面的影響主要是電壓偏差、電壓波動(dòng)和諧波畸變?nèi)齻€(gè)指標(biāo)，而此三個(gè)指標(biāo)中電壓偏差和電壓波動(dòng)又突出的對(duì)10 kV配電網(wǎng)影響較大，因此應(yīng)重點(diǎn)對(duì)分布式光伏電源接入引起的電壓偏差和電壓波動(dòng)進(jìn)行研究分析。

1.2.1 電壓偏差分析

根據(jù)圖1所建立模型可知，分布式電源未接入時(shí)，節(jié)點(diǎn)k的電壓偏差可表示為：

分布式光伏電源接入電網(wǎng)后，對(duì)10 kV線路上電壓具有一定的抬升作用，因此可以得到k節(jié)點(diǎn)的電壓偏差ΔUk%為：

整理后可得：

將10 kV線路的導(dǎo)線型號(hào)近似的認(rèn)為始終一致，r0+jx0為10 kV線路每公里的等值阻抗，則10 kV線路的抗阻比Kz為：

將10 kV母線以上電源側(cè)的系統(tǒng)阻抗忽略后，距離母線lk處第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的短路容量Slk近似為：

1.2.2 電壓波動(dòng)分析

由于光照的不確定性和隨機(jī)性，分布式光伏電源通常最大輸出功率受外界因素的影響較為明顯，在產(chǎn)生電壓偏差的同時(shí)，還會(huì)引起比較明顯的電壓波動(dòng)。假設(shè)分布式光伏電源波動(dòng)功率占其額定輸出功率的比例為λ，近似的認(rèn)為同一10 kV線路上的分布式光伏的功率同時(shí)波動(dòng)，則距10 kV母線距離為lk處，單純由分布式光伏電源引起10 kV線路上第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)dpv.k%為：

將式（6）代入式（14）中可得：

1.2.2 電壓偏差和電壓波動(dòng)綜合分析

為了在分析過(guò)程能夠更加系統(tǒng)并不失一般性的分析10 kV線路的負(fù)荷分布情況和分布式光伏在10 kV線路接入的各種分布情況下的電壓偏差和電壓波動(dòng)，設(shè)沿10 kV線路長(zhǎng)度x的負(fù)荷有功功率的分布函數(shù)為pL(x)，分布式光伏有功功率沿10 kV線路長(zhǎng)度x的分布函數(shù)為pPV(x)，10 kV線路主干線總長(zhǎng)度為L(zhǎng)。

由（12）可知，沿10 kV線路負(fù)荷和分布式光伏電源任意分布下，10 kV線路上距母線距離為lk處的電壓偏差為：

將式（12）和（13）代入（16）有：

又由（15）可知，沿10 kV線路負(fù)荷和分布式光伏電源各種分布條件下，10 kV線路上距母線距離為lk處的電壓波動(dòng)為：

將（12）和（13）代入（18）有：

1.3 分布式光伏電源接入容量區(qū)域

在匹配現(xiàn)有10 kV線路負(fù)荷分布的情況下，滿足用戶電壓質(zhì)量條件下，分布式光伏電源接入10 kV線路不同位置的允許接入容量必須同時(shí)滿足以下3個(gè)條件：

1）分布式光伏電源正常運(yùn)行時(shí)，整條10 kV線路上的電壓偏差不越額定電壓的上限；

2）分布式光伏電源退出運(yùn)行時(shí)，整條10 kV線路上的電壓偏差不越額定電壓的下限；

3）整條10 kV線路上單純由分布式光伏電源波動(dòng)引起的電壓波動(dòng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

本節(jié)綜合上述3個(gè)條件從配電網(wǎng)規(guī)劃角度出發(fā)，對(duì)分布式電源接入10 kV不同位置下允許接入的分布式光伏電源的容量區(qū)域范圍進(jìn)行分析。其中ΔUPV.S%表示電壓偏差國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值，ΔdPV.S%表示電壓波動(dòng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值。

在整個(gè)分析過(guò)程，按照最大分析法，對(duì)電壓偏差和電壓波動(dòng)最嚴(yán)重的位置進(jìn)行分析，只要在該位置保證電壓偏差和電壓波動(dòng)不越限，則能保證整條10 kV線路上的電壓偏差和電壓波動(dòng)都不會(huì)越限，通過(guò)規(guī)劃根據(jù)10 kV線路上負(fù)荷分布情況結(jié)合分布式光伏電源接入的容量和位置，則都能夠滿足電壓質(zhì)量要求。

為了更進(jìn)一步研究分析分布式光伏電源接入10 kV線路后，電壓偏差最嚴(yán)重的位置，對(duì)式（17）在0＜lk＜L上進(jìn)行不等式處理。

其中令：

[tan(arccosφ2)]由式（13）可以得到第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的短路容量Slk與距母線的距離lk成反比，由此Slk＞SL，則有式（20）不等式關(guān)系：

當(dāng)分布式光伏電源投入運(yùn)行時(shí)，電壓被抬高，則此時(shí)電壓偏差在距離10 kV母線lkmax1處最大，電壓偏差應(yīng)保證其上限不越限，必須滿足：

對(duì)式（21）進(jìn)行整理分析，得到分布式光伏電源投入運(yùn)行后電壓偏差不越上限，滿足條件1）的約束條件：

當(dāng)分布式電源退出運(yùn)行后，10 kV線路上距離10 kV母線lk處的電壓偏差為：

設(shè)分布式光伏退出運(yùn)行后，由沿10 kV線路分布的現(xiàn)有負(fù)荷引起的電壓下偏差在距離母線lkmax2處最大，其電壓偏差下限必須滿足條件2）的約束條件：

設(shè)分布式光伏電源投入運(yùn)行后，單純由分布式光伏電源產(chǎn)生的電壓波動(dòng)在距離10 kV母線lkmax3處最大，其電壓波動(dòng)必須滿足條件3）約束條件：

綜合分析，對(duì)于10 kV線路負(fù)荷和分布式光伏電源沿10 kV線路任意分布的情況下，分布式光伏接入10 kV線路的容量必須同時(shí)滿足1.3小節(jié)中的3個(gè)約束條件，于是得到式（22）、（24）和（25）共同圍成圖2中的陰影部分區(qū)域。

圖2 分布式光伏電源允許接入的容量范圍

2 典型場(chǎng)景分析

2.1 典型分布函數(shù)

由于線路上的負(fù)荷和分布式光伏接入10 kV線路的情況存在多樣性，為了便于分析并不失一般性結(jié)合實(shí)際中壓配電網(wǎng)運(yùn)行情況，負(fù)荷和分布式光伏電源沿10 kV線路分布按照6種典型分布規(guī)律進(jìn)行研究，包括：末端集中、遞增分布、均勻分布、遞減分布、中間大兩頭小分布和中間小兩頭大分布[18]。

2.2 6種典型分布下約束條件

分別將表2中的6種典型分布函數(shù)代入到式（22）和（24）中，得到6種典型分布情況下滿足電壓偏差值不越限的約束條件。采用最大分析法，只要保證10 kV線路上距離10 kV母線引起的最大的電壓偏差和電壓波動(dòng)不越限，則可保證整條10 kV線路上的電壓偏差和電壓波動(dòng)在分布式光伏電源接入后都不會(huì)越限，故在具體分析過(guò)程中按照引起電壓偏差或電壓波動(dòng)最嚴(yán)重的位置進(jìn)行計(jì)算分析。按照負(fù)荷和分布式光伏電源沿10 kV線路分布的6種典型分布，可得到共計(jì)36種典型組合。限于篇幅本節(jié)分析過(guò)程中只取1種典型組合給出具體研究方法，其他35種典型組合可按照此研究方法進(jìn)行研究分析，在此不再贅述。

表2 典型分布規(guī)律的分布函數(shù)

B組合：負(fù)荷沿10 kV線路遞減分布,分布式光伏容量沿10 kV線路遞增分布。

則得到B組合下距離10 kV母線lk處的電壓偏差為：

即：

則分布式光伏電源按B組合接入的約束條件為：

綜合上分析，按B組合規(guī)劃建設(shè)滿足電壓偏差值不越上限的約束條件為：

當(dāng)分布式光伏電源退出電網(wǎng)運(yùn)行后，電壓就被拉低將引起低電壓，由式（23）可知，按照B組合進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)下的電壓偏差為：

同理對(duì)式（31）進(jìn)行引起電壓偏差越下限最嚴(yán)重的位置進(jìn)行分析，則由式（24）則可知，按照B組合進(jìn)行負(fù)荷和分布式光伏電源規(guī)劃建設(shè)都能滿足電壓偏差不越上限要求，因此得到10 kV線路末端的電壓偏差上限的約束：

2.3 6種典型分布下滿足電壓偏差不越限的約束條件分析

結(jié)合分布式光伏電源沿10 kV線路的6種典型接入情況，得到滿足電壓波動(dòng)不越限的約束條件。將表2中的分布函數(shù)分別代入式(16)中，得到不同典型分布下距離10 kV母線lk處的電壓波動(dòng)，如表3所示。

表3 6種典型分布下單純由分布式光伏引起的電壓波動(dòng)

對(duì)表3中10 kV線路上引起電壓波動(dòng)最嚴(yán)重的位置進(jìn)行分析，得到6種沿10 kV線路典型分布下由分布式光伏電源單純引起的電壓波動(dòng)均在末端L處最嚴(yán)重。則得到分布式光伏電源電壓波動(dòng)不越限值的約束條件，如表4所示。

表4 電壓波動(dòng)下的約束條件

3 實(shí)例分析

綜合上述分析，得到按照B組合進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)（即，負(fù)荷沿10 kV線路遞減分布，分布光伏電源沿10 kV線路遞減分布）滿足電壓質(zhì)量要求下的允許接入容量區(qū)域如下圖3所示，其他35種組合允許入容量區(qū)域均可通過(guò)上述研究方法類(lèi)似的得到。

圖3 組合A分布式光伏可接入容量區(qū)域

根據(jù)實(shí)際工程建設(shè)情況，分析計(jì)算10 kV典型參數(shù)下按照B組合進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)的分布式光伏電源可接入的具體容量區(qū)域。對(duì)于大多數(shù)10 kV線路的用戶低壓側(cè)都裝設(shè)有無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償裝置，則在計(jì)算過(guò)程中負(fù)荷的功率因數(shù)取0.95，配變無(wú)功損耗的幅值占配變額定容量的比率取均值2.5%。分布式光伏電源屬于逆變器型并網(wǎng)，其并網(wǎng)功率因數(shù)在-0.95到0.95之間，近似的忽略無(wú)功功率對(duì)10 kV線路的影響，假設(shè)分布式光伏電源的發(fā)出有功功率且不參與10 kV線路電壓調(diào)節(jié)。根據(jù)分布式光電源實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析，分布式光伏電源輸出功率的變化幅度一般不會(huì)超過(guò)其輸出最大功率的一半[6]，即λ=2。電壓偏差值和電壓波動(dòng)值分別取國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值，即ΔUPV.S取下偏差-0.07和上偏差+0.07，ΔdPV.S取0.03[7-8]。

按照規(guī)劃技術(shù)指導(dǎo)原則城鎮(zhèn)配電網(wǎng)的供電半徑按L=6km考慮，鄉(xiāng)鎮(zhèn)配電網(wǎng)的供電半徑按L=15km考慮。

基于上述數(shù)據(jù)，分別得到：

YJV-120（r=0.1530 Ω/km,x=0.08 Ω/km）在配變?nèi)萘勘圈?75%時(shí)；

LJG-120（r=0.1962 Ω/km,x=0.35 Ω/km）在配變?nèi)萘勘圈?75%時(shí)；

YJLV-120（r=0.2530 Ω/km,x=0.08 Ω/km）在配變?nèi)萘勘圈?75%時(shí)城鎮(zhèn)配電網(wǎng)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)配電網(wǎng)的分布式光伏可接入容量區(qū)域如圖4～圖7所示。

圖7 B組合下YJLV-120配變?nèi)萘勘葹?5%時(shí)城鎮(zhèn)配電網(wǎng)的允許接入容量區(qū)域

根據(jù)圖4～7可以得出不同線型和不同供電半徑在B組合下分布式光伏電源的可接入容量區(qū)域。對(duì)于不同的分布情況，根據(jù)實(shí)際需求按照對(duì)應(yīng)組合下的陰影區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)，則接入的分布式光伏電源容量則能滿足電壓質(zhì)量要求。當(dāng)接入的分布式光伏電源容量超過(guò)對(duì)應(yīng)的組合下的接入容量范圍時(shí)，可以調(diào)整規(guī)劃思路按照滿足要求的接入容量區(qū)域范圍進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)，保證分布式光伏容量與10 kV線路上的負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化匹配滿足分布式光伏電源接入要求。

圖4 B組合下YJV-120配變?nèi)萘勘葹?5%時(shí)城鎮(zhèn)配電網(wǎng)的允許接入容量區(qū)域

圖5 B組合下YJV-120配變?nèi)萘勘葹?5%時(shí)鄉(xiāng)鎮(zhèn)配電網(wǎng)的允許接入容量區(qū)域

圖6 B組合下LGJ-120配變?nèi)萘勘葹?5%時(shí)城鎮(zhèn)配電網(wǎng)的允許接入容量區(qū)域

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究分析可以得到只要保證分布式光伏電源投入和退出引起的最大電壓偏差和單純有分布式電源運(yùn)行過(guò)程中引起的最大電壓波動(dòng)在10 kV線路上最嚴(yán)重的位置滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，則可保證10 kV整條線路都能滿足電壓質(zhì)量要求；

通過(guò)對(duì)于負(fù)荷與分布式光伏電源沿10 kV線路不同典型分布進(jìn)行計(jì)算，得到滿足電壓質(zhì)量條件下的分布式光電源允許接入的容量區(qū)域范圍和接入位置。為后期分布式光伏電源接入10 kV線路規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)；

本文所采用的研究方法不僅對(duì)分布式光伏電源有效，而且對(duì)其他類(lèi)型逆變器并網(wǎng)型分布式電源都適用，在分析過(guò)程中選取了1種典型組合分布進(jìn)行了具體研究分析，其他典型組合分布下所允許接入的分布式光伏電源的容量范圍都可以通過(guò)此研究方法得到。