大規模分布式光伏接入對城市配電網的影響

夏敏浩，趙萬劍，王 樂，葉誠明

(1.國網上海市電力公司經濟技術研究院，上海 200233； 2.國網上海市電力公司松江供電公司，上海 201600；3.上海電力設計院有限公司，上海 200025)

城市土地相對稀缺，大規模風電建設難以實現，因此分布式光伏發電成為了城市綠色能源發展的首選。分布式光伏發電是指在用戶場地附近建設，運行方式以用戶側自發自用為主、多余電量上網，并且在配電系統平衡調節為特征的光伏發電設施。分布式光伏發電在城市中建設的主要形式有屋頂光伏或建筑一體化光伏(BIPV)。

隨著分布式光伏接入容量的增加，大規模光伏接入對城市配電網潮流、電壓、短路電流、電能質量、保護配置等均會造成不同程度的影響[1-4]。分布式光伏還未大規模發展，針對分布式光伏接入對配電網影響的研究大多仍以理論研究為主。文獻[5]以節點電壓越限和線路潮流越限為風險評估指標，建立了配電網運行風險評估模型，給出了大規模分布式光伏接入配電網風險評估的具體實施步驟，提出針對性的風險應對措施。文獻[6]對冀北地區大規模分布式光伏發電系統并網對配電網諸多方面的影響及對策進行了一定深度的闡述。文獻[7]介紹了分布式光伏接入方式及運行特點，并從電壓分布、繼電保護、配電網運行監控、配電網規劃和配電網運行經濟性等方面分析了分布式光伏發電對配電網的影響。文獻[8]從潮流、電能質量和保護方面分析了分布式光伏并網對配電網的影響。文獻[9]分析了分布式光伏并網對配電網潮流和網損的影響，并提出了相應的對策措施。文獻[10]通過對配電網進行一年的時序全過程模擬分析了分布式光伏接入和調壓對中壓主動配電網電壓的影響，以及低壓配電網中負荷對接納分布式光伏和調壓方式的影響。本文重點分析大規模分布式光伏接入對城市配電網的影響。

1 分布式光伏接入對城市配電網的影響

1.1 電網潮流

分布式光伏接入城市配電網后，配電網的電源結構發生了很大變化，由原先的單向潮流轉變為雙向潮流。當分布式光伏功率超出所在區域配電網負荷時，全年當中某些時段的光伏發電功率會超過區域配電網的負荷需求，配電網中凈負荷為負值，多余的光伏發電功率將會倒送至上一級電網[11]。

以上海某商業廣場典型負荷曲線為例，當分布式光伏滲透率超過60%時，配電網就會出現潮流倒送情況。此時凈負荷功率如下：

Pnetload=Pload-PPV<0

(1)

式中Pload——配電網負荷功率；PPV——光伏發電功率。

對于380 V電壓等級，接入的分布式光伏容量上限PPV,max受臺區配電變壓器容量Ptrans和臺區日間最低負載率rmin的限制，有如下關系：

PPV,max=Ptrans×(1-rmin)

(2)

1.2 節點電壓

通常情況下，分布式光伏發電以定功率因數控制模式運行。以接入低壓配電網的分布式光伏為例，分析分布式光伏接入對節點電壓的影響，如圖1所示。

圖1 分布式光伏接入低壓配電網示意圖

假設電網側電壓UN不變，光伏接入點的電壓UL與線路路徑上的潮流有關，當分布式光伏發電功率大于負荷功率時，供電線路上將發生功率倒送，并抬高配電網末端光伏并網點的電壓，造成配電網末端電壓偏高。

為了解決光伏接入造成的電壓過高問題，需要調節光伏輸出的無功功率。

1.3 短路電流

分布式光伏采用逆變器接入電網，分布式光伏并網逆變器的主電路普遍采用基于脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，簡稱PWM)控制技術的電壓源逆變器(Voltage Source Inverter，簡稱VSI)結構。該結構可等效為一個頻率上與電網電壓同步、幅值上連續可控的電壓源，此電壓源經過濾波電抗器可以等效為一個幅值和相位連續可調的電流源[12]。

在電網發生短路故障時，逆變器會限制分布式光伏系統提供的短路電流。根據GB/T 19939—2005《光伏系統并網技術要求》，配電網發生短路時由光伏系統提供的短路電流不超過其額定電流的1.5倍。在光照強度較低時，分布式光伏系統提供的短路電流更小。因此可按照額定電流的1.5倍計算分布式光伏系統提供的額定電流。

1.4 電能質量

分布式光伏發電系統采用逆變器為電力電子設備，該裝置在并網運行時會向電網注入諧波，引起諧波污染。

通常光伏電源可等效為內阻無窮大的諧波電流源，大規模分布式光伏接入配電網的不同節點中相當于在配電網中加入了大量的諧波電流源。配電網諧波等效電路如圖2所示。

圖2 分布式光伏接入對電網諧波影響示意圖

該等效電路中除分布式光伏逆變器以外不考慮其他諧波源。

分布式光伏接入配電網后，注入的n次諧波電流為IS，ZLa為分布式光伏接入點(POC)前負荷的n次諧波等效阻抗，ZLb為分布式光伏接入點(POC)后負荷的n次諧波等效阻抗，Zeq為負荷接入點(POL)與公共連接點(PCC)間的n次諧波等效阻抗。

則在POC點有：

IS-ILa-ILb=0

(3)

(Zeq//ZLa)ILa=ZLbILb

(4)

在POL點有：

ILa-Ieq-IL=0

(5)

ZeqIeq=ZLaILa

(6)

可以得到：

(7)

由式(7)可知，流入PCC點的諧波電流Ieq由Zeq、ZLa、ZLb共同決定。由于Zeq通常遠小于ZLa和ZLb，因此分布式光伏注入的諧波電流IS大部分流入PCC點。

2 分布式光伏接入城市配電網模型構建

2.1 配電網模型構建

采用DIgSILENT Powerfactory電力系統仿真軟件對分布式光伏接入城市配電網典型場景進行建模。

以城市電網中典型的三分段多聯絡架空線路中壓配電網和開關站電纜單環網接線作為配電網典型案例，分析分布式光伏接入對城市配電網的影響，如圖3和圖4所示。

圖3中，以2個分段開關分將架空線為三個分段，每個分段線路長1.5 km。線路高峰負荷4 MW，日間低谷負荷按照2 MW計算。每個分段中通過1回0.5 km接入一組分布式光伏電源，光伏通過升壓變以10 kV接入配電網。其中PV1和PV2配置在支線上，PV3配置在主干線路末端。首端節點電壓設為10 kV。

圖3 架空線三分段多聯絡接線

圖4中，變電站10 kV側通過2個開關站形成單環網接線。每一段電纜線路長2 km，開關站每段母線接入負荷1 MW。單環網高峰負荷4 MW，日間低谷負荷按照2 MW計算。開關站每段母線通過1回0.5 km接入一組分布式光伏電源，光伏通過升壓變以10 kV接入配電網。4處分布式光伏分別接入兩座開關站的不同段母線。首端節點電壓設為10 kV。

圖4 電纜開關站單環網接線

2.2 分布式光伏模型構建

分布式光伏采用DIgSILENT中光伏系統模型建模，采用全功率變換光伏模型，光伏出力控制采用衡功率因數控制，功率因數設為0.95。光伏短路電流為1.5倍額定電流。光伏逆變器各次諧波電流如表1所示。

表1 光伏逆變器諧波

3 算例分析

3.1 電網潮流分析

為研究分布式光伏接入對不同類型用戶負荷疊加的影響，研究光伏滲透率分別為50%、75%、100%、150%的情況下，不同類型用戶的凈負荷。

其中光伏滲透率定義為光伏裝機容量與峰值負荷的比值：

(8)

本文選取制造業用戶為例進行分析，制造業用戶四季典型負荷曲線見圖5，可見制造業四季負荷較為一致，其中夏、冬季的負荷略高于春、秋季的負荷。

圖5 制造業用戶的負荷曲線

不同光伏滲透率下負荷疊加光伏出力后的凈負荷曲線如圖6所示。

圖6 制造業用戶不同光伏滲透率下的凈負荷曲線

由圖6可以看出，對于制造業用戶，分布式光伏滲透率達到150%時出現反向潮流，最大反向潮流僅為正向潮流的25%。由此可見，由于制造業用戶負荷較穩定，分布式光伏接入對制造業用戶潮流的影響較小。

3.2 節點電壓分析

通過仿真建模對分布式電源接入后配電網線路末端的節點電壓進行分析，結果見表2。由計算結果可見，隨著分布式光伏出力的逐步增加，配電網線路末端電壓顯著升高。當分布式光伏出力大于線路上負荷時，會造成線路末端電壓高于首端電壓。

表2 典型接線分布式光伏對節點電壓的影響

3.3 短路電流分析

模擬配電網在變電站出線處發生短路，在分布式光伏接入前短路電流為11.6 kA，在分布式光伏接入后，短路電流見表3。由表3可見，隨著分布式光伏接入容量的增加，配電網短路電流逐步增大，但由于分布式光伏提供的短路電流僅為其額定電流的1.5倍，因此分布式光伏接入提供的短路電流較小，對配電網短路電流的影響有限，僅短路電流接近極限的區域在建設分布式光伏時需要注意校核短路電流是否超標。

表3 典型接線分布式光伏對節點短路電流的影響

3.4 諧波電流分析

根據GB/T 24337—2009《電能質量公共電網諧波》規定，分布式光伏發電系統接入電網后向電網公共連接點注入的諧波電流應符合標準要求，如表4所示。

表4 分布式光伏接入架空網對電網公共連接點各次諧波

根據諧波潮流計算結果，變電站出線處諧波畸變率如圖7和圖8所示。各節點接入分布式光伏容量1～3 MW時，變電站出線各次諧波電流見表5和表6。可見大規模分布式光伏接入雖然會帶來新的諧波源，但對配電網諧波影響較小，只有在背景諧波接近限值時才有可能導致諧波電流超過允許值。

表5 分布式光伏接入架空網對電網公共連接點的各次諧波及諧波電流

表6 分布式光伏接入開關站單環網對電網公共連接點的各次諧波及諧波電流

4 結語

本文針對大規模分布式光伏接入城市電網進行了仿真計算，分析了分布式光伏接入對電網潮流、節點電壓、短路電流和電能質量的影響。

(1)分布式光伏接入后對配電網潮流造成很大影響，可能造成線路輕載甚至潮流倒送的情況。當配電網線路潮流較輕時接入大量分布式光伏可能造成配電變壓器過載。

圖7 分布式光伏接入架空網對電網公共連接點諧波畸變率

圖8 分布式光伏接入開關站單環網對電網公共連接點諧波畸變率

(2)大規模分布式光伏接入會造成接入點電壓升高。尤其是對于電纜網為主的城市電網，會進一步加劇線路輕載時線路末端電壓過高的問題。必要時需要對分布式光伏逆變器輸出無功進行控制。

(3)分布式光伏接入會增加配電網的短路電流，但增加幅度很小。短路電流大小的變化可能影響保護整定，大規模分布式光伏接入后需要對保護進行重新整定。

(4)分布式光伏作為諧波源接入電網后會帶來一定的諧波污染，但是合格的逆變器造成的諧波影響有限，不會對配電網的諧波造成很大影響。