高分布式發電滲透率對配電網電壓的影響

趙青宇

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著分布式光伏發電、風力發電等清潔能源的逐漸普及，分布式發電（DG）系統對配電網產生的影響逐漸引起了人們的關注。其中，高滲透率分布式發電系統對配電網電壓穩定性的影響是一項關鍵問題。

當分布式發電系統的滲透率較低時，其對配電網的影響較小，電壓穩定性不受明顯影響。但是當分布式發電系統的滲透率較高時，由于分布式發電系統的電源特點，其向配電網注入的電能將對電網的電壓造成影響。

對于低壓配電網而言，高滲透率分布式發電系統的接入會導致電壓升高，這將會對用戶的終端設備造成損害，同時也會增加電網管理的難度。因此，在接入高滲透率分布式發電系統前，需要對低壓配電網進行相應的升級和配電設備的優化，以保證電壓穩定。

對于高壓配電網而言，高滲透率分布式發電系統的接入會導致電壓下降。雖然應用降壓變壓器可以緩解這種電壓下降，但需要注意的是，短期內大量降壓變壓器的投入使用會增加配電網系統的復雜性，增加運行成本，同時也會增加設備的損耗。

1 技術分析

針對高滲透率分布式發電系統對配電網電壓穩定性的影響，可以采取以下措施：加強配電網設備的監測和維護，及時發現和修復電網設備故障，保證電網的穩定運行；通過分段調節降壓變壓器的輸出電壓，對接入分布式發電系統的區域進行有針對性的電壓調節；建立高效的電能管理機制，推廣一些新技術，如等效注入電量控制技術、自適應電壓控制技術等，有助于提高電網的電能質量和電壓穩定性；推廣并利用分布式儲能技術，增加分布式發電系統的可調度性，減輕分布式系統給配電網帶來的電壓波動。

在傳統意義上，配電系統的設計目的是將電力從發電廠及變電站輸送到客戶，然而，隨著DG融入配電系統的趨勢越來越明顯，配電系統的現狀也隨之演變。一般而言，將分布式發電集成到配電系統中，以優化分布式發電的布局，有利于配電系統向客戶提供電力的可靠性，減少輸電系統的損耗，并在一定程度上改善了電壓狀況［1-2］。由于需要從電網輸入的電力較少，線路和電力變壓器的損耗也可以降低。

DG 集成對配電網的技術影響之一是故障級別的增加。DG 與配電系統的連接決定了故障級的增加，故障級的增加主要是由同步或異步電機引起的［3-5］。此外，分布式發電集成也可能影響配電網電壓的波動。主要穩壓設施包括變電站負荷分接開關、線路調節器、自動穩壓設備等。

綜合國內外研究成果，隨著分布式發電系統滲透率的不斷增加，對配電網電壓穩定性的影響也會逐漸凸顯出來。只有通過加強設備維護、調節變壓器、應用新技術和儲能技術等多種手段，才能有效地應對分布式發電對配電網電壓穩定性的影響，提高電網運行的安全性和可靠性。

2 分析框架

2.1 配電網絡

配電網絡的電壓值由35kV 和10kV 組成，并與輸電系統的110kV 電壓電平相連接。配電網有2 個主要進入口，分別為110／10kV 變電站和110／35kV變電站。110／10kV 配電網通過2x30MVA 變壓器與110kV 輸電系統連接，有14 個配電饋線。所有的饋線最終連接到10kV 變電站中壓-低壓互聯。同時，110／35／10kV 配電網通過2x90MVA 變壓器與110kV輸電系統連接，并通過35／10kV 變電站分布。

2.2 光伏發電

模擬的太陽能光伏剖面是使用太陽能資源數據站點生成的。光伏年發電量公式為：

式中，HA是單位面積太陽能年輻射總量，S 是組件面積，K1是組件轉換效率，K2是系統綜合效率。組件轉換效率K1一般取值為0.14-0.2，系統綜合效率K2一般取值為0.8±0.01。本文研究使用的光伏模型來自仿真系統的一個425kW 光伏系統的一年太陽能發電總量，并將其作為模擬研究的輸入。

2.3 場景模擬

針對110／10kV主進站、10kV 開關站和10／0.38kV配電站的DG 接線情況，進行了仿真分析。考慮了兩個DG 地點，以了解DG 融入中壓配電網的影響，即在每個饋線的開始和結束。對每種情況進行模擬，DG滲透從基本情況（無DG 連接）、25%、50%、75%、100%、150%和200%最大負荷分別分析配電網絡。

圖1 顯示了在高DG 和低負荷情況下，網絡中的總有功負荷和網絡中DG 的總有功發電量。圖形顯示負荷為13.99 兆瓦。而DG 發電量由5.99MW增加到47.91MW，DG 滲透率由25%增加到200%。

圖1 各滲透率下DG 發電量

3 仿真及結果分析

3.1 分布式發電影響

本文基于三相交流系統故障電流計算方法進行了短路分析，分析了在研究的配電網中提高DG穿透水平的效果。集成到配電網中的每個光伏的DG 短路電流效應被設置為光伏最大電流的1.4倍。在圖2 中，可以看到，在基本情況下，初始故障水平測量的10kV 母線的相應變電站電流已超過20kA 的24.3%。本文分析了變壓器阻抗由14%提高到18%的效果。在基本情況下可以觀察到，增加變壓器阻抗后，故障電流由20kA 降至19.42kA。在所有情況下，DG滲透增加隨之而來的故障水平也增加。研究分析表明，每增加25%的DG 滲透率，故障水平將增加約2.2%。

圖2 變壓器短路14%、18%時故障電流

當DG 位于每個饋線的開始和結束時，配電網絡損耗圖如圖3 所示。在這兩種情況下，網絡損耗都會隨著DG 滲透率增加到50%而減少，因為DG生成更接近負載，從而減少了從電網的導入。然而，隨著分布式發電滲透率持續上升至200%，由于分布式發電產生的更多電力需要轉移到主要的變電站，因此網絡損耗反應到圖上即增加。由圖可以觀察到，在相同的DG 滲透水平下，當饋線末端沒有反向電源時，DG 連接的網絡損耗較低，這受到DG 所連接負荷的影響。然而，當DG 滲透水平超過50%，從而發生反向潮流的電網，定位在饋線末端的DG 將導致更高的網絡損耗，這是由于需要通過輸電線路向主變電站輸送更高的電力。另一方面，變壓器損耗較少的情況下，DG 在每個饋線處結束，由于較高的功率損耗在網絡上，因此發生較少的反向功率。

圖3 配電網絡損耗

3.2 提高故障水平緩解措施

提高故障緩解水平主要有以下措施：設置母線連接處的故障限流電抗器（FCLR）；設置進線饋線上的故障限流電抗器；使用分流母線。

母線連接處安裝FCLR 示意圖如圖4 所示，在110／10kV 配電網絡上安裝了FCLR。可以看出，阻抗為0.759 歐姆的FCLR 能有效地將短路電流從24.846 kA 降低到18kA。

在圖5 中，安裝在母線接頭上的FCLR 被認為是最小化DG 滲透。然而，當DG 滲透率增加到200%時，緩解后的故障級別超過20kA。據觀察，每增加25%的DG 滲透率，故障水平將增加約20kA的1.4%。

進線及饋線處安裝FCLR 示意圖如圖6 所示，在所分析的110／10kV 配電網絡上母線接線處安裝了FCLR。可以看出，阻抗為0.2148歐姆的FCLR 能有效地將短路電流從24.846kA 降低到18.02kA。

圖6 進線及饋線處安裝FCLR 示意圖

在圖7 中，安裝在進線饋線上的FCLR 在最小化故障級別增加的影響效果不如安裝在母線接頭上的FCLR 有效。然而，與在總線接頭上的安裝相比，在進線上只需安裝較小的FCLR。據觀察圖形可得，每增加25%的DG 滲透率，故障水平將增加約2.1%。

3.3 分流母線

圖8 顯示了分流母線的110／10kV 網絡。由于主備母線分離，短路電流只能通過一個變壓器供電。

圖9 顯示在故障水平顯著降低后，母線分流被認為是非常有效能減少故障水平的方法。由圖可知DG 滲透和故障電流增加不明顯。

4 結論

本文提出了一個模擬分析框架，以評估配電網電壓水平受分布式發電高滲透水平的影響，并在實際110／35／10kV 配電網模型的基礎上進行了仿真研究。研究了DG 滲透率4 個主要影響因素，即對故障水平的影響、對配電網電壓的影響、對網損的影響以及對線路負荷的影響。本文仿真研究表明，增加變壓器阻抗、安裝FCLR、設置分流母線等是有效的解決辦法，可以有效減輕故障影響水平。今后的工作將涉及智能逆變器特性的實際研究和測試，以期找到能緩解配電網DG 滲透率對電網影響的新方法。