高滲透率分布式電源接入對配網(wǎng)電壓的影響分析

王文彬，范瑞祥，曾 偉

（國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

近年來，分布式電源在國內(nèi)迅猛發(fā)展。分布式電源是指直接布置在配電網(wǎng)或分布在負(fù)荷附近的光伏發(fā)電設(shè)施，經(jīng)濟(jì)、高效、可靠地發(fā)電。分布式電源接入配電網(wǎng)，對節(jié)點(diǎn)電壓、電能質(zhì)量、保護(hù)、短路電流等都會(huì)產(chǎn)生很大影響，且影響程度與分布式電源的位置和容量密切相關(guān)。同時(shí)，分布式光伏發(fā)電的接入必然影響穩(wěn)態(tài)電壓分布，進(jìn)而影響到供給用戶的電能質(zhì)量。

1 模型建立

配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型較多，我國城鄉(xiāng)大多數(shù)配電系統(tǒng)仍以放射狀鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)為主，以下將變電所以上的網(wǎng)絡(luò)全部等值為電壓源。饋線中不同位置分布有若干負(fù)荷，配電網(wǎng)中的負(fù)荷種類繁多，隨機(jī)性大，較難準(zhǔn)確地對負(fù)荷加以表示。為便于研究，統(tǒng)一采用MATLAB軟件提供的負(fù)荷模塊來表示負(fù)荷；同時(shí)，假設(shè)負(fù)荷三相對稱；因電壓等級較低，配電線路長度較短，三相線路間的互感也不予考慮；所有線路阻抗均折合到系統(tǒng)電壓等級。

沿饋線將每一集中負(fù)荷視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)并編號，從變電所的母線開始，依次編為1，2，…，N。每一小段線路的電阻和電抗分別為R，X，形成的配電網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 含DG的多節(jié)點(diǎn)鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)絡(luò)

2 仿真分析

2.1 不同地點(diǎn)接入分布式電源對于配網(wǎng)電壓的影響

在MATLAB仿真軟件simulink環(huán)境下建立圖1所示的一條10 kV規(guī)劃DG的配電線路模型如圖2所示，其中配電線路為架空線，各參數(shù)如下：r1=0.45 W/km，r0=0.74 W/km；L1=0.9337 mH/km，L0=4.1264 mH/km；C1=0.07074 m F/km，C0=0.0478 m F/km。負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù)為7，為便于研究，將1 MVA，功率因數(shù)為0.95的負(fù)荷均勻的分布在架空線路上，負(fù)荷間架空線的長度為1 km。主變壓器變比設(shè)為110/10.5 kV。

供電電壓偏差是電能質(zhì)量的一項(xiàng)指標(biāo)。合理確定該偏差對于電氣設(shè)備的制造和運(yùn)行，對于電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)都有重要意義。對于一般的電工設(shè)備，電壓偏差超出其設(shè)計(jì)范圍時(shí)，直接影響是惡化運(yùn)行性能，并會(huì)影響其使用壽命，甚至使設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)損害；間接影響是可能波及相應(yīng)的產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和數(shù)量。因此，電壓允許偏差標(biāo)準(zhǔn)的確定是一個(gè)綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題。以下分析中令10 kV三相供電電網(wǎng)的電壓允許偏差為±5%，探討分布式電源的接入位置對配電線路電壓的影響。

圖2 10kV配電線路模型

圖3 含DG的仿真電路

分別對配電線路上沒有接入分布式電源和在不同的負(fù)荷點(diǎn)接入容量為3 MW，功率因數(shù)為1的分布式電源的情況做仿真。仿真電路如圖3所示。線路上各負(fù)荷點(diǎn)的電壓分布如圖4所示。

圖4 各負(fù)荷點(diǎn)接入3 MW的DG后電壓分布

保持分布式電源的總出力3 MW不變，分別在負(fù)荷點(diǎn)5、6、7和1、2、3接入1 MW的分布式電源。線路上各負(fù)荷點(diǎn)的電壓分布如圖5所示。

圖5 各負(fù)荷點(diǎn)分別接入1 MW的DG后電壓分布

從圖4可以看出，在10 kV的配電線路上均勻接入1MVA，功率因數(shù)為0.95的7組負(fù)荷后，配電線路上的電壓逐漸降低，并且在線路末端負(fù)荷點(diǎn)6、7處降到9.5kV以下超出了安全運(yùn)行的電壓下限。當(dāng)在各負(fù)荷點(diǎn)接入分布式電源后，配電線路上的電壓有明顯的改善。說明在配電網(wǎng)接入分布式電源可以明顯改善饋線的電壓分布。

同樣由圖5可知，總出力相同的分布式發(fā)電，分布在不同的位置，配電線路上的電壓分布有著較大的差異。越接近末節(jié)點(diǎn)，電壓變化率越大，受分布式發(fā)電注入功率的影響越大。相反，分布式發(fā)電越接近系統(tǒng)母線，對線路電壓分布的影響越小。如在負(fù)荷點(diǎn)1接入3MW的分布式電源后負(fù)荷點(diǎn)7的電壓仍然低于9.5kV。雖然在負(fù)荷點(diǎn)7接入3MW的分布式電源后配電線路上的電壓分布有了明顯的改善，但是負(fù)荷點(diǎn)的電壓變化過大。所以從減小電壓變化率的角度，分布式發(fā)電并不適宜在末節(jié)點(diǎn)接入系統(tǒng)，相反，可選擇在線路中間偏末端的位置或位置組合。

從圖5可以看出，將3組容量1 MW的分布式電壓接入3個(gè)負(fù)荷點(diǎn)對配電線路的電壓支撐效果優(yōu)于將一個(gè)3 MW的分布式電源接入一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)。說明總出力相同的分布式發(fā)電，分布在不同的位置組合，得到的電壓分布要優(yōu)于把DG集中接入配電線路的情況。而且接入負(fù)荷點(diǎn)1、2、3后對配電線路電壓的支撐效果弱于接入負(fù)荷點(diǎn)5、6、7。從而可以說明，配電線路接入分布式電源時(shí)應(yīng)當(dāng)分散接入，并且將DG分布于線路中間偏末端的節(jié)點(diǎn)上。

2.2 分布式電源的出力對配電線路電壓的影響

在負(fù)荷點(diǎn)6依次接入2 MW，4 MW，5 MW的分布式電源，線路上各負(fù)荷點(diǎn)的電壓分布如圖6所示。

圖6 接入不同容量的DG配電線路電壓分布

觀察圖6可知，在相同的負(fù)荷點(diǎn)接入分布式電源，分布式發(fā)電的總?cè)萘吭酱?，這些點(diǎn)的電壓越高。說明分布式電源對配電線路電壓的支撐與其容量有關(guān)。隨著DG容量增加這些點(diǎn)的電壓就會(huì)不斷增加，當(dāng)DG為5 MW時(shí)，配電線路上某些點(diǎn)的電壓超過了10.5 kV。在分布式發(fā)電規(guī)劃時(shí)，如果DG的容量選擇不當(dāng)分布式發(fā)電的電壓支撐會(huì)使得某些節(jié)點(diǎn)的電壓高于額定電壓或者高于送端系統(tǒng)母線電壓。當(dāng)DG退出運(yùn)行后線路上的電壓變化幅度也將過大。

2.3 分布式電源的功率因數(shù)對配電線路電壓的影響

根據(jù)圖6可知，在負(fù)荷點(diǎn)6接入5 MW分布式電源后饋線上某些點(diǎn)的電壓超出了10.5 kV。調(diào)解DG的功率因數(shù)為0.95，即DG發(fā)出4.75 MW的有功，并從系統(tǒng)吸收無功。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 DG的功率因數(shù)對配電線路電壓分布的影響

根據(jù)以上討論，可以發(fā)現(xiàn)一定容量的DG接入配電網(wǎng)可以改變饋線上的電壓，但是具體效果與DG選址及容量有密切的關(guān)系。如果選擇不當(dāng)，DG會(huì)使得饋線上某些點(diǎn)的電壓超出允許范圍。此外對于分布式電源端，由于國家政策規(guī)定和特定地理位置原因，一般安裝位置可以看成是固定的。在這種情況下，由于分布式發(fā)電的接入饋線上某些點(diǎn)的電壓超出規(guī)定范圍的可能性更大。調(diào)節(jié)DG的功率因數(shù)，使DG從配電網(wǎng)吸收一定的無功，可以改善DG的接入使得饋線上某些點(diǎn)電壓越限的問題。如圖7所示，在負(fù)荷點(diǎn)6接入5MW的DG后，饋線上的某些點(diǎn)電壓大于10.5 kV。將DG的功率因數(shù)由1調(diào)為0.95后，負(fù)荷點(diǎn)電壓全部降到了安全范圍之內(nèi)，這說明通過調(diào)解DG的功率因數(shù)可以很好的解決配電線路電壓越限的問題。為了環(huán)保及資源利用率最大化，通過不同種類型的分布式電源的不同運(yùn)作原理，通常讓DG發(fā)出的有功最大化，再配合靜止無功發(fā)生器SVG等無功補(bǔ)償裝置調(diào)節(jié)電壓，可以保證配電線路的電壓不會(huì)超出允許范圍。但增加無功補(bǔ)償裝置就意味著增加投資，這就需要綜合考慮投資和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)問題進(jìn)行規(guī)劃。

結(jié)合以上仿真分析，針對DG對配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓分布的影響，得出以下結(jié)論：

1）一定容量的DG接入配電網(wǎng)將會(huì)改變饋線上的電壓分布，但是具體效果與DG的接入位置及容量有密切的關(guān)系。

2）當(dāng)分布式發(fā)電相對網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時(shí)，饋線上某些點(diǎn)的電壓會(huì)超出規(guī)定范圍，可以通過調(diào)節(jié)DG的功率因數(shù)或利用無功補(bǔ)償裝置解決此類問題，但正常情況下，分布式發(fā)電應(yīng)多發(fā)有功、少發(fā)無功，保持高功率因數(shù)運(yùn)行。

3）相同容量的分布式發(fā)電，散布在饋線上比集中在同一個(gè)位置對電壓控制有利。

4）由于特定地理位置限制及其它一些原因，一般安裝位置相對確定，因此分布式發(fā)電的規(guī)劃內(nèi)容主要集中在定容方面。

3 結(jié)束語

本文通過仿真，驗(yàn)證了不同容量不同地點(diǎn)DG接入配電網(wǎng)對用戶端電壓的影響，并通過對比不同功率因素DG接入配電網(wǎng)中對配電網(wǎng)電壓分布的影響，得出可通過調(diào)節(jié)分布式電源的功率因素來調(diào)節(jié)配網(wǎng)線路電壓分布。為分布式電源參與電網(wǎng)調(diào)壓提供了一定參考依據(jù)，也為配網(wǎng)滾動(dòng)規(guī)劃提供一個(gè)有益的參考。

[1]裴瑋，盛鹍，孔力，齊智平.分布式電源對配網(wǎng)供電電壓質(zhì)量的影響與改善[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008.

[2]王敏，丁明.含有分布式電源的配電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃[J].農(nóng)村電氣化，2003.

[3]IEEE 1547，IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resourcewith Electric Power Systems，2003.