分布式光伏發(fā)電對住宅配電系統(tǒng)的影響

孫闊

（國網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司天津300113）

分布式光伏發(fā)電對住宅配電系統(tǒng)的影響

孫闊

（國網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司天津300113）

分布式發(fā)電在過去的幾十年里發(fā)展迅速，因其可以分布在用戶密集區(qū)及其周圍，而具備傳統(tǒng)發(fā)電方式所缺少的優(yōu)勢。然而，因?yàn)榉植际诫娫纯赡軙?huì)產(chǎn)生雙向電力潮流和其他潛在、難以預(yù)測的問題，配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不能與之完全匹配。本文研究了兩種不同類型的分布式光伏電源對配電饋線的影響，進(jìn)一步研究了高穿透率分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的影響并對可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了指證。

分布式發(fā)電；配電系統(tǒng)；配電工程；光伏；住宅屋頂光伏；應(yīng)用光伏；電壓變動(dòng)率；電壓不平衡系數(shù)；線損

分布式發(fā)電（DG）即可分布在用戶區(qū)域或附近的電力來源。這些電源擁有低電壓等級的特點(diǎn)。最近幾年間，由于政策逐步放寬和日益凸顯的環(huán)境問題，分布式發(fā)電得以快速發(fā)展[1][2]。與電網(wǎng)連接的分布式光伏電源大致可分為兩種，住宅屋頂式光伏發(fā)電和大型應(yīng)用型獨(dú)立光伏發(fā)電。

典型的配電網(wǎng)絡(luò)潮流全部來自一級變電所，在系統(tǒng)中屬于獨(dú)立來源。但隨著配電接入更多的分布式電源，這一設(shè)計(jì)將會(huì)被顛覆。同時(shí)，新的運(yùn)行情況將可能會(huì)出現(xiàn)。對分布式發(fā)電影響的初步研究起始于電能質(zhì)量、可靠性和電網(wǎng)運(yùn)行狀況。研究表明，高穿透率分布式電源對電能質(zhì)量和電網(wǎng)運(yùn)行有較大影響。

1　系統(tǒng)描述

圖1　12.47kV測試配電饋線

被測配電饋線為亞利桑那州典型的城市配電饋線。輸入的負(fù)載數(shù)據(jù)是一小時(shí)內(nèi)饋線總負(fù)載的平均值。這些數(shù)據(jù)可以從能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(Energy management systemdatabase)獲取,如圖1示。

被測饋線由12.74kV，9英里長的三相架空線和由主饋線發(fā)出的等長單相電纜組成（未在圖一顯示）。所需的電纜和架空線序列阻抗在表1中示出。

設(shè)定該三相架空饋線為平衡、換相架空線。系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　饋線數(shù)據(jù)（R，X單位為Ω/MILE，B單位為ΜS/MILE）

1.1饋線供給兩個(gè)負(fù)載區(qū)，負(fù)載區(qū)域1和區(qū)域2如圖1所示。居民用戶在兩區(qū)域密集。

1.2居民用戶位于放射型饋線末端且屋頂裝載有單相光伏發(fā)電機(jī)。居民用戶及其光伏電壓如圖2所示。

1.3屋頂式光伏發(fā)電容量為3kW～4kW。

1.4兩座應(yīng)用型三相光伏電機(jī)分別位于距離變電所3英里（PVG 1，即光伏電機(jī)1）和7英里（PVG2，即光伏電機(jī)2）。

1.5PVG1發(fā)電容量400kW，PVG2為500kW。屋頂式光伏發(fā)電總裝機(jī)容量為400kW。單相光伏電源在每相配電分別為，A相174kW、B相109kW和C相117kW。

1.6三個(gè)并聯(lián)電容器組安裝在CAP1、CAP2和CAP3。其容量分別為800kVAr、1200kVAr和800kVAr。

圖2　由屋頂光伏分布式電源供給的典型住宅負(fù)荷

該系統(tǒng)在典型夏季周的負(fù)載波動(dòng)如圖3所示。被測系統(tǒng)最大負(fù)載5.5MW、最小負(fù)載2.1MW。

圖3　典型夏季一周負(fù)荷曲線

2　分析研究

為了研究中等穿透率的分布式光伏電源在不同負(fù)載下對系統(tǒng)的影響，本文設(shè)計(jì)了兩種方案。方案1展現(xiàn)了低負(fù)載的夏季工作日，由于居民用電率低總負(fù)載為2.1MW。方案2展現(xiàn)了高負(fù)載的夏季雙休日，由于居民多于家中，家電陸續(xù)工作，總負(fù)載為5.5MW。兩方案的單相配電量如表2所示。其次，每套方案均考慮了兩種事例。事例1為系統(tǒng)無光伏電源并網(wǎng)，事例2為1.2MW分布式光伏并網(wǎng)。對于中穿透率級別，1.2MW的光伏電源供應(yīng)方案1的57.14%的負(fù)載，供應(yīng)方案2的21.81%的負(fù)載。

表2　不同方案負(fù)載總結(jié)

為了研究高穿透率光伏電源對系統(tǒng)的影響，增加屋頂光伏發(fā)電量從而令總光伏發(fā)電量上升至2MW。同時(shí)，研究系統(tǒng)為低負(fù)載條件即表1所示方案1。對于低負(fù)載系統(tǒng)，2MW分布式光伏電源供應(yīng)95.2%的總負(fù)載。

3　中穿透率分布式光伏發(fā)電

3.1光伏電源對電壓側(cè)影響

饋線負(fù)載電流流經(jīng)線路阻抗及配電變壓器形成電壓降。在負(fù)載中心引入分布式光伏電源會(huì)降低從變電所流出的負(fù)載電流，進(jìn)而提升電壓。只要光伏發(fā)電量足夠滿足負(fù)荷要求且凈總電力潮流為一級變電所流向負(fù)載終端。隨著系統(tǒng)負(fù)載的改變，可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)電下流負(fù)載降低，從而造成光伏電源附近電壓上升。這一影響將隨著校正電容組的動(dòng)作而加重，進(jìn)而使有害的電壓偏移在饋線其他部分出現(xiàn)。

本節(jié)將重點(diǎn)研究分布式光伏電源對被測配電饋線電壓變動(dòng)率的影響。在實(shí)驗(yàn)過程中，并聯(lián)電容器將與系統(tǒng)保持連接從而檢測其對兩方案的影響。在低負(fù)載條件下，由于饋線電流低，當(dāng)系統(tǒng)不接入光伏電源時(shí)饋線接收端電壓接近接近1p.u.由于并聯(lián)電容向系統(tǒng)注入無功，饋線中部的電壓得以上升。

3.2光伏電源對電壓不平衡系數(shù)的影響

供電電壓的不平衡會(huì)造成運(yùn)行性能降低并會(huì)對三相電動(dòng)機(jī)造成永久損害。電壓的不平衡會(huì)在電動(dòng)機(jī)定子終端產(chǎn)生不當(dāng)升高的不平衡電流。由于會(huì)造成過熱，不平衡電流會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，機(jī)械應(yīng)力，損耗上升和繞組絕緣壽命降低。將大多數(shù)設(shè)備的公共耦合點(diǎn)(pointofcommoncoupling,PCC)電壓不平衡系數(shù)控制在2%以內(nèi)是常識。國際電力生產(chǎn)協(xié)會(huì)(National Electrical ManufacturersAssociation, NEMA)定義的電壓不平衡即線電壓不平衡率,由下給出：

IEEE對電壓不平衡即相電壓不平衡率(PVUR)的定義為：

電壓不平衡系數(shù)(VUF(%))的定義為負(fù)序電壓大小與正序電壓大小的比值.VUF(%)表示為：

在本節(jié)中,分布式光伏電源對被測配電饋線VUF的影響將被介紹.方案1與方案2的饋線VUF分布分別在圖4與圖5展示.總體而言,距離變電所越遠(yuǎn),電壓不平衡系數(shù)越高。變電所被視為三相平衡電源，但由于饋線上的不平衡負(fù)載電流會(huì)產(chǎn)生不相等的電壓降，將會(huì)導(dǎo)致不平衡相電壓。

圖4展示了方案1主饋線的電壓不平衡系數(shù)變化。如圖4所示，在低負(fù)載的條件下，電壓不平衡系數(shù)較低，最大值為0.22%。這是由于饋線上沒有明顯的電壓降指使相電壓保持與PCC（公共耦合點(diǎn)）相近的平衡水平。

圖4　方案1主饋線VUF（%）

通過對圖4的事例1（無PV）與事例2（1.2MW PV）進(jìn)行比較，可以得出在低負(fù)載的條件下分布式光伏電源對系統(tǒng)電壓不平衡系數(shù)沒有明顯影響——兩個(gè)事例的最大VUF(%)均接近0.22%。但是值得注意的是，當(dāng)系統(tǒng)接入分布式光伏時(shí)在饋線中段VUF有所增長。這是由于在饋線中段，不同穿透率的光伏電源在不同相，形成了不相等的電壓升高。

方案2的主饋線VUF如圖5所示。對于高負(fù)載系統(tǒng)，接入分布式光伏對系統(tǒng)VUF造成明顯影響。從圖5中可以看到，當(dāng)系統(tǒng)接入1.2MW分布式光伏后，饋線末端的VUF從0.7%明顯下降至0.45%。由于分布式光伏電源的出現(xiàn)，負(fù)載在當(dāng)?shù)丶纯傻玫焦?yīng)。這就造成了供電饋線不平衡電流的降低，進(jìn)而降低了不平衡電壓降從而改善了PCC處的VUF(%)。

圖5　方案2主饋線VUF（%）變化

4　高穿透率分布式光伏

4.1對電壓測影響

圖6展示了高穿透率分布式光伏電源對饋線電壓的影響。如圖6所示，盡管與方案1（圖4）接入穿透率為57.14%的PV的情況相比，接入高穿透率PV后主饋線電壓有所上升，但其仍保持在1.05p.u.以下。但是一個(gè)相近的饋線研究表明，區(qū)域1（相較于區(qū)域2為低負(fù)載）的饋線某處有過電壓的存在。圖7展示了在住宅區(qū)域1的饋線出現(xiàn)過電壓的一段。由于住宅負(fù)載小于屋頂光伏供電量而產(chǎn)生了逆潮流，進(jìn)而在這些位置出現(xiàn)的電壓升高。值得注意的是，電壓修正并聯(lián)電容器同時(shí)也對電壓上升產(chǎn)生一定作用。

圖6　高穿透率光伏電源對主饋線電壓影響

圖7　區(qū)域1出現(xiàn)在低住宅負(fù)荷的過電壓

4.2對電壓不平衡的影響

圖8展示了高穿透率分布式光伏電源對電壓不平衡系數(shù)的影響。在次穿透率水平下，饋線電壓不平衡系數(shù)維持在可以接受的2%范圍內(nèi)。通過與方案1事例2對比，可以看出，盡管不平衡系數(shù)水平無需擔(dān)心但最大VUF(%)上升至0.48。

圖8　高穿透率PV接入下饋線VUF（%）

電壓不平衡系數(shù)的上升是因?yàn)榉植际焦夥l(fā)電三相不平衡的增長。對于此配電系統(tǒng)，增長的光伏發(fā)電量致使A相與C相更大的電壓上升，與B相形成反差。最終導(dǎo)致VUF的上升。

電壓不平衡系數(shù)的上升與否取決于不同相的負(fù)荷大小與接入的光伏發(fā)電量大小。

4.3對線損的影響

圖9展示了高穿透率光伏接入下主饋線不同位置線損情況。通過與方案1事例2進(jìn)行對比，可以得出在該穿透率水平，主饋線不同位置kW級線損有所上升。配電系統(tǒng)總線損從方案1事例2的15.9kW上升至29.3kW。

圖9　主饋線不同位置線損情況

5　結(jié)語

通過前文的模擬結(jié)果可以得出，無論在重負(fù)載或低負(fù)載條件下，接入中穿透率水平分布式光伏電源均可以優(yōu)化電壓變動(dòng)率并減少線路損耗。但其對電壓不平衡系數(shù)的影響對于不同附在條件有所不同：重在條件下光伏電源接入減少電壓降，從而改善電壓不平衡。然而在低負(fù)載條件下分布式光伏電源能否改善電壓不平衡系數(shù)取決于每一相的負(fù)載分配及光伏電機(jī)的位置。

當(dāng)分布式光伏發(fā)電穿透率水平位95%時(shí)，其發(fā)電量與負(fù)載相近，會(huì)對系統(tǒng)造成負(fù)面影響。系統(tǒng)中巨大的逆潮流可能會(huì)導(dǎo)致部分分布式光伏電源處出現(xiàn)過電壓，同時(shí)線路電流的上升會(huì)增加其損耗。高穿透率光伏對系統(tǒng)電壓不平衡系數(shù)的影響不顯著，其是否會(huì)造成問題取決于光伏電源的位置和其3相的負(fù)載分配。

配電系統(tǒng)最先被設(shè)計(jì)為單向潮流系統(tǒng)。在負(fù)載中心接入大量的分布式光伏電源推翻了這一前提，故系統(tǒng)需要為此變化進(jìn)行調(diào)試。光伏電源的地理位置，其并網(wǎng)的表現(xiàn)及系統(tǒng)的負(fù)載情況同樣對于判斷其對系統(tǒng)影響具有重要作用。這些方面需要在運(yùn)行分析時(shí)仔細(xì)考慮。盡管分布式光伏電源的并網(wǎng)尤其獨(dú)特的優(yōu)勢，接入更多的光伏電源仍需要進(jìn)一步研究以判明在現(xiàn)有體系內(nèi)可接受的光伏穿透率水平。本文給出的結(jié)果基于接入分布式光伏電源的典型的配電饋線系統(tǒng)。

[1]R.C.Dugan,T.E.McDermott,G.J.Ball,“Planningfordistributed generation,”IEEE Industry Application Magazine.,vol.7,issue 2,pp. 80-88,Mar-Apr2001.

[2]H.B.Puttegen,P.R.MacGregor,F.C.Lambert,“Distributed generation:semantic hypeoradawnofanewera,”IEEE PowerandEnergyMagazine.,vol.1,issue1,pp.22-29,Jan-Feb2003.

[3]M.Shahidehpour,F.Schwarts,“Don’tletthesungodownonPV,”IEEE PowerandEnergyMagazine.,vol.2,issue3,pp.40-48,MayJune2004.