分布式電源對饋線電壓偏差與用戶功率因數(shù)的影響

張文青, 徐莉娜, 曹 煒, 陳奇方, 鄒 凱, 王春雷

(1.國網浙江新昌縣供電公司 電力調度中心,浙江 紹興 312599; 2.上海電力學院 電氣工程學院,上海 200090)

由于環(huán)境和資源的限制,世界范圍內正在經歷著一場能源轉型.國際能源署(IEA)2015年10月25日發(fā)布的報告顯示,2015年可再生能源全球裝機容量已超過煤電成為第一,而中國對此有不小的貢獻.2015年,我國的風力發(fā)電和光伏發(fā)電在裝機容量和增速上都穩(wěn)居全球第一.

由于可再生能源資源無處不在,因此分布式可再生能源發(fā)電成為充分利用自然資源,解決能源可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境問題的重要選項.國家大力扶持與補貼光伏發(fā)展(包括分布式光伏發(fā)電),2015年我國光伏累計裝機容量為4.318×107kW,其中分布式光伏占14%.

以分布式光伏為代表的分布式電源(Distnbuted Generation,DG),一方面能減輕高峰時電網的供電壓力,并對配電網的饋線電壓起一定的支撐作用,減少其沿線負荷點電壓降低;另一方面在電網用電低谷又恰逢分布式電源滿發(fā)或較大出力時,分布式電源對沿線電壓的抬高作用很強,有可能造成沿線負荷點電壓過高,影響負荷點的供電質量.因此,德國VDE-AR-N4105標準規(guī)定,中壓并網分布式電源引起的公共連接點(PCC點)電壓升高不宜超過2%[1].

但分布式電源所在點控制電壓波動范圍和保證功率因數(shù)達標在有些情況下是不可能兼顧的,特別是在用戶的分布式電源除自發(fā)自用外還有余電上網的時候.我國物價局出臺的《功率因數(shù)調整電費辦法》采用經濟手段對用戶的功率因數(shù)進行考核[2].該考核方式有利于提高公共電網配送電能的效率,但未考慮分布式光伏等分布式電源接入對用戶功率因數(shù)的影響,從而使提供電壓支撐的“自發(fā)自用、余電上網”的分布式電源用戶因其不可避免的功率因數(shù)的降低而增加電費支出,讓這類用戶陷于兩難[3].

文獻[3]提出,通過修訂當前執(zhí)行的功率因數(shù)考核辦法來減少分布式電源用戶因達不到功率因數(shù)考核標準而支出的調整電費.文獻[4]指出,逆變器無功控制方式設置的不合理是光伏并網后功率因數(shù)下降的主要原因,將并網逆變器功率因數(shù)設為定值并加裝低壓側無功補償裝置,可解決光伏并網后功率因數(shù)下降、產生懲罰電費的問題.上述文獻的著力點都在改善考核用功率因數(shù)以規(guī)避懲罰電費,而并未考慮功率因數(shù)的調整將會對并網電壓產生的影響.

本文從分布式電源用戶的角度,主要探討分布式電源接入配電網對配電網電壓、并網點功率因數(shù)產生的影響.

1 我國分布式電源接入配電網的技術規(guī)定

為確保大電網和分布式電源的安全穩(wěn)定運行,我國針對并網逆變器輸出電能質量及其技術要求進行了規(guī)范,對電壓偏差、頻率、諧波、功率因數(shù)、直流分量、對地漏電流等性能參數(shù)作出了明確的規(guī)定,當偏離設定值出現(xiàn)越限時,應該能夠迅速檢查出偏差值并進行動作,以保證自身和大電網的安全.

1.1 分布式電源并網的電壓偏差規(guī)定

分布式電源并網后,公共連接點的電壓偏差應滿足GB/T 12325—2008《電能質量 供電電壓偏差》[5]的規(guī)定,即:35 kV公共連接點電壓正負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%,如供電電壓上下偏差同號(均為正或負)時,按較大的偏差絕對值作為衡量依據(jù);20 kV及以下三相公共連接點電壓偏差不超過標稱電壓的±7%;220 V單相公共連接點電壓偏差不超過標稱電壓的+7%,-10%.

1.2 分布式電源并網的功率因數(shù)規(guī)定

Q/GDW480—2010《分布式電源接入電網技術規(guī)定》對不同電壓等級并網的分布式電源功率因數(shù)也有相應的要求規(guī)定[6],如表1所示.

表1 不同電壓等級并網的分布式電源功率因數(shù)規(guī)定

2 分布式電源并網對電壓的影響

我國傳統(tǒng)配電網主要是由高壓到低壓的單向輸配電系統(tǒng),不允許潮流逆向流動,當分布式電源接入系統(tǒng)使并網點潮流逆流,可能會導致公共連接點電壓升高并可能超過電壓限值,尤其是當系統(tǒng)處于輕載狀態(tài)時,電壓升高現(xiàn)象尤為嚴重.此外,對于分布式電源并網發(fā)電系統(tǒng)而言,由于其輸出有功功率受自然條件影響較大,當分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率減小時,就有可能造成并網點電壓跌落,在系統(tǒng)重載時其電壓跌落將更為嚴重.

取配電網中一條饋線為研究對象,線路損耗暫時忽略不計[7].設在饋線上分散分布著n個負荷,每一個負荷設為一個節(jié)點,從電源側沿饋線方向編號,依次設為0,1,2,…,n;設每一支路的末端節(jié)點編號為該支路的節(jié)點編號,每一條支路的阻抗設為Zk=Rk+jXk;每個節(jié)點的負荷為Sk=Pk+jQk.在f點和h點接入微源DG大小分別為Sdg(f)=Pdg(f)+jQdg(f)和Sdg(h)=Pdg(h)+jQdg(h).具體的配電網結構如圖1所示.

圖1 加入分布式電源的配電網絡結構

利用疊加原理分析計算該饋線中的線路損耗和電壓分布情況.

未加入微源DG時配電網饋線電壓損耗為:

l=1,2,3,…,n

(1)

各節(jié)點電壓為:

(2)

當在節(jié)點f和節(jié)點h分別接入微源DG后,各支路電壓損耗變?yōu)?

l=1,2,3,…,n

(3)

各節(jié)點電壓變?yōu)?

(4)

比較式(1)和式(3)可知,加入分布式電源后,每一支路的電壓損耗都減少了,而各節(jié)點的電壓被抬高了,使整條饋線所有節(jié)點的電壓升高,改善了系統(tǒng)的電壓水平.而且隨著加入的微源容量的逐漸增大,各節(jié)點電壓也將被動升高得更加明顯.當分布式電源接入導致功率倒流時,沿線電壓可能會過分抬高,導致臨近分布式電源的負荷點電壓越限.

圖2展示了兩種極端情況(負荷重載分布式電源不發(fā)、負荷輕載分布式電源滿發(fā))下分布式電源對配電網各節(jié)點的電壓影響.圖2中,h點為分布式電源接入點,m點為功率分點.

圖2 分布式電源對配電各節(jié)點的電壓影響

3 分布式電源并網對功率因數(shù)的影響

當前電力行業(yè)執(zhí)行的電力用戶用電設備功率因數(shù)獎懲機制是根據(jù)《供電營業(yè)規(guī)則》以及前水利電力部國家物價局頒發(fā)的《功率因數(shù)調整電費辦法》.

《供電營業(yè)規(guī)則》第41條規(guī)定[8]:無功功率應該就地平衡,高壓供電的用戶功率因數(shù)為0.90以上;其他電力用戶和大中型電力企業(yè)功率因數(shù)為0.85以上;農業(yè)用電功率因數(shù)為0.80以上.

目前各供電企業(yè)對功率因數(shù)的考核計算一般為:在每一個受電點安裝電能計量裝置,根據(jù)用戶每月實用有功電量和無功電量,計算月平均功率因數(shù)[8].

分布式電源發(fā)出的有功功率和無功功率將對計量表計測出的有功和無功值產生影響.以光伏發(fā)電為例,光伏并網用戶有兩個計量表計:一是計算用戶總用電量;二是計算光伏設備發(fā)出的電能量[4].用戶并網表計量的電量為用戶總用電量減去光伏發(fā)電量.分布式電源所發(fā)出的有功功率越大,表計在用戶并網點(PCC點)測得的電網輸送的有功功率越小,這將導致其功率因數(shù)值偏低.極端情況下,若是分布式電源發(fā)出的有功功率恰好滿足用戶所需的有功電量,則并網點功率因數(shù)為零.

4 分布式電源并網下電壓與功率因數(shù)的相互影響

由圖2可知,節(jié)點電壓的抬升和跌落主要受到饋線上流通的有功功率和無功功率的影響.當配電網滿載且分布式電源沒有出力或出力較小時,用戶并網點電壓較低;而當配電網輕載且分布式電源出力較大并產生余電上網時,并網點處分布式電源將輸出有功功率,抬高該點電壓,且對饋線上其他節(jié)點電壓也有一定的抬升作用.因此,在有分布式電源的配電網中,其沿線電壓波動幅度較大,影響供電電壓質量,嚴重時可能導致用電設備無法正常使用.

若要減小沿線電壓波動范圍,就需要減小分布式電源節(jié)點在兩種極端情況(負荷重載分布式電源不發(fā)、負荷輕載分布式電源滿發(fā))下的電壓偏差.為達此目標,分布式電源用戶需依據(jù)調壓要求在重載不發(fā)時進行容性無功補償,輕載滿發(fā)時進行感性無功補償.但這都會降低該用戶的功率因數(shù).

對未實行自動電壓控制(AVC)的配電網來說,無功補償通常有兩個目標:一是功率因數(shù)達標;二是保證電壓偏差在允許范圍內.前者直接關注的是經濟性,由用戶配置無功補償設備保證;后者直接關注的是供電電壓幅值質量,通常由配電網運營方配置無功補償設備保證.對沒有分布式電源的普通用戶來說,只要求其達到第一個目標即可,此時第一目標也有利于第二目標的實現(xiàn);退一步說,普通用戶即便第二目標沒達到,也不是用戶的責任,而是配電網公司的責任.而對有分布式電源的用戶而言,當其有余電上網時,它不再是普通用戶,而是有發(fā)電權的用戶,當其有余電上網時,會造成其PCC點電壓升高,余電上網量越大,電壓升高越多.當升高到超過電壓允許偏差范圍時,不但對其自己的設備有不利影響,而且對該點臨近的其他用戶設備也會產生不利影響.因此,配電網公司可能會要求這類用戶提供電壓服務,將PCC點的電壓偏差控制在更小范圍內.

根據(jù)電路理論,當一截饋線上傳輸一定的有功功率和無功功率時,其末端電壓為:

(5)

式中:U1,U2——饋線節(jié)點電壓;

P,Q——饋線上傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率;

R,X——饋線的電阻值和電抗值.

假設在此截饋線末端有分布式電源,則U2同時也是PCC點.饋線傳輸功率如圖3所示.

圖3 饋線傳輸功率示意

當R,X,P,U1一定時,由式(5)可知,如果無功補償?shù)哪繕耸枪β室驍?shù)達標,即根據(jù)P固定一定量的Q,當有余電上網(即P<0)且量(P的絕對值)較大時,會使PCC點電壓升高較多.

如果要求PCC點無功補償?shù)哪繕耸请妷荷叩怀秶?即此時的已知量除有功功率外,還有PCC點的電壓幅值U2,則根據(jù)式(5),該分布式電源一定要配置感性無功補償設備,使Q>0,從電網中吸收一定量的無功功率以達到控制電壓的目標.余電上網量越大,PCC點從電網中吸收的無功功率也越大,以控制PCC點電壓上升,此時功率因數(shù)必然下降.

因此,按既有方法考核功率因數(shù)會使含分布式電源的用戶特別是含分布式電源的提供電壓控制服務的用戶陷入兩難.

5 仿真算例

采用IEEE33節(jié)點網絡,在不同的運行工況下觀察當有分布式電源接入時對用戶端電壓和功率因素的影響.

5.1 仿真場景設置

IEEE33節(jié)點的配電網算例為輻射狀結構,如圖4所示.

圖4中,0為配網等值電源節(jié)點,額定電壓為12.6 kV.設節(jié)點12為分布式電源并入點.

設置配線的3種運行工況分別為標準負載、輕載與重載,即兩種極端工況和一種中間工況.這3種工況下,配線在各節(jié)點的負載總量如表2所示.設在節(jié)點12有分布式電源接入,該點的負載在3種配線工況下的值如表3所示.

圖4 IEEE33節(jié)點配電網絡

工況有功負載無功負載MW功率因數(shù)標況3.8792.400.85輕載1.7571.020.86重載4.9233.010.85

表3 分布式電源接入點(節(jié)點12)的節(jié)點負載

設節(jié)點12的所有負載屬于一個用戶,該用戶內部又有分布式電源,并設其所能發(fā)出的最大有功功率為0.65 MW,所用逆變器容量為0.663 MW,即在分布式電源滿發(fā)情況下,該逆變器還可發(fā)出或吸收0.13 MW的無功功率,對應功率因數(shù)為0.98.

現(xiàn)行的《QGDW480—2010分布式電源接入電網技術規(guī)定》規(guī)定,變流器型分布式電源接入10 kV至35 kV配電網的功率因數(shù)應在0.98(超前)～0.98(滯后)內可調.可以預計,當節(jié)點12的分布式電源按現(xiàn)行規(guī)定的±0.98功率因數(shù)發(fā)電時,特別是滿發(fā)時,由于PCC點的有功功率明顯下降,將使得關口表計量的功率因數(shù)顯著下降.因此,假設該用戶為了規(guī)避功率因數(shù)下降而多交電費,還為其分布式電源配備了足量的其他無功補償裝置,如并聯(lián)電容器和電抗器或靜態(tài)無功發(fā)生器SVG.同時,假設該用戶為其分布式電源配備的并聯(lián)電容器和電抗器或SVG也可用于在電網調度的要求下對該用戶端電壓進行電壓控制.

為具有代表性,有分布式電源接入時,考慮輕載滿發(fā)、重載不發(fā)、標況滿發(fā)3種計算場景,分別對應饋線輕載且分布式電源滿發(fā)、饋線重載且分布式電源不發(fā)、饋線標況且分布式電源滿發(fā)3種運行狀況.

同時,分布式電源及其配套的無功補償也有3種運行方式,分別為按《QGDW480—2010分布式電源接入電網技術規(guī)定》要求以0.98的功率因數(shù)發(fā)電;為避免功率因數(shù)低引起的罰款而動用無功補償按某一較高的功率因數(shù)發(fā)電;按配電網調度指令控制PCC點電壓為某一數(shù)值.

5.2 仿真分析

在潮流計算中,一般負荷節(jié)點等效為PQ節(jié)點.有分布式電源接入的節(jié)點,如果不要求其進行電壓控制也可等效為PQ節(jié)點,但當要求其進行電壓控制時等效為PV節(jié)點.

對3種場景進行潮流計算,結果如表4所示.

由表4可知,未接入分布式電源前,3種配線工況下節(jié)點12的功率因數(shù)都高于我國《功率因數(shù)調整電費辦法》規(guī)定的功率因數(shù)標準值0.85,節(jié)點12的用戶可享受功率因數(shù)電費獎勵.

表4 潮流計算結果

注:PDG,QDG—分布式電源逆變器輸出的有功功率和無功功率;UPCC—PCC點電壓標幺值;cosφPCC—PCC點功率因數(shù);Qs—DG配套無功補償裝置輸出的無功功率.表中加*的數(shù)值為該工況下潮流計算的設定值.

標況滿發(fā)工況下,PCC點的電壓明顯提升,電壓偏差縮小至±3%內.然而該點的考核用功率因數(shù)cosφPCC卻大幅降低,跌破0.3,若按照《功率因數(shù)調整電費辦法》中“功率因數(shù)自0.59及以下,每降低0.01,電費增加2%”的規(guī)定,分布式電源用戶將產生高昂的懲罰電費.輕載滿發(fā)工況下,PCC點功率因數(shù)在DG不配無功補償時即可達0.97.這是因為此時節(jié)點12負載較小,PCC點的功率因數(shù)接近DG本身的功率因數(shù)0.98.按照《功率因數(shù)調整電費辦法》可減少1.1%的電費;但此時該點的電壓標幺值UPCC卻達1.067,已接近±7%的電壓偏差上限,若再考慮可能發(fā)生的其他因素影響,如該饋線輕載與整個電網輕載重疊而使電源點電壓上升或節(jié)點12后的各點負載進一步下降等,即有可能發(fā)生電壓越限現(xiàn)象.如果為避免電壓越限,使DG按配電網調度指令控制電壓不超過1.02 p.u.,則DG及其配套的無功補償裝置需吸收較大無功功率,導致該用戶PCC點功率因數(shù)下降為0.42,從而又產生懲罰電費.

重載不發(fā)工況下,如DG既不發(fā)有功功率也不發(fā)無功功率,同時也不投入配套的無功補償,節(jié)點12的用戶在其自然負載和原本就具備的無功補償下達到了較高的功率因數(shù)0.92,但該點電壓接近±7%的電壓偏差下限.如果此時按配電網調度指令使DG并網逆變器及其配套無功補償裝置發(fā)無功功率,將PCC點電壓提高為1.02 p.u.,該點的功率因數(shù)又降低為0.27,也要面臨懲罰電費.

由此可見,分布式電源確實有利于提升饋線電壓,但在一定條件下有可能降低PCC點考核用功率因數(shù),也會使接入點和臨近節(jié)點的電壓提升過高,使電壓偏差過大.而當分布式電源為了自身的利益配套無功補償用于控制PCC點功率因數(shù)時,仍有可能發(fā)生電壓越限現(xiàn)象,降低饋線的電壓質量.如果使分布式電源接受調度指令參與調壓,在改善饋線電壓、降低電壓偏差的同時,又會降低PCC點考核用功率因數(shù),增大該點功率因數(shù)考核不過關的概率,從而產生懲罰性電費,增加分布式電源用戶的用電成本.

6 結 語

分布式電源對饋線電壓有一定的支撐作用,但在輕載疊加分布式電源出力較大或滿發(fā)時,分布式電源對饋線電壓的抬升作用有可能過強,而增大饋線上負荷點的電壓偏差,影響電能質量.同時含分布式電源的用戶,其PCC點考核用功率因數(shù)也可能會降低.如果給分布式電源配套無功補償裝置,可提升PCC點考核用功率因數(shù)或減小電壓偏差,但這兩個目標在很多情況下是不能兼顧的.因此,建議一旦分布式電源按調度指令承擔了電壓調節(jié)任務,即相當于該DG提供了配電網無功輔助服務,則作為補償就應該不再考核其功率因數(shù),即不再按照功率因數(shù)調整其電費.

[1] Verband der Elektrotechnik. VDE-AR-N 4105 Power generation systems connected to the low-voltage distribution network—technical minimum requirements for the connection to and parallel operation with low-voltage distribution networks[S].Germany:VDE-Verlag,2011:26-29.

[2] 張宏煒,俞建育,盧蜻蜻,等.電力網電能損耗管理的功率因數(shù)考核指標探討[J].華東電力,2010,22(1):45-50.

[3] 陳偉.分布式光伏發(fā)電接入對用電客戶功率因數(shù)的影響及計算方法探討[J].安徽電氣工程職業(yè)技術學院學報,2015(S1):18-21.

[4] 郭松,王睿,張唯真,等.光伏發(fā)電并網對用戶功率因數(shù)的影響研究[J].智能電網,2015(10):906-910.

[5] 國家技術監(jiān)督局.GB 12325—2008電能質量供電電壓允許偏差[S].北京:中國標準出版社,2008:1-2.

[6] 中國電力科學研究院.Q/GDW 480—2010分布式電源接入電網技術規(guī)定[S].北京:國家電網公司,2010:6-8.

[7] 蔣毅.分布式電源對配電網電壓影響及優(yōu)化配置硏究[D].成都:西南交通大學,2012.

[8] 水利電力部.關于頒發(fā)《功率因數(shù)調整電費辦法》的通知((83)水電財字第215號)[EB/OL].[2012-04-28]https://wenku.baidu.com/view/83b8cdoc79563clec5da710c.html.