高滲透率分布式電源對(duì)配電網(wǎng)影響分析

● 廣州市奔流電力科技有限公司 李桂昌 伍肇龍 羿應(yīng)棋

分布式電源（Distributed Generation，DG）接入配電網(wǎng)后，徹底改變了配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，使配電網(wǎng)從單電源輻射狀結(jié)構(gòu)變?yōu)楸椴茧娫吹膹?fù)雜結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的改變將對(duì)配電網(wǎng)的無(wú)功電壓特性產(chǎn)生重大影響。以風(fēng)電、光伏為代表的分布式新能源接入不僅改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)能量單向流通的特性，且因其發(fā)電的間歇性、波動(dòng)性和不確定性使得電壓波動(dòng)更顯劇烈，因而對(duì)配電網(wǎng)的無(wú)功電壓控制帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。當(dāng)中低壓配電網(wǎng)接入的DG滲透率超過一定數(shù)值時(shí)，一旦就地負(fù)荷減少，大量的功率倒送將引起配電線路后端電壓抬高超過允許上限的問題，嚴(yán)重威脅著用電設(shè)備的安全運(yùn)行和敏感工業(yè)的安全生產(chǎn)。

總體上，大規(guī)模DG的接入會(huì)對(duì)原有的配電網(wǎng)運(yùn)行管理帶來(lái)重大的挑戰(zhàn)，需要在電網(wǎng)規(guī)劃階段就采取一些針對(duì)性的策略，并研究相應(yīng)的運(yùn)行控制方法。本文通過分析不同類型的線路在DG滲透率提高后電壓、電流和網(wǎng)損的變化情況，以揭示高滲透率DG對(duì)配電網(wǎng)帶來(lái)的主要影響，對(duì)適應(yīng)大規(guī)模DG接入配電網(wǎng)的電壓控制方法研究具有重要的指導(dǎo)意義。

1 基態(tài)線路模型

不同配電線路實(shí)際網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)千差萬(wàn)別，基態(tài)線路模型應(yīng)該具有代表性。本文選取具有區(qū)域代表性的典型配電線路，在不改變配電線路拓?fù)涮卣鞯幕A(chǔ)上，對(duì)線路的有功和無(wú)功負(fù)荷、線路長(zhǎng)度等特性相關(guān)特征參數(shù)進(jìn)行基態(tài)折算。通過特征參數(shù)在一個(gè)較大范圍內(nèi)的變化，來(lái)保證基于基態(tài)線路的DG接入對(duì)配電網(wǎng)影響分析結(jié)論的一般性。

基態(tài)線路模型建立的具體做法：保留典型線路配變臺(tái)數(shù)和容量、線路節(jié)點(diǎn)數(shù)、線路截面等參數(shù)；配電線路特征參數(shù)，即線路配變平均負(fù)載率、首端母線電壓、主干線總長(zhǎng)度、負(fù)荷平均功率因數(shù)、基態(tài)值為該地區(qū)的平均值；各配變的有功負(fù)荷按線路配變平均負(fù)載率基態(tài)值αTB和配變?nèi)萘康某朔e進(jìn)行分配，無(wú)功負(fù)荷通過負(fù)荷平均功率因數(shù)基態(tài)值cosφB以及有功負(fù)荷計(jì)算得到；主干線各段線路長(zhǎng)度按典型線路長(zhǎng)度與主干線總長(zhǎng)度基態(tài)值進(jìn)行等比例縮放；首端母線電壓直接改為基態(tài)值即可。

（1）電纜線路的基態(tài)模型。根據(jù)目前廣東電網(wǎng)10kV配電線路統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，城鎮(zhèn)10kV配電線路長(zhǎng)度基本分布在2～12km，主干線的線徑面積主要為240mm2，饋線首端電壓一般在10.1～10.5kV波動(dòng)，平均負(fù)載率主要分布在10%～70%之間，配電變壓器的平均容量多在400～1200kVA之間。考慮到實(shí)際線路的平均水平和一般性，電纜基態(tài)線路的主干長(zhǎng)度為4.0km、主干線徑面積為240mm2，饋線首端的運(yùn)行電壓為10.3kV，線路配變平均負(fù)載率為30%，線路各負(fù)荷功率因數(shù)為0.90，配變總?cè)萘繛?1630kVA。

（2）架空線路的基態(tài)模型。農(nóng)村10kV配電線路長(zhǎng)度基本分布在3～20km，主干線的線徑面積主要為185～240mm2，饋線首端電壓一般在10.1～10.5kV波動(dòng)，平均負(fù)載率主要分布在15%～60%之間，配電變壓器的平均容量多在80～200kVA之間?？紤]到實(shí)際線路的平均水平和一般性，架空基態(tài)線路的線路主干長(zhǎng)度為9km，主干線徑面積為240mm2，饋線首端的運(yùn)行電壓為10.3kV，線路配變平均負(fù)載率為35%，線路各負(fù)荷功率因數(shù)為0.90，配變總?cè)萘繛?285kVA。

2 對(duì)網(wǎng)損的影響

網(wǎng)損是電能傳輸過程中的功率損失，反映了電網(wǎng)傳輸電能的效率，與電網(wǎng)公司的收益密切相關(guān)。而電力系統(tǒng)的網(wǎng)損大部分都集中在配電網(wǎng)層面，對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損進(jìn)行理論研究，能為降低配電網(wǎng)網(wǎng)損，增加電網(wǎng)公司收益提供理論指導(dǎo)。

電力系統(tǒng)潮流計(jì)算問題在數(shù)學(xué)上是一組多元非線性方程式的求解問題，通常可歸結(jié)為節(jié)點(diǎn)功率方程的求解問題。線路上的功率損耗為：

式中，Sij和Sji分別為線路功率；yij為支路ij的導(dǎo)納；yi0和yj0分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的對(duì)地電納；Iij和Iji分別為線路電流。

配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和潮流分布有關(guān)。因此，DG接入配電網(wǎng)后，改變了配電網(wǎng)潮流的大小甚至方向，引起配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的變化。

3 對(duì)載流量的影響

單光伏接入配電網(wǎng)的簡(jiǎn)化示意圖如圖1所示，為單個(gè)光伏接入配電網(wǎng)的簡(jiǎn)化示意圖。其中，網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀，共有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)i上的負(fù)荷為PLi+jQLi,；線路Li上的阻抗為Ri+jXi；饋線首端為該網(wǎng)絡(luò)的平衡節(jié)點(diǎn)，即電壓幅值恒定，為V0，節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值為Vi；光伏并網(wǎng)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)p，其輸出功率為PPV+jQPV。以下分析忽略各線路上的功率損耗。

圖1 單光伏接入配電網(wǎng)的簡(jiǎn)化示意圖

DG接入配電網(wǎng)后，會(huì)改變配電線路的潮流分布，引起線路電流的變化。經(jīng)分析得知，當(dāng)無(wú)DG接入時(shí)，最大線路電流出現(xiàn)在饋線首端；當(dāng)配電網(wǎng)DG滲透率較低時(shí)，線路電流的最大值仍出現(xiàn)在饋線首端，并且相比于無(wú)DG接入時(shí)有所減小；當(dāng)配電網(wǎng)的DG滲透率較高時(shí)，功率出現(xiàn)倒送；當(dāng)DG滲透率繼續(xù)增大，倒送功率進(jìn)一步增大可能會(huì)超過主干線路所允許的安全電流，此時(shí)最大線路電流出現(xiàn)在DG接入點(diǎn)處的饋線。

4 對(duì)無(wú)功潮流的影響

無(wú)功功率的大規(guī)模傳送會(huì)降低電壓質(zhì)量水平和增加網(wǎng)絡(luò)損耗。傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，無(wú)功負(fù)荷和無(wú)功損耗主要有異步電動(dòng)機(jī)、變壓器的無(wú)功損耗以及輸電線路的損耗，無(wú)功電源主要有發(fā)電機(jī)和無(wú)功補(bǔ)償裝置。DG接入后，使得配電網(wǎng)增加了無(wú)功負(fù)荷或者無(wú)功電源，改變了無(wú)功潮流的的大小和方向，引起線路節(jié)點(diǎn)電壓的變化。

DG有消耗無(wú)功和輸出無(wú)功兩類，根據(jù)DG輸出無(wú)功功率的大小，無(wú)功潮流的分布存在以下3種情況：

（1）PV（光伏）輸出無(wú)功較小，無(wú)功潮流方向不變，但首端輸送的無(wú)功功率減。

（2）PV輸出無(wú)功增大，無(wú)功潮流分離點(diǎn)在主干線PV接入節(jié)點(diǎn)前。

（3）PV輸出無(wú)功大于線路無(wú)功負(fù)荷，PV向饋線首端倒送無(wú)功。

5 對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響

本文以分布式光伏作為DG的典型代表，以單個(gè)分布式光伏接入為例分析配電網(wǎng)電壓的影響機(jī)理。

如圖1所示，分析單個(gè)光伏接入配電網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響。其中，網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀，共有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)i上的負(fù)荷為PLi+jQLi；線路Li上的阻抗為Ri+jXi；饋線首端為該網(wǎng)絡(luò)的平衡節(jié)點(diǎn)，即電壓幅值恒定，為V0，節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值為Vi；光伏并網(wǎng)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)p，其輸出功率為PPV+jQPV。

分析光伏接入前后配電網(wǎng)電壓分布情況，可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）光伏接入前，配電網(wǎng)電壓分布規(guī)律是自饋線首端起，各節(jié)點(diǎn)電壓依次降低，線路末端電壓將是饋線電壓的最低點(diǎn)。

（2）光伏接入后，處于光伏并網(wǎng)點(diǎn)p之前的節(jié)點(diǎn)電壓分布可能存在3種情況：①當(dāng)接入光伏滲透率較小時(shí)（如滲透率小于30%），自饋線首端起，節(jié)點(diǎn)電壓分布依舊呈現(xiàn)依次降低的規(guī)律，但各節(jié)點(diǎn)電壓與未接入光伏時(shí)相比均有一定程度的升高；②當(dāng)接入光伏滲透率較大時(shí)（如滲透率大于30%），自饋線首端起，電壓先降低直至節(jié)點(diǎn)k，然后電壓逐漸升高至并網(wǎng)點(diǎn)p，而并網(wǎng)點(diǎn)之后的電壓依次降低，因此光伏并網(wǎng)點(diǎn)成為局部電壓最高點(diǎn)；③當(dāng)接入光伏滲透率繼續(xù)增大時(shí)，則饋線各節(jié)點(diǎn)電壓均大于饋線首端，且呈現(xiàn)先升高后減小的趨勢(shì)，光伏并網(wǎng)點(diǎn)成為饋線電壓最高點(diǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

DG接入會(huì)影響配電網(wǎng)多方面的指標(biāo)，包括節(jié)點(diǎn)電壓、線路電流和網(wǎng)絡(luò)損耗等，這些電氣量主要與DG滲透比有關(guān)。隨著DG滲透比從0到100%的提高，線路電壓將逐漸抬升，配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓可能出現(xiàn)越上限的問題；網(wǎng)損率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，當(dāng)DG滲透比較大時(shí)，DG的接入將增加配電系統(tǒng)的網(wǎng)路損耗；最大線路電流先減小后增大，但基本不會(huì)超過線路安全電流。此外電纜線路的電壓水平總體高于架空線路，網(wǎng)損水平則較架空線路低。■