分析配電網(wǎng)中分布式光伏能量滲透率

谷明，王敏

（國網(wǎng)山東省電力公司莘縣供電公司，山東聊城，252400）

0 引言

在分布式光伏發(fā)電研究過程中，具備多點分散設(shè)置等特點，為可再生能源的利用提供了更多途徑。隨著該項技術(shù)研究逐漸深入，得到了國家和政府的大力支持，在配網(wǎng)中滲透率也日益提升。截止到目前，人們主要利用閑散屋頂和分散土地資源對其進行推廣，衍生出很多光伏應(yīng)用示范區(qū)域。但從研究過程中可以看出，光伏出力的可控性很差，為設(shè)備安全保護等工作提出了很大挑戰(zhàn)。

1 光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響

1.1 評價指標(biāo)

分布式光伏并網(wǎng)的應(yīng)用，可以讓整個配電網(wǎng)從傳統(tǒng)輻射狀無源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成有源網(wǎng)絡(luò)。在此項改變之后，潮流流向等也會出現(xiàn)變化，同樣的道理，光伏出力的波動性明顯提升，為整個配電網(wǎng)的冗余容量提出了新的考驗，網(wǎng)絡(luò)耗損情況出現(xiàn)更改。為了對高滲透率分布式光伏并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響進行量化分析，本文在研究中引進了兩個評價指標(biāo)因素，即有功耗損和線路負載率。

在該項研究過程中，人們首先需要確定的便是網(wǎng)損指標(biāo)，用ILoss表示。該指標(biāo)主要是對系統(tǒng)網(wǎng)損情況進行真實反映，表達式如下：

該式中，LossP 代表光伏并網(wǎng)后系統(tǒng)總有功損耗，當(dāng)LossI≥0時，說明了光伏并網(wǎng)的網(wǎng)損可以進一步降低，如果數(shù)值與1相接近時，整個網(wǎng)損的改善效果更加明顯。如果LossI ＜0時，說明該光伏并網(wǎng)可以提升系統(tǒng)的網(wǎng)損數(shù)值。

其次是線路負載率指標(biāo)，用ILoading表示。線路負載率水平主要是對配電線路的傳輸情況進行真實反映，其中涉及到的配電網(wǎng)容量主要是用于滿足負荷增長二出現(xiàn)。該項指標(biāo)的選取系統(tǒng)可以借助于負載率計算出最終數(shù)值，將配電網(wǎng)裕度補償程度揭示出來，計算公式如下：

1.2 系統(tǒng)建模

在本文研究過程中，主要以IEEE33節(jié)點為研究對象，將配電網(wǎng)輻射狀態(tài)展示出來，具體模型如圖1所示。

圖1 IEEE33節(jié)點系統(tǒng)模型

在該項網(wǎng)絡(luò)研究中，總共饋線數(shù)量為4條，總負荷達到了3715kW+j2300kvar，系統(tǒng)總額定電壓數(shù)值為12.66kV。根據(jù)圖1的節(jié)點位置，研究人員可以從節(jié)點6、11、29處接入分布式光伏電源，容量為400kW，組數(shù)分別為4、3、2。為了讓潮流計算結(jié)果將電力系統(tǒng)實際運行情況反映出來，在負荷計算上將會采用恒定阻抗模型，該種模型的功率消耗主要在于并網(wǎng)節(jié)點電壓的高低。從以往的研究經(jīng)驗中可以看出，光伏并網(wǎng)之前，配電網(wǎng)的最大用電量可以達到2300kW。

1.3 算例分析

ILoss、ILoading隨著光伏滲透率變化曲線如圖2所示，從圖中可以看出，由于光伏滲透率的不斷提升，二者均會出現(xiàn)先增大后降低的發(fā)展趨勢。另外，二者的峰值出現(xiàn)在同一位置上，也就是光伏滲透率在20%時，具體對應(yīng)的峰值為0.78和0.60。從數(shù)值上可以看出，在該光伏滲透率的作用之下，光伏輸出功率可以對日間負荷進行有效補償，實現(xiàn)日間凈負荷峰值的有效降低。在此過程中，整個線路中的系統(tǒng)網(wǎng)損以及線路負載率均會達到最小值。如果光伏滲透率在45%左右時，ILoss、ILoading便會出現(xiàn)負值狀態(tài)，說明此光伏滲透率下你的系統(tǒng)網(wǎng)損以及線路負載率要比之前增加很多，系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和可靠性也明顯下滑。

圖2 ILoss、IL oading 隨光伏滲透率的變化曲線圖

1.4 光伏滲透率分析

當(dāng)光伏滲透率低于20%時，PVDC可以為負荷提供一些功率支持，并降低線路中遠距離之中的傳輸電流和功率，最終將配電線路中的載流量降低。在此范圍之中，ILoss、ILoading也會隨著光伏滲透率的提升而提升，如果將整個工作集中在下午階段，日峰荷的大小也會得到削減，環(huán)節(jié)配電網(wǎng)的調(diào)峰壓力。

當(dāng)光伏滲透率增加之后，且高于20%，低于45%，整個系統(tǒng)的日間凈負荷也會大幅度降低，其曲線也會出現(xiàn)一個谷值，有時還會在此處出現(xiàn)負值情況，導(dǎo)致配網(wǎng)中功率倒送現(xiàn)象明顯。另外，在饋電線路運行過程中，一旦出現(xiàn)逆向潮流，便會使整個負載率和網(wǎng)損提升，所對應(yīng)的指標(biāo)也會越來越小，這不僅提升了配電線路的載流壓力，還容易讓配電網(wǎng)安全保護裝置出現(xiàn)失靈。

當(dāng)滲透率達到極高的位置時，即超過45%，ILoss、ILoading便會出現(xiàn)負值。在此過程中，分布式光伏并網(wǎng)電壓也會相應(yīng)的提升，而且部分節(jié)點也會超過上限。由于配電線路中的逆向電流提升很多，和額定電流的距離越來越遠，發(fā)熱量持續(xù)上升。當(dāng)經(jīng)過導(dǎo)流體的過載電流超出過載限制時，絕緣體出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，最終導(dǎo)致用戶的大面積停電。因此，為了使整個光伏并網(wǎng)的配電更加安全和穩(wěn)定，人們需要做好滲透率等級的劃分，將臨界值設(shè)置為20%，上限為45%，通過計算之后，整個光伏并網(wǎng)的電量將會處于750到1670kW范圍內(nèi)。

2 儲能用于提升光伏滲透率極限的效果研究

2.1 儲能系統(tǒng)的特性

光伏發(fā)電的典型特點便是夜間無出力，白天有出力，午間的出力水平最高。由于儲能系統(tǒng)具備雙向功率特性和靈活的調(diào)節(jié)能力，電能的時空轉(zhuǎn)移效果將會體現(xiàn)的更加明顯。為此，人們可以在配電網(wǎng)中裝配儲能設(shè)備，并將PVDG的午間高出力轉(zhuǎn)移，將尖峰時刻消減，并彌補其他時刻的不足，最終實現(xiàn)滲透率極限的有效提升。除此之外，在高滲透分布式光伏并網(wǎng)中，系統(tǒng)具體的凈負荷率如圖3所示。

圖3 儲能并網(wǎng)后系統(tǒng)凈負荷功率曲線

從圖中可以看出，整個負荷高峰時段集中在9點到13點，以及19點到22點，低谷階段集中在1點到8點。在儲能系統(tǒng)沒有引入到該項研究之前，光伏組件在白天吸收了充足的陽光，可以將配電網(wǎng)的供電壓力緩解，這在一定程度上可以將峰值效果削弱。但如果光伏場景下的滲透率較高，PVDG所提供的電能也會超過負荷需求，本地消化能力也會下降，站在以往配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施角度來說，無法對該種電力輸送要求進行滿足。

2.2 儲能系統(tǒng)的具體作用

當(dāng)儲能系統(tǒng)加入到配電網(wǎng)中后，由于電力配送通道受限，人們可以將午間階段的剩余電能集中在儲能系統(tǒng)內(nèi)，并在夜間負荷高峰時段返送到電網(wǎng)中，在消減光伏尖峰的同時，降低高滲透率對配電網(wǎng)的有效沖擊，還能進一步提升配電網(wǎng)的備用容量。當(dāng)光伏輸出功率波動下，還可以通過儲能系統(tǒng)控制，將快速吞吐功率控制在合理范圍內(nèi)，讓整個負荷功率波動得到抑制，在提升供電質(zhì)量的同時，維護電網(wǎng)擴建升級過程中的各項需求，最終提升配電設(shè)備的使用效率[3]。

2.3 儲能對光伏能量滲透率的具體影響

為了方便研究，可以將最小的允許負荷保持在0.1p.u.，再儲能安裝能量的確定上，可以用系統(tǒng)平均負荷最大放電時間進行充分表示，具體的放電時間可以集中在1到2h范圍內(nèi)。從上述研究中可以看出，負荷轉(zhuǎn)移和儲能可以提升系統(tǒng)光伏能量的滲透率和光伏利用率，但如果在負荷轉(zhuǎn)移的影響下，儲能技術(shù)的作用不能明顯的發(fā)揮出來。假設(shè)，在日負荷轉(zhuǎn)移上，其最大轉(zhuǎn)移量受到限制，此時的實際效果還會受到負荷預(yù)測等因素影響。儲能技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，在光伏滲透率提升效果上也更加明顯，控制策略的應(yīng)用也十分簡單，這也是未來我國智能電網(wǎng)與分布式光伏電源銜接的一種主要措施之一。但如果儲能規(guī)模較大，相應(yīng)的影響因素也會提升，如設(shè)備成本、使用壽命等等，還需要對其實際應(yīng)用做深入分析。

3 總結(jié)

如果整個光伏滲透率顯得足夠高時，低壓配電網(wǎng)也會從受端轉(zhuǎn)移到源端之中，從而實現(xiàn)潮流逆向傳輸，并完成向上級電網(wǎng)的倒送功率。在此項研究之中，人們將現(xiàn)有的基礎(chǔ)理論完全顛覆，而且對相應(yīng)的設(shè)施保護工作提出了巨大挑戰(zhàn)。為了維持整個系統(tǒng)的安全運行，能量存儲設(shè)施的設(shè)置顯得尤為重要。