基于電壓穩(wěn)定的分布式電源最大允許接入容量分析

徐杰，郁家麟，李春，趙扉，劉偉

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興314000)

0 引言

能源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”的關(guān)鍵所在，加大清潔能源開發(fā)力度是能源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型的必然要求，可以預(yù)見清潔能源分布式發(fā)電將得到更大的發(fā)展空間[1－2]。配電網(wǎng)作為分布式電源接入的承載平臺(tái)，一方面要保障分布式電源可以廣泛的“即插即用”，另一方面也要保證配電網(wǎng)自身的安全穩(wěn)定運(yùn)行。未來廣泛的分布式電源接入所帶來的不穩(wěn)定性給配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)帶來了巨大的困難和挑戰(zhàn)[3－6]。

目前，分布式電源接入對配電網(wǎng)的影響研究主要集中在分布式電源不穩(wěn)定性對配電網(wǎng)電壓波動(dòng)和短路電流的影響等方面[7－9]，提出的符合清潔能源發(fā)展要求且具有實(shí)際應(yīng)用意義的解決措施和方案不多。文獻(xiàn)[10]提出了分布式電源對配網(wǎng)供電電壓質(zhì)量影響的分析方法，但未考慮無功潮流對分布式電源接入時(shí)的電壓波動(dòng)影響。文獻(xiàn)[11]基于逆功率限制分析分布式電源接入對配電網(wǎng)電壓和短路電流的影響，但《分布式電源接入配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》已經(jīng)取消了對逆功率的限制要求，其研究結(jié)論不能適應(yīng)未來分布式電源接入配電網(wǎng)的情形。文獻(xiàn)[12]基于配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行提出提高短路容量以降低分布式電源接入對配電網(wǎng)電壓的影響，但未考慮配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行后可能出現(xiàn)短路電流超限的問題。

基于以上問題，本文分析分布式電源接入對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響因素，提出利用分布式電源功率因數(shù)調(diào)節(jié)、無功補(bǔ)償和儲(chǔ)能設(shè)施等手段解決電壓穩(wěn)定問題，提升分布式電源允許接入容量。

1 無輔助措施時(shí)最大允許接入容量分析

分布式電源對并入點(diǎn)的沖擊是巨大的[10]，為便于分析，僅考慮分布式電源接入點(diǎn)處的電壓波動(dòng)。將接入了分布式電源的配電網(wǎng)簡化為如圖1所示的等效圖。

圖1 分布式電源接入配電網(wǎng)接線圖

當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)后，在不考慮無功補(bǔ)償?shù)那疤嵯逻M(jìn)行分析。假定分布式電源出力發(fā)生改變時(shí)，線路上電流變化量為ΔI，則分布式電源接入點(diǎn)的電壓變化值為:

式中，ΔSn為分布式電源的出力變化；SK為分布式電源接入處的短路容量；ZS為配電網(wǎng)的等效阻抗；ΔI為線路電流變化量；θ為分布式電源的功角；φ為配電網(wǎng)的阻抗角；U為分布式電源接入點(diǎn)電壓。

一般來說，配電網(wǎng)線路不長，線路兩端的相位變化不大，為簡化分析過程，忽略電壓垂直變化分量，則:

電壓波動(dòng)率為:

以上分析可知，電壓波動(dòng)率與分布式電源出力變化值、接入點(diǎn)的短路容量、配電網(wǎng)阻抗角以及分布式電源功角相關(guān)。

分布式電源出力變化最大值即為其投入前至全容量投入時(shí)，等于其額定容量Se。GB/T 12325《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》中對電壓波動(dòng)率允許范圍做了相應(yīng)規(guī)定，此處定義電壓波動(dòng)率為d，則可得知最大允許接入容量為:

在實(shí)際運(yùn)行中系統(tǒng)阻抗角為確定值，分布式電源功率因數(shù)在不考慮無功輸出調(diào)節(jié)時(shí)可取1，因此最大允許接入容量由電壓波動(dòng)允許范圍、接入點(diǎn)的短路容量確定。

在保證電壓波動(dòng)率滿足相關(guān)規(guī)定要求的條件下，分布式電源允許最大接入容量直接受短路容量限制，而短路電流需滿足限制要求，且短路容量受運(yùn)行方式影響較大，因此從安全角度考慮，規(guī)劃設(shè)計(jì)中只能按照短路容量較小值計(jì)算。文獻(xiàn)[3]提出的通過配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行提高短路容量的方法在實(shí)際中難以實(shí)施。

綜上所述，在不考慮輔助措施的條件下，分布式電源的允許接入容量直接受接入點(diǎn)短路容量限制。因此在實(shí)際中，分布式電源的接入點(diǎn)和接入容量的選擇尤其重要。此時(shí)允許最大接入容量為:

以10 kV接入的分布式電源為例，假定接入點(diǎn)短路容量為100 MVA，配電網(wǎng)功率因素為0·96，GB/T 12325《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》規(guī)定10 kV配電網(wǎng)電壓波動(dòng)率應(yīng)不超過±7%[13]，則該接入點(diǎn)最大允許接入容量為:

即不考慮輔助措施時(shí)，該接入點(diǎn)最大允許接入分布式電源容量為7·29 MVA。

2 考慮分布式電源自身功率因數(shù)調(diào)節(jié)的最大允許接入容量分析

隨著并網(wǎng)容量的提升，分布式電源接入點(diǎn)出現(xiàn)電網(wǎng)電壓可能越限問題。若以電壓波動(dòng)不越限為邊界調(diào)節(jié)，分布式電源自身調(diào)節(jié)輸出功率因數(shù)，使其在向電網(wǎng)輸入有功功率的同時(shí)輸入(或吸收)一定量的感性無功功率，則可以在不增加附加裝置的前提下提高分布式電源的接入點(diǎn)電壓穩(wěn)定性。

同樣以10 kV接入的分布式電源接入為例，假定接入點(diǎn)短路容量為100 MVA，配電網(wǎng)功率因素為0·96，按照《分布式電源接入配電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》的要求，同步電機(jī)類分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)功率因素在0·95(超前)～0·95(滯后)[14]，則該接入點(diǎn)最大允許接入容量為:

若接入變流型分布式電源(如分布式光伏)，按照《分布式電源接入配電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》的要求，變流型分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)功率因素在0·98(超前)～0·98(滯后)[14]，則該接入點(diǎn)最大允許接入容量為:

顯然，通過分布式電源自身的功率因數(shù)調(diào)節(jié)，可一定范圍內(nèi)提高電壓穩(wěn)定性，提高接入點(diǎn)的最大允許接入容量，提高幅度直接與分布式電源的功率因數(shù)調(diào)節(jié)范圍有關(guān)。但分布式電源一般要以考慮發(fā)電效益為先，因此分布式電源的功率因數(shù)調(diào)節(jié)范圍不大，且受限制于當(dāng)前規(guī)范要求。因此通過分布式電源自身功率因數(shù)調(diào)節(jié)，可以提高分布式電源的可接入容量，但提升幅度較小。

3 有附加設(shè)施的最大允許接入容量分析

通過前述分析，分布式電源自身功率因數(shù)調(diào)節(jié)可以在一定范圍內(nèi)提高分布式電源的最大允許接入容量。但未來分布式電源技術(shù)發(fā)展，其接入功率超過一定范圍后，自身功率因數(shù)調(diào)節(jié)亦不能保證電壓穩(wěn)定。此時(shí)，可以通過增加無功補(bǔ)償或儲(chǔ)能裝置來抑制電壓波動(dòng)[15]，進(jìn)而提高分布式電源最大允許接入容量。

3.1 加入無功補(bǔ)償?shù)淖畲笤试S接入容量

同樣以圖1進(jìn)行分析，將分布式電源換成無功補(bǔ)償裝置，此時(shí)無功補(bǔ)償裝置輸入配電網(wǎng)的電流沒有橫向分量，因此無功補(bǔ)償裝置投入后產(chǎn)生的電壓變化為:

式中，ΔSL為無功補(bǔ)償容量，X為配電網(wǎng)的阻抗垂直分量；U為分布式電源接入點(diǎn)電壓；SK為接入點(diǎn)短路容量。

則加入無功補(bǔ)償后(不考慮分布式電源自身功率因素調(diào)節(jié))，分布式電源出力變化引起的電壓波動(dòng)為:

則整體電壓波動(dòng)率為:

此時(shí)分布式電源的最大允許接入容量為:

對比式(5)和式(12)可知，增加容量為ΔSL的無功補(bǔ)償裝置，可提高分布式電源的最大允許接入容量為

同樣以前述假定條件計(jì)算，假定需接入的分布式電源容量為100 MVA，顯然此時(shí)僅通過分布式電源自身的功率因數(shù)調(diào)節(jié)已經(jīng)無法滿足電壓穩(wěn)定的要求。式(6)已計(jì)算得知，不考慮輔助措施時(shí)，最大接入容量僅7·29 MVA，在分布式電源不參與功率因數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)，需增加無功補(bǔ)償容量:

3.2 加入儲(chǔ)能裝置的最大允許接入容量

考慮分布式電源配套儲(chǔ)能裝置時(shí)，有兩種方式降低分布式電源出力波動(dòng)時(shí)的電壓波動(dòng)。

其一是在分布式電源出力波動(dòng)或投入時(shí)，通過儲(chǔ)能裝置吸收部分出力，通過穩(wěn)定分布式電源波動(dòng)容量降低電壓波動(dòng)率，顯然此時(shí)儲(chǔ)能配置容量應(yīng)等于分布式電源超出最大允許接入容量。

其二是利用虛擬同步機(jī)技術(shù)，使儲(chǔ)能裝置發(fā)揮無功補(bǔ)償?shù)淖饔?，此時(shí)儲(chǔ)能裝置相當(dāng)于無功補(bǔ)償裝置，其分析方法與加入無功補(bǔ)償?shù)姆治龇椒ㄏ嗤?/p>

4 應(yīng)用算例

以浙江嘉興某廠區(qū)10 kV光伏接入為例。該廠區(qū)共計(jì)安裝有6 MVA分布式光伏，其附近有110 kV變電站一座，其10 kV母線在最小運(yùn)行方式下的短路電流均為9·32 kA，功率因數(shù)為0·95～0·98；母線上已經(jīng)接入分布式電源容量為7·2 MVA。

在不考慮輔助措施時(shí)，10 kV母線處可接入的分布式電源最大允許接入容量為:

顯然，前期接入了7·2 MVA分布式電源，剩余可供接的容量為11·89－7·2＝4·69 MVA。如直接將該分布式光伏項(xiàng)目接入該母線，存在電壓超限的風(fēng)險(xiǎn)。

1)方案一。為了分布式光伏項(xiàng)目能接入該變電站母線，可以考慮采用調(diào)節(jié)分布式光伏的功率因數(shù):

可求得:cosθ＝0·967。

因此為確保該光伏項(xiàng)目接入變電站10 kV母線后電壓穩(wěn)定，光伏發(fā)電的功率因數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)節(jié)，功率因數(shù)在0·967(超前)～0·967(滯后)。

2)方案二。光伏功率因數(shù)不調(diào)節(jié)，可通過增設(shè)無功補(bǔ)償裝置維持電壓穩(wěn)定。其補(bǔ)償容量應(yīng)為:

3)方案三。增加儲(chǔ)能裝置，其容量為:

最終經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，通過調(diào)節(jié)光伏發(fā)電功率因數(shù)，功率因數(shù)在0·967(超前)～0·967(滯后)，對發(fā)電效率影響可忽略，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)秀，因此選用方案一。

5 結(jié)論

本文分析了分布式電源接入配電網(wǎng)時(shí)引起電壓波動(dòng)的具體因素，以電壓穩(wěn)定為邊界條件分析分布式電源的最大允許接入容量，分析了不考慮輔助措施、考慮分布式電源自身功率因數(shù)調(diào)節(jié)、加入無功補(bǔ)償裝置和加入儲(chǔ)能設(shè)施等四種情況下的最大接入容量。主要結(jié)論如下:

1)分布式電源接入配電網(wǎng)引起的電壓波動(dòng)范圍主要取決于接入點(diǎn)短路容量、分布式電源出力波動(dòng)量。

2)在現(xiàn)實(shí)情況中，接入點(diǎn)選擇往往受到客觀條件限制，接入點(diǎn)的短路容量難以改變，分布式接入容量在不考慮輔助措施時(shí)將受到限制，難以滿足未來分布式電源發(fā)展要求。

3)分布式電源通過自身功率因數(shù)調(diào)節(jié)，有利于電壓穩(wěn)定，在一定范圍內(nèi)可以提高分布式電源接入容量。

4)增加無功補(bǔ)償裝置和儲(chǔ)能裝置是抑制分布式電源出力波動(dòng)時(shí)電壓波動(dòng)的有效手段，可以較大幅度提高分布式電源最大允許接入容量。