整縣光伏接入電網(wǎng)約束條件分析

梅笑妍 柴植

南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院 江蘇 南京 211167

引言

整縣光伏是在可利用場(chǎng)地建設(shè)安裝分布式光伏電源設(shè)備并接入電網(wǎng)，是以電網(wǎng)系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)為特征的發(fā)電設(shè)施?？焖侔l(fā)展的整縣光伏利用全縣光伏資源，其大量應(yīng)用的電力電子設(shè)備對(duì)電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)維技術(shù)水平提出了更高要求，光伏電源的接入使配電系統(tǒng)從輻射式單電源網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橛性炊喽司W(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、用戶屬性發(fā)生變化，對(duì)電網(wǎng)容量、電能質(zhì)量等帶來影響，增大了源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)難度。

1 電網(wǎng)容量約束條件分析

電網(wǎng)容量約束分為暫態(tài)短路容量與穩(wěn)態(tài)容量。暫態(tài)短路容量指當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)切斷暫態(tài)電流的能力，穩(wěn)態(tài)容量指系統(tǒng)正常帶負(fù)荷能力。暫態(tài)短路容量和穩(wěn)態(tài)容量代表了電網(wǎng)網(wǎng)架在故障以及正常負(fù)荷狀態(tài)下保持安全運(yùn)行的能力，接入電網(wǎng)的所有電源及用電客戶均應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)定。

1.1 暫態(tài)短路容量

配電網(wǎng)新增分布式光伏電源DG（T接方式接入）后，應(yīng)分別考慮分布式光伏電源所在線路首端短路、末端短路以及相鄰線路短路3種情況。

圖1 DG接入電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

當(dāng)DG所在線路的相鄰線路饋線A在A2點(diǎn)發(fā)生三相短路故障，短路電流為：

分布式光伏電源提供的新增短路電流遠(yuǎn)小于系統(tǒng)提供的短路電流。

以該縣某110kV變電所為例，該所現(xiàn)有2臺(tái)80MVA主變，遠(yuǎn)景2臺(tái)主變，電壓等級(jí)110/24/10.5，容量比為80/80/80，10kV出線18條，接入光伏電源前系統(tǒng)10kV側(cè)短路容量17.44kA。

若18條10kV出線均在母線近點(diǎn)接入光伏電源10MVA，此時(shí)饋線A線路A1點(diǎn)三相短路時(shí)光伏電源所供短路電流將達(dá)：

1.2 穩(wěn)態(tài)容量

在電能質(zhì)量滿足要求的基礎(chǔ)上，電網(wǎng)允許接入穩(wěn)態(tài)容量有以下幾種約束方式：

1.2.1 《國(guó)家電網(wǎng)公司光伏電站接入技術(shù)規(guī)定》Q/GDW617-2011規(guī)定，400V接入的光伏容量不超過上一級(jí)變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大負(fù)荷的25%，T接于公共電網(wǎng)的光伏電站不超過線路輸送容量的30%。該規(guī)定在對(duì)電網(wǎng)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上給出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，配變及線路接入光伏不超過該容量比例，一般不會(huì)造成功率倒供。

1.2.2 接入點(diǎn)本級(jí)電網(wǎng)就地平衡為原則。T接于線路光伏總?cè)萘坎怀^線路總負(fù)荷，接于變電站母線的光伏總?cè)萘坎怀^母線供出負(fù)荷總量。對(duì)于長(zhǎng)期穩(wěn)定的工業(yè)負(fù)荷較為適用，匹配的光伏能以穩(wěn)定的功率供給，但通常供電負(fù)荷可能相差很大，會(huì)出現(xiàn)最大和最小運(yùn)行方式。以最小負(fù)荷接入光伏將導(dǎo)致所接光伏容量太小，以最大負(fù)荷接入的光伏將會(huì)在最小運(yùn)行方式時(shí)產(chǎn)生棄光現(xiàn)象。

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，市場(chǎng)營(yíng)銷不僅僅是一種簡(jiǎn)單的交易過程了。新形勢(shì)下，企業(yè)在市場(chǎng)營(yíng)銷的過程當(dāng)中，應(yīng)將企業(yè)文化、服務(wù)、信譽(yù)進(jìn)行有機(jī)的融合，進(jìn)而銷售給消費(fèi)者，最終在傳播企業(yè)文化的同時(shí)，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的增長(zhǎng)。但是，按照現(xiàn)狀來看，部分企業(yè)并沒有重視起對(duì)營(yíng)銷模式的改革，依然采取以往傳統(tǒng)的營(yíng)銷手段，這對(duì)于接下來的管理工作以及企業(yè)的發(fā)展來說是極為不利的。

1.2.3 以電氣設(shè)備限額為原則。為節(jié)約投資，充分發(fā)揮電氣一次設(shè)備的供電能力，光伏容量不應(yīng)超過所接入電網(wǎng)的線路及設(shè)備額定容量。

當(dāng)示例變電所出線所接光伏電源以單條線路負(fù)荷限額10MW為限時(shí)，若所有出線均按最大限額接入，10kV側(cè)總光伏容量將達(dá)180MW，超過本期主變總?cè)萘?60MW，變電所上年度10kV側(cè)最小負(fù)荷僅9.6MW，當(dāng)日主變最小負(fù)荷僅24.55MW，若出現(xiàn)負(fù)荷更低的極端異常情況，系統(tǒng)將無可避免地出現(xiàn)棄光現(xiàn)象。

因此，光伏接入時(shí)，應(yīng)進(jìn)行容量全電壓等級(jí)校核。對(duì)主變、出線以及上級(jí)各電壓等級(jí)進(jìn)行光伏容量校核，確保每級(jí)容量均不超過設(shè)備限額。

2 電壓降落約束條件分析

光伏接入公共電網(wǎng)的方式有專線接入、T接接入以及通過用戶內(nèi)部接入等方式。10kV架空配電線路聯(lián)絡(luò)開關(guān)及電纜環(huán)網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行方式正常為開環(huán)運(yùn)行，即現(xiàn)場(chǎng)均為輻射型供電方式。整縣光伏接入配電網(wǎng)典型方案中線路各節(jié)點(diǎn)電壓為：

縣域配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，沿出線潮流方向電壓逐漸降低，接入光伏后會(huì)導(dǎo)致電壓升高。當(dāng)接入位置位于線路首端時(shí)，各支路電壓損耗幾乎無變化，各節(jié)點(diǎn)電壓不變。當(dāng)從線路后段接入時(shí)，饋線上的傳輸功率將減少，各支路電壓損耗減小，同時(shí)由于光伏電源輸出部分無功功率，使該線的各支路節(jié)點(diǎn)電壓升高，還可能導(dǎo)致線路過電壓。實(shí)際接入方案中可通過改變光伏接入來調(diào)整饋線節(jié)點(diǎn)電壓，當(dāng)光伏接入移向系統(tǒng)母線側(cè)時(shí)，電壓損耗減小的支路數(shù)變少，削弱了光伏接入對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響；反之，當(dāng)光伏接入節(jié)點(diǎn)靠近線路末端時(shí)，可以加強(qiáng)光伏對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的支撐作用。

當(dāng)接入的光伏功率小于負(fù)荷功率時(shí)，接入節(jié)點(diǎn)前段各支路節(jié)點(diǎn)電壓損耗變小，致節(jié)點(diǎn)的電壓升高，而節(jié)點(diǎn)后各支路的電壓損耗并未發(fā)生變化，即接入節(jié)點(diǎn)后各節(jié)點(diǎn)電壓也將被動(dòng)升高，使整條饋線所有節(jié)點(diǎn)的電壓升高，從而改善了整條線路的電壓水平。當(dāng)光伏功率大于負(fù)荷功率時(shí)，系統(tǒng)潮流發(fā)生變化，電壓可能上升，也可能下降。實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)根據(jù)光伏接入線路的負(fù)荷變化情況進(jìn)行潮流分析或通過配電自動(dòng)化電壓實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？梢姡夥娫吹慕尤胛恢煤腿萘坑绊懢€路潮流分布，加大配電網(wǎng)電壓調(diào)整難度。

另外，不同布點(diǎn)的光伏發(fā)電設(shè)備本體性能的差異、三相接入容量不同等會(huì)導(dǎo)致電壓更高的三相不平衡，光伏并網(wǎng)點(diǎn)越遠(yuǎn)、光伏容量越大，配電網(wǎng)電壓的波動(dòng)就會(huì)越大。這種情況下，可通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改造、各相用戶數(shù)的調(diào)整、設(shè)備及安裝應(yīng)符合規(guī)范等手段來改善三相不平衡度。

《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》要求，接入35kV的光伏電源其公共連接點(diǎn)電壓正、負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過標(biāo)稱值的10%；20kV及以下三相公共連接點(diǎn)電壓偏差不超過標(biāo)稱電壓的±7%。220V單相公共連接點(diǎn)電壓偏差不超過標(biāo)稱電壓的+7%，-10%[1]。

10kV及以上光伏接入對(duì)系統(tǒng)電壓的影響因素包括所接光伏輸出的無功功率，《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T19964-2012）要求10kV及以上接入的光伏電站逆變器應(yīng)實(shí)現(xiàn)cos(φ)在-0.95到0.95間可調(diào)[2]，光伏電站應(yīng)按需加裝無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓，與電網(wǎng)端共同實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的協(xié)同調(diào)節(jié)功能。

400V光伏低壓電網(wǎng)中，380V三相及220V單相接入的光伏設(shè)備，不要求具備無功電壓調(diào)節(jié)能力，其輸出功率大于50%時(shí)，cos(φ)應(yīng)在-0.98到0.98之間。

3 運(yùn)行維護(hù)策略

整縣光伏現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)中，應(yīng)充分考慮以下幾點(diǎn)：

由于光伏發(fā)電的成本下降明顯，整縣光伏將在近幾年持續(xù)高速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)應(yīng)充分考慮分布式電源接入的影響。整縣光伏具有分布的隨機(jī)性，需在電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)進(jìn)行內(nèi)容拓展，對(duì)可能接入光伏的地點(diǎn)和容量進(jìn)行全面調(diào)研，提前判斷和確定電網(wǎng)在光伏接入后的安全性，經(jīng)濟(jì)性，使其對(duì)電網(wǎng)的不利影響最小化。因此，光伏的選址和定容、投資和運(yùn)行費(fèi)用、容量約束、電壓約束、放射狀運(yùn)行約束、具有一定的應(yīng)對(duì)緊急事故的能力是整縣光伏安全推廣、保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的重要因素。

整縣光伏不規(guī)則投切導(dǎo)致的功率輸入波動(dòng)會(huì)直接造成電壓波動(dòng)，電網(wǎng)源網(wǎng)荷各側(cè)的電壓補(bǔ)償裝置、自動(dòng)投切設(shè)備、系統(tǒng)測(cè)控裝置相互作用，會(huì)直接或間接引起電壓波動(dòng)。因此，在運(yùn)行中應(yīng)關(guān)注氣象條件、設(shè)備工況、特殊運(yùn)方等。

在優(yōu)先保證公用電力10kV專線接入需求后，線路通道以及變電站出線單元資源非常稀缺。各縣域電網(wǎng)在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，雖確定了本地區(qū)通過10kV專線接入方式的分布式發(fā)電全額上網(wǎng)容量，建議根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定或適當(dāng)放寬接入功率的限制，以通過T接方式接入公用線路，這樣既節(jié)約投資，又能實(shí)現(xiàn)接入容量的就地消納，經(jīng)濟(jì)性明顯。

當(dāng)400V光伏接入容量超過自身臺(tái)區(qū)配變額定容量25%時(shí)，應(yīng)使用低壓斷路器作為配變低總開關(guān)，并在配變低壓母線處裝設(shè)反孤島裝置[3-4]，兩者間須具備操作閉鎖功能，以確?？煽窟\(yùn)行。

低壓居民光伏一般直接接入公用低壓線路，應(yīng)防止接入容量超過臺(tái)區(qū)配變?nèi)萘?。接入前需校核配變低壓?cè)接入容量，原則上應(yīng)實(shí)現(xiàn)功率就地平衡且不向上級(jí)電網(wǎng)輸送功率。

4 結(jié)束語

本文基于縣級(jí)電網(wǎng)以及光伏電站實(shí)際配置現(xiàn)狀，對(duì)光伏電站接入重點(diǎn)約束因素進(jìn)行了分析，提出了接入容量、電壓偏移兩大關(guān)鍵約束條件。接入容量分析表明，以接入點(diǎn)本級(jí)電網(wǎng)就地平衡為原則，采用基于元件限額的光伏容量約束方式對(duì)接入容量進(jìn)行規(guī)劃[5]。整縣光伏推廣過程中應(yīng)建立容量全電壓等級(jí)校核機(jī)制，對(duì)饋線、主變以及上級(jí)各電壓等級(jí)進(jìn)行光伏容量校核，確保每級(jí)容量均不超過元件限額。接入短路容量分析表明，變電站接入光伏電源會(huì)影響原斷路器等設(shè)備切斷故障的能力，應(yīng)對(duì)變電站進(jìn)行熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定電流校驗(yàn)。

在容量分析的基礎(chǔ)上，本文分析了分布式光伏接入10kV、400V配電網(wǎng)的兩種情況，其中光伏電站接入10kV配電網(wǎng)的電壓偏移可通過系統(tǒng)配置無功補(bǔ)償裝置滿足調(diào)壓能力，或通過光伏電源具有的自配調(diào)壓能力，在接入配電網(wǎng)后協(xié)同調(diào)壓。接入400V的光伏電站不具備調(diào)壓能力，在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試前應(yīng)充分考慮電壓偏移因素。