北京電網(wǎng)消納分布式光伏發(fā)電能力分析

趙 瑞 周運斌 王立永

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.北京市電力公司調(diào)度通信中心，北京 100031）

眾所周知，太陽能取之不盡，用之不竭。據(jù)測算，1年內(nèi)到達地球表面的太陽能總量是目前世界已探明儲量能源的1萬多倍。我國年均日照長，輻射總量大，屬于太陽能資源較為豐富的國家之一，全國國土面積 2/3以上的地區(qū)每年日照時數(shù)大于2000h，僅陸地面積每年接受的太陽輻射能就約等于幾萬個三峽工程發(fā)電量的總和。

2010年1月5日，北京市《加快太陽能開發(fā)利用促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見》對外發(fā)布。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，北京市確定到 2012年，太陽能發(fā)電系統(tǒng)達到70MW，太陽能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過 200億元。據(jù)悉，到2020年，北京市太陽能發(fā)電系統(tǒng)達到 300MW，在高端生產(chǎn)裝備制造、太陽能工程系統(tǒng)集成、標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)制及認(rèn)證等方面形成國內(nèi)領(lǐng)先優(yōu)勢。為此，北京將啟動實施六大“金色陽光”工程，包括兩萬千瓦光伏屋頂工程、5萬千瓦光能示范上網(wǎng)電站工程、陽光校園工程、光能熱水工程、陽光惠農(nóng)工程和園林陽光夜景工程等。

1 北京光資源分布及光伏發(fā)電運行情況

北京地區(qū)太陽光光照強度如表1、2所示。

表1 水平面的月平均光照強度（kW·h/m2/天）

表2 水平面的月平均散射光強度（kW·h/m2/天）

目前，北京已經(jīng)有不少光伏發(fā)電工程，但總體來講容量不大，基本上傾向于照明系統(tǒng)的應(yīng)用，不屬于大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電模式，不存在和市電網(wǎng)絡(luò)的并網(wǎng)問題。

北京南站中央屋面采用的光伏發(fā)電一體化系統(tǒng)經(jīng)過多次調(diào)整，安裝太陽能電池板3264塊，總功率245kW，系統(tǒng)年輸出電量為22萬 kW·h，創(chuàng)造了目前國內(nèi)公共建筑安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)面積之最。國家體育場（鳥巢）采用太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，總?cè)萘繛?00kW，技術(shù)達到國際領(lǐng)先的水平，為國家科技示范項目。該系統(tǒng)為地下車庫提供白天照明和廣場照明。太陽能電池板安裝在屋頂及南立面幕墻。加拿大太陽能公司供應(yīng)了66kW的太陽能電池組件來點亮路燈。這些路燈立于從鳥巢到奧林匹克廣場的主干道兩旁。圖1是位于“鳥巢”屋頂和周圍的太陽能光伏發(fā)電照明系統(tǒng)。

圖1 國家體育館太陽能光伏發(fā)電照明系統(tǒng)

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)運行的影響

2.1 對電網(wǎng)電壓及其穩(wěn)定性的影響

當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電容量占電網(wǎng)內(nèi)總發(fā)電量比例逐步增大后，不僅可能對配電網(wǎng)內(nèi)的電壓控制產(chǎn)生影響，還可能影響到高壓電網(wǎng)的電壓特性，甚至引起電壓穩(wěn)定性問題。例如，某大區(qū)電網(wǎng)的重負(fù)荷區(qū)內(nèi)安裝了大量的光伏發(fā)電系統(tǒng)，考慮到這類地區(qū)的日照特性基本相同，當(dāng)該地區(qū)的日照出現(xiàn)突變時，由于太陽能功率的大量減少，將導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)大量的功率缺額，若該缺額很大，則可能對該地區(qū)整個的電壓質(zhì)量甚至電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。從這一角度看，若今后要在負(fù)荷中心處大力發(fā)展光伏發(fā)電，須對該類發(fā)電系統(tǒng)所占的比例進行合理規(guī)劃。

2.2 對電網(wǎng)頻率的影響

當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電容量占電網(wǎng)內(nèi)總發(fā)電量比例逐步增大后，由于其發(fā)電具有一定的隨機性，因而可能導(dǎo)致電網(wǎng)內(nèi)的頻率時常出現(xiàn)波動。如果系統(tǒng)內(nèi)的一次調(diào)頻機組大多采用火電機組，將會在一定程度上影響到汽輪機葉片的使用壽命。因此，為今后更好地接納大容量光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能，并應(yīng)對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能的時變性，要求規(guī)劃時重新配置電網(wǎng)調(diào)峰容量。

2.3 對繼電保護的影響

電系統(tǒng)處在電能傳輸鏈的最末端，電壓等級通常較低，在光伏發(fā)電等分布式發(fā)電系統(tǒng)投入之前，除了局部地區(qū)存在一些零星的小水電、小煤電外，配電系統(tǒng)中基本無電源存在。而隨著光伏發(fā)電或其他分布式發(fā)電系統(tǒng)的大量投運，配電系統(tǒng)中線路上的潮流具有了雙向流動的可能性。這就使得配電網(wǎng)中早已大量存在的繼電保護裝置中的很多繼電器不具備方向敏感性，不可能為了新增的光伏發(fā)電或其他分布式發(fā)電系統(tǒng)而對現(xiàn)有的繼電保護體系做大量改動。因此做光伏發(fā)電并網(wǎng)規(guī)劃計算時需要使其與原有的繼電保護協(xié)調(diào)配合并相適應(yīng)。

3 光伏發(fā)電準(zhǔn)入功率計算方法

進行光伏發(fā)電最大可接入容量，也就是允許的光伏發(fā)電注入電網(wǎng)的功率量，前提是必須保證光伏發(fā)電接入系統(tǒng)以后，系統(tǒng)仍然能安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定地運行。準(zhǔn)入功率和很多運行參數(shù)有關(guān)，如短路保護，穩(wěn)定，可靠性等等。把全部因素綜合起來考慮準(zhǔn)入功率，是一個不現(xiàn)實的方法，其得出的結(jié)果也不會具有普遍性。因此需根據(jù)接入系統(tǒng)要求確定光伏電站最大安裝容量，計算條件主要考慮：

1）選擇所接入電網(wǎng)運行狀況最為惡劣的運行方式進行穩(wěn)態(tài)分析。

2）通常光伏發(fā)電的并網(wǎng)逆變器輸出功率因數(shù)控制在單位功率因數(shù)，因而光伏電站可設(shè)定為無功出力為零的PQ節(jié)點。

3）盡量利用變壓器分接頭和投切無功補償裝置等調(diào)節(jié)措施，使容量逐步增加的光伏電站滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行要求，并由此確定出光伏電站最大輸出功率。

在穩(wěn)態(tài)分析中，所需校核穩(wěn)態(tài)安全運行的約束包括：

1）節(jié)點電壓約束，節(jié)點電壓約束值依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)?shù)仉娏Σ块T的規(guī)定設(shè)定。

2）線路容量約束，為保證線路長期安全可靠地運行，選取線路載流量和線路保護允許的最大負(fù)荷電流中較小者作為線路容量約束。

3）變壓器容量約束。

4）發(fā)電廠有功出力和無功出力約束。

計算最大可接入容量有比較多的方法，常見的有試探法、解析法和數(shù)學(xué)優(yōu)化法。試探法，即給定一個光伏發(fā)電的位置和容量，計算在各種負(fù)荷水平下電壓分布和系統(tǒng)短路電流，如果電壓分布和短路電流水平滿足安全運行的要求，再增加光伏發(fā)電的容量，重復(fù)上述計算，直到光伏發(fā)電容量不能再增加為止。這種方法對于一個完全被動的配電系統(tǒng)，即完全采用傳統(tǒng)的調(diào)壓手段進行調(diào)壓的配電系統(tǒng)比較有效且方便。本報告用到的算例即是這樣一個配電變電站，采用試探法能滿足計算要求。

架空線或者電纜線路都存在電阻，因此，電流通過時必然引起壓降。壓降的大小還與通過的電流有關(guān)系，以相電壓的壓降為例，見式（1）。式中，Z為線路的阻抗，I為流經(jīng)線路的電流。

一般線路的功率因數(shù)角比較小，送端與受端電壓差的幅值可以近似表示如式（2）。

式中，P、Q指的是流過線路的有功功率和無功功率；Rline和Xline分別是線路電阻和電抗，Us是送端電壓大小。

一般的饋線的電抗電阻比值X/R較小，因此，線路壓降與通過網(wǎng)絡(luò)的有功功率有著很重要的關(guān)系。另外，在重負(fù)荷時，負(fù)荷的功率因數(shù)比一般情況下都要低，從式（2）可知，此時線路壓降很大。在峰負(fù)荷條件下，假設(shè)負(fù)荷狀態(tài)不變，也沒有電壓調(diào)節(jié)器和電容器的作用，饋線末端將出現(xiàn)最大的壓降。光伏發(fā)電接入變電站饋線遠(yuǎn)端時，線路潮流發(fā)生變化，饋線電壓分布也隨之改變。我們假設(shè)受端節(jié)點負(fù)荷從光伏發(fā)電處得到容量 S=P1+jQ1，送端電壓不變，則線路壓降變?yōu)?/p>

可以看到，線路壓降減小，光伏發(fā)電起到了支撐節(jié)點電壓的作用。但當(dāng)光伏發(fā)電容量過大的時候，受端電壓將達到額定值，甚至超過送端電壓。

綜上所述，一個已知的配電網(wǎng)絡(luò)，考慮其電壓調(diào)整約束，其光伏發(fā)電的滲透功率將有一個最大值，這就是準(zhǔn)入功率。

4 北京CBD商圈電網(wǎng)光伏發(fā)電最大接入容量計算分析

本文采用北京 CBD商業(yè)區(qū)的一個典型變電站——大北窯變電站來測算光伏電站的最大可接入容量。

大北窯變電站的等值網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。大北窯站共有3臺變壓器，3臺變壓器的額定容量均為 31.5MVA，標(biāo)準(zhǔn)變比為：110/10.5kV。采用單母線分段的形式，每臺變壓器高壓側(cè)連接一條進線一條出線，10kV母線上帶負(fù)荷運行。計算分析時，由于 10kV母線的阻抗和負(fù)荷信息不足，將其等效為一條支路，并取10kV線路的典型阻抗（0.4Ω/km）進行計算，假設(shè)大北窯 X2母線的線路最長，并將光伏電站接入此母線以校驗極限容量，系統(tǒng)的功率因數(shù)按0.98來計算。計算分最大運行方式和最小運行方式進行。

圖2 大北窯變電站等值網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

利用此算例進行計算穩(wěn)態(tài)判據(jù)為

1）節(jié)點電壓約束，根據(jù)《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》（GB12325－90）規(guī)定電力系統(tǒng)在正常運行條件下，用戶受電端供電電壓的允許偏差為：①35kV及以上供電和對電壓質(zhì)量有特殊要求的用戶為額定電壓的+5%～-5%； ②10kV及以下高壓供電和低壓電力用戶為額定電壓的+7%～-7%。

2）線路容量約束，110kV各線路載流量按系統(tǒng)實際參數(shù)。10kV線路按2MVA的輸送容量作為約束。

3）變壓器容量約束，各變壓器的額定容量均為31.5MVA。

確定好各穩(wěn)態(tài)約束量后，采用潮流仿真方法計算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行允許的光伏電站最大出力，逐步增加光伏電站出力，同時觀察系統(tǒng)各穩(wěn)態(tài)約束變量是否越限。

計算時，取四種極端情況分別進行驗證。這四種情況分別是系統(tǒng)在最大運行方式下運行，光伏電站出力最大和夜間零出力；最小運行方式下運行，光伏電站出力最大和夜間零出力。

變壓器的負(fù)載率按65%來計算，利用試探法算得光伏發(fā)電的極限容量出現(xiàn)在最小運行方式下，極限容量為23MW。

4.1 最大運行方式

1）光伏電站出力為0

圖3 最大運行方式下光伏電站出力為零時大北窯站潮流

在最大運行方式下，光伏電站出力為0時，大北窯變電站無過載線路，110kV線路都是輕載。

2）光伏電站出力最大

在光伏電站出力為極限容量23MW時，大北窯變電站線路的潮流如圖4所示。

圖4 最大運行方式下光伏電站出力最大時大北窯站潮流

在最大運行方式下，光伏電站滿額出力時，大北窯變電站無過載線路，線路潮流如表8所示。

3）光伏電站出力從0到最大變化

當(dāng)光伏電站出力從0到最大變化時，變電站各節(jié)點電壓變化如圖5所示。

當(dāng)光伏電站出力從0到最大變化時，網(wǎng)絡(luò)損耗如圖6所示。

圖5 最大運行方式下光伏電站出力變化時各節(jié)點電壓

圖6 最大運行方式下光伏電站出力變化時網(wǎng)絡(luò)損耗

4.2 最小運行方式

1）光伏電站出力為0

自從那件事發(fā)生以后，老福離開了刑警隊，到現(xiàn)在還沒想好去處。老福的年紀(jì)并不大，才四十出頭，看上去卻像五十多歲，那張狹長的臉上布滿了淺淺的皺紋，頎長的身材無論在他坐在那張轉(zhuǎn)椅里還是快步行走時都好像沒有重量。尤其是他那雙眼睛，目光持重而銳利，熟悉的人從沒覺得他年輕過。

當(dāng)光伏電站夜間出力為0時，大北窯變電站的潮流如圖7所示。

圖7 最小運行方式下光伏電站出力為零時大北窯站潮流

在最小運行方式下，光伏電站出力為0時，大北窯變電站無過載線，110kV線路都是輕載。

2）光伏電站出力最大

當(dāng)光伏電站出力為極限容量23MW時，大北窯變電站線路的潮流如圖8所示。

圖8 最小運行方式下光伏電站出力最大時大北窯站潮流

在最小運行方式下，光伏電站滿額出力時，大北窯變電站無過載線路。

3）光伏電站出力從0到最大變化

當(dāng)光伏電站出力從0到最大變化時，變電站各節(jié)點電壓變化如圖9所示。

圖9 最小運行方式下光伏電站出力變化時各節(jié)點電壓

當(dāng)光伏電站出力從0到最大變化時，網(wǎng)絡(luò)損耗如圖10所示。

圖10 最小運行方式下光伏電站出力變化時網(wǎng)絡(luò)損耗

5 結(jié)論

從以上結(jié)果可以看出，因光伏發(fā)電的接入，使得原有的配電網(wǎng)由無源變?yōu)橛性矗錁O限功率出現(xiàn)在最小運行方式下，主要受變壓器容量約束。

比較各P-V曲線，可得出如下結(jié)論：

1）光伏電站接入對 110kV線路各節(jié)點電壓影響很小。3臺變壓器均為有載調(diào)壓變壓器，而整個網(wǎng)絡(luò)無功負(fù)荷很少，因此可將各節(jié)點電壓維持得很好。

2）10kV線路上靠近光伏電站的節(jié)點P-V曲線先上升后下降，有越電壓下限的趨勢。

3）各節(jié)點電壓對光伏電站出力變化的靈敏度是不同的，這與節(jié)點到光伏電站的電氣距離有關(guān)。

4）優(yōu)化變壓器分接頭和無功補償裝置的運行將有利于改善節(jié)點電壓水平。

網(wǎng)絡(luò)損耗是電網(wǎng)經(jīng)濟運行關(guān)心的一項重要指標(biāo)。圖2系統(tǒng)中，決定網(wǎng)絡(luò)有功損耗的因素主要是重負(fù)荷線路的損耗。線路大北窯X2連接光伏電站，負(fù)荷比較輕，接入光伏電站后可分擔(dān)重負(fù)荷線路的傳輸功率，從而起到降低網(wǎng)絡(luò)有功損耗的作用。圖6和圖10顯示了網(wǎng)絡(luò)損耗隨光伏電站出力變化的曲線，總有功損耗曲線呈下降趨勢，表明由于光伏電站的接人降低了線路有功損耗。系統(tǒng)無功損耗受電壓分布、線路電容等因素的影響較大，曲線呈先下降后上升趨勢，光伏電站出力較小時可降低總無功損耗，在出力大于11.5MW后才會導(dǎo)致總無功損耗的增加。對網(wǎng)絡(luò)損耗的分析說明，大容量并網(wǎng)光伏電站從輕負(fù)荷線路接人系統(tǒng)時可降低網(wǎng)絡(luò)損耗。另外，如果光伏電站到負(fù)荷中心的距離較近，對網(wǎng)絡(luò)損耗的降低作用就可能會更有效。

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