分布式光伏發電對住宅配電系統的影響

孫闊

（國網天津市電力公司城西供電分公司天津300113）

分布式光伏發電對住宅配電系統的影響

孫闊

（國網天津市電力公司城西供電分公司天津300113）

分布式發電在過去的幾十年里發展迅速，因其可以分布在用戶密集區及其周圍，而具備傳統發電方式所缺少的優勢。然而，因為分布式電源可能會產生雙向電力潮流和其他潛在、難以預測的問題，配電系統設計不能與之完全匹配。本文研究了兩種不同類型的分布式光伏電源對配電饋線的影響，進一步研究了高穿透率分布式光伏發電并網的影響并對可能出現的問題進行了指證。

分布式發電；配電系統；配電工程；光伏；住宅屋頂光伏；應用光伏；電壓變動率；電壓不平衡系數；線損

分布式發電（DG）即可分布在用戶區域或附近的電力來源。這些電源擁有低電壓等級的特點。最近幾年間，由于政策逐步放寬和日益凸顯的環境問題，分布式發電得以快速發展[1][2]。與電網連接的分布式光伏電源大致可分為兩種，住宅屋頂式光伏發電和大型應用型獨立光伏發電。

典型的配電網絡潮流全部來自一級變電所，在系統中屬于獨立來源。但隨著配電接入更多的分布式電源，這一設計將會被顛覆。同時，新的運行情況將可能會出現。對分布式發電影響的初步研究起始于電能質量、可靠性和電網運行狀況。研究表明，高穿透率分布式電源對電能質量和電網運行有較大影響。

1　系統描述

圖1　12.47kV測試配電饋線

被測配電饋線為亞利桑那州典型的城市配電饋線。輸入的負載數據是一小時內饋線總負載的平均值。這些數據可以從能源管理系統數據庫(Energy management systemdatabase)獲取,如圖1示。

被測饋線由12.74kV，9英里長的三相架空線和由主饋線發出的等長單相電纜組成（未在圖一顯示）。所需的電纜和架空線序列阻抗在表1中示出。

設定該三相架空饋線為平衡、換相架空線。系統參數指標如表1所示。

表1　饋線數據（R，X單位為Ω/MILE，B單位為ΜS/MILE）

1.1饋線供給兩個負載區，負載區域1和區域2如圖1所示。居民用戶在兩區域密集。

1.2居民用戶位于放射型饋線末端且屋頂裝載有單相光伏發電機。居民用戶及其光伏電壓如圖2所示。

1.3屋頂式光伏發電容量為3kW～4kW。

1.4兩座應用型三相光伏電機分別位于距離變電所3英里（PVG 1，即光伏電機1）和7英里（PVG2，即光伏電機2）。

1.5PVG1發電容量400kW，PVG2為500kW。屋頂式光伏發電總裝機容量為400kW。單相光伏電源在每相配電分別為，A相174kW、B相109kW和C相117kW。

1.6三個并聯電容器組安裝在CAP1、CAP2和CAP3。其容量分別為800kVAr、1200kVAr和800kVAr。

圖2　由屋頂光伏分布式電源供給的典型住宅負荷

該系統在典型夏季周的負載波動如圖3所示。被測系統最大負載5.5MW、最小負載2.1MW。

圖3　典型夏季一周負荷曲線

2　分析研究

為了研究中等穿透率的分布式光伏電源在不同負載下對系統的影響，本文設計了兩種方案。方案1展現了低負載的夏季工作日，由于居民用電率低總負載為2.1MW。方案2展現了高負載的夏季雙休日，由于居民多于家中，家電陸續工作，總負載為5.5MW。兩方案的單相配電量如表2所示。其次，每套方案均考慮了兩種事例。事例1為系統無光伏電源并網，事例2為1.2MW分布式光伏并網。對于中穿透率級別，1.2MW的光伏電源供應方案1的57.14%的負載，供應方案2的21.81%的負載。

表2　不同方案負載總結

為了研究高穿透率光伏電源對系統的影響，增加屋頂光伏發電量從而令總光伏發電量上升至2MW。同時，研究系統為低負載條件即表1所示方案1。對于低負載系統，2MW分布式光伏電源供應95.2%的總負載。

3　中穿透率分布式光伏發電

3.1光伏電源對電壓側影響

饋線負載電流流經線路阻抗及配電變壓器形成電壓降。在負載中心引入分布式光伏電源會降低從變電所流出的負載電流，進而提升電壓。只要光伏發電量足夠滿足負荷要求且凈總電力潮流為一級變電所流向負載終端。隨著系統負載的改變，可能會出現發電下流負載降低，從而造成光伏電源附近電壓上升。這一影響將隨著校正電容組的動作而加重，進而使有害的電壓偏移在饋線其他部分出現。

本節將重點研究分布式光伏電源對被測配電饋線電壓變動率的影響。在實驗過程中，并聯電容器將與系統保持連接從而檢測其對兩方案的影響。在低負載條件下，由于饋線電流低，當系統不接入光伏電源時饋線接收端電壓接近接近1p.u.由于并聯電容向系統注入無功，饋線中部的電壓得以上升。

3.2光伏電源對電壓不平衡系數的影響

供電電壓的不平衡會造成運行性能降低并會對三相電動機造成永久損害。電壓的不平衡會在電動機定子終端產生不當升高的不平衡電流。由于會造成過熱，不平衡電流會導致轉矩脈動，機械應力，損耗上升和繞組絕緣壽命降低。將大多數設備的公共耦合點(pointofcommoncoupling,PCC)電壓不平衡系數控制在2%以內是常識。國際電力生產協會(National Electrical ManufacturersAssociation, NEMA)定義的電壓不平衡即線電壓不平衡率,由下給出：

IEEE對電壓不平衡即相電壓不平衡率(PVUR)的定義為：

電壓不平衡系數(VUF(%))的定義為負序電壓大小與正序電壓大小的比值.VUF(%)表示為：

在本節中,分布式光伏電源對被測配電饋線VUF的影響將被介紹.方案1與方案2的饋線VUF分布分別在圖4與圖5展示.總體而言,距離變電所越遠,電壓不平衡系數越高。變電所被視為三相平衡電源，但由于饋線上的不平衡負載電流會產生不相等的電壓降，將會導致不平衡相電壓。

圖4展示了方案1主饋線的電壓不平衡系數變化。如圖4所示，在低負載的條件下，電壓不平衡系數較低，最大值為0.22%。這是由于饋線上沒有明顯的電壓降指使相電壓保持與PCC（公共耦合點）相近的平衡水平。

圖4　方案1主饋線VUF（%）

通過對圖4的事例1（無PV）與事例2（1.2MW PV）進行比較，可以得出在低負載的條件下分布式光伏電源對系統電壓不平衡系數沒有明顯影響——兩個事例的最大VUF(%)均接近0.22%。但是值得注意的是，當系統接入分布式光伏時在饋線中段VUF有所增長。這是由于在饋線中段，不同穿透率的光伏電源在不同相，形成了不相等的電壓升高。

方案2的主饋線VUF如圖5所示。對于高負載系統，接入分布式光伏對系統VUF造成明顯影響。從圖5中可以看到，當系統接入1.2MW分布式光伏后，饋線末端的VUF從0.7%明顯下降至0.45%。由于分布式光伏電源的出現，負載在當地即可得到供應。這就造成了供電饋線不平衡電流的降低，進而降低了不平衡電壓降從而改善了PCC處的VUF(%)。

圖5　方案2主饋線VUF（%）變化

4　高穿透率分布式光伏

4.1對電壓測影響

圖6展示了高穿透率分布式光伏電源對饋線電壓的影響。如圖6所示，盡管與方案1（圖4）接入穿透率為57.14%的PV的情況相比，接入高穿透率PV后主饋線電壓有所上升，但其仍保持在1.05p.u.以下。但是一個相近的饋線研究表明，區域1（相較于區域2為低負載）的饋線某處有過電壓的存在。圖7展示了在住宅區域1的饋線出現過電壓的一段。由于住宅負載小于屋頂光伏供電量而產生了逆潮流，進而在這些位置出現的電壓升高。值得注意的是，電壓修正并聯電容器同時也對電壓上升產生一定作用。

圖6　高穿透率光伏電源對主饋線電壓影響

圖7　區域1出現在低住宅負荷的過電壓

4.2對電壓不平衡的影響

圖8展示了高穿透率分布式光伏電源對電壓不平衡系數的影響。在次穿透率水平下，饋線電壓不平衡系數維持在可以接受的2%范圍內。通過與方案1事例2對比，可以看出，盡管不平衡系數水平無需擔心但最大VUF(%)上升至0.48。

圖8　高穿透率PV接入下饋線VUF（%）

電壓不平衡系數的上升是因為分布式光伏發電三相不平衡的增長。對于此配電系統，增長的光伏發電量致使A相與C相更大的電壓上升，與B相形成反差。最終導致VUF的上升。

電壓不平衡系數的上升與否取決于不同相的負荷大小與接入的光伏發電量大小。

4.3對線損的影響

圖9展示了高穿透率光伏接入下主饋線不同位置線損情況。通過與方案1事例2進行對比，可以得出在該穿透率水平，主饋線不同位置kW級線損有所上升。配電系統總線損從方案1事例2的15.9kW上升至29.3kW。

圖9　主饋線不同位置線損情況

5　結語

通過前文的模擬結果可以得出，無論在重負載或低負載條件下，接入中穿透率水平分布式光伏電源均可以優化電壓變動率并減少線路損耗。但其對電壓不平衡系數的影響對于不同附在條件有所不同：重在條件下光伏電源接入減少電壓降，從而改善電壓不平衡。然而在低負載條件下分布式光伏電源能否改善電壓不平衡系數取決于每一相的負載分配及光伏電機的位置。

當分布式光伏發電穿透率水平位95%時，其發電量與負載相近，會對系統造成負面影響。系統中巨大的逆潮流可能會導致部分分布式光伏電源處出現過電壓，同時線路電流的上升會增加其損耗。高穿透率光伏對系統電壓不平衡系數的影響不顯著，其是否會造成問題取決于光伏電源的位置和其3相的負載分配。

配電系統最先被設計為單向潮流系統。在負載中心接入大量的分布式光伏電源推翻了這一前提，故系統需要為此變化進行調試。光伏電源的地理位置，其并網的表現及系統的負載情況同樣對于判斷其對系統影響具有重要作用。這些方面需要在運行分析時仔細考慮。盡管分布式光伏電源的并網尤其獨特的優勢，接入更多的光伏電源仍需要進一步研究以判明在現有體系內可接受的光伏穿透率水平。本文給出的結果基于接入分布式光伏電源的典型的配電饋線系統。

[1]R.C.Dugan,T.E.McDermott,G.J.Ball,“Planningfordistributed generation,”IEEE Industry Application Magazine.,vol.7,issue 2,pp. 80-88,Mar-Apr2001.

[2]H.B.Puttegen,P.R.MacGregor,F.C.Lambert,“Distributed generation:semantic hypeoradawnofanewera,”IEEE PowerandEnergyMagazine.,vol.1,issue1,pp.22-29,Jan-Feb2003.

[3]M.Shahidehpour,F.Schwarts,“Don’tletthesungodownonPV,”IEEE PowerandEnergyMagazine.,vol.2,issue3,pp.40-48,MayJune2004.