農村地區分布式光伏接入消納能力研究

孫一凡，張蕾瓊，劉 達

（國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

農村地區分布式光伏接入消納能力研究

孫一凡，張蕾瓊，劉 達

（國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

大量的分布式光伏接入農村配電網后對電網的穩定運行、電能質量、系統保護等都會產生較大影響，通過理論分析模型，數學建模以及案例實際計算的方法，來分析研究農村配電網對分布式光伏接入的消納能力，為優化選取接入方案，合理安排配電網改造，提供相應的理論支持。

分布式光伏；農村配電網；消納能力；數學建模

0 引言

隨著光伏技術的不斷發展以及環境資源的制約，光伏發展重心從前幾年的大型光伏電站向分布式光伏、居民光伏傾斜。如浙江省提出的百萬居民光伏計劃，在“十三五”末將在全省范圍內建成一百萬戶居民光伏發電。隨著大量分布式光伏接入配電網，光伏滲透率的不斷提高會對配電網（特別是農村配電網）的穩定運行、系統保護、電能質量和可靠性等方面產生較大影響。為此，研究在保證光伏發電接入系統以后，系統仍然能安全、經濟、穩定地運行的前提下，對光伏發電最大可接入容量，即允許的光伏發電注入電網的功率量，也就是配電網分布式光伏發電消納能力進行分析，則顯得十分必要。

1 最小負荷限制下的光伏滲透率極限分析

1.1 理論分析模型簡介

受光資源時間分布不均衡和氣象變化的影響，光伏電源的輸出具有隨機性、波動性、間歇性的特點，因此其可調可控性較差，屬于不可調度的發電機組。傳統發電機組調節能力主要從電力平衡的穩態要求出發，要求發電系統負荷跟隨能力對光伏滲透率極限的限制。以下從配電網的角度考慮，分析配電網內部的限制因素，對配電網的最小允許負荷進行評估，并計算配電網中的光伏滲透率極限。

在配電網中，需通過短期與長期的負荷分析與預測對機組開機方式進行合理安排，以此進行電源規劃。當光伏系統并網后，因為光伏發電具有不可調節性，故通常將其視為一種特殊的負荷。系統的凈負荷就是由傳統負荷減去該負荷得到。本次理論分析模型是通過分析凈負荷標幺值變化情況，判斷光伏滲透率對配電網影響。

目前農村配電網仍然是以無源放射網絡為主，今后新增分布式光伏系統并網方式均為就地消納余量上網形式，基于上述2個條件，分布式光伏并網后，首先系統凈負荷標幺值不應小于零，出現負荷倒送情況；其次作為常規能源的補充與完善，理想狀態為分布式光伏并網后最大程度平抑系統負荷峰值，在分布式光伏正常出力時凈負荷標幺值處于一個相對穩定狀態，不易出現凈負荷逆向波動，如圖1所示。

圖1 理論模型研究原則示意

分析模型中將分布式光伏電站出現輸出（6∶00）時系統負荷與輸出消失（19∶00）時系統負荷間連線（系統凈負荷與系統實際負荷相等的2個節點間連線）作為基準曲線，系統負荷在基準曲線之上時表示系統負荷出現正向波動，系統負荷在基準曲線之下時表示系統負荷出現逆向波動。

分析模型認為系統凈負荷和標準曲線重合時，分布式光伏出力最優，此時光伏滲透率為推薦值的上限，出現逆向波動表示分布式光伏出力大，其他能源機組輸出下降，當逆向波動峰值（標幺值）出現負值時，表示出力倒送，此時光伏滲透率為極限值。其中：極限值計算方式為分析曲線午間（11∶00—14∶00）凈負荷為零時對應的滲透率， 以此作為極限值。

推薦值上限計算采用離散度分析方法，計算不同滲透率曲線與基準曲線不同時刻凈負荷差值，將其形成1個若干集合，每個集合對應1個滲透率，然后進行離散度分析，即計算SD（標準標準差），標準差最小對應的滲透率為推薦值上限。計算公式如下：

假設有一組數值x1，…，xN（皆為實數），其平均值為：

此組數值的標準差為：

分析模型通過反復迭代計算，找出推薦值上限和極限值。

1.2 不同時間段光伏滲透率與系統凈負荷關系研究

隨著系統中光伏接入容量的不斷增加，凈負荷可能降到零值以下風險，導致配電網中出現功率倒送，這將打破現有輻射型配電網保護配置的原則，并引發電壓調節和繼電保護的很多問題。

以浙江麗水某主供農村區域的10 kV線路2015年典型日負荷為基礎，對四季典型日不同滲透率下系統凈負荷變化情況進行分析，如圖2所示（CP為光伏滲透率）。

根據典型區域2016年實測數據計算系統凈負荷，春季光伏滲透率超過67%、秋季光伏滲透率超過62%時，午間系統最小凈負荷小于0，夏季光伏滲透率超過78%、冬季中光伏滲透率超過76%時，系統凈負荷小于0。

對各曲線變化情況可以看出，典型區域春季滲透率為21%、秋季滲透率為27%和冬季光伏滲透率為37%時，對系統日間峰荷平抑效果明顯，對應標準差值為當日最小；夏季峰荷主要出現在晚間，加之光伏出力有限，光伏滲透率對峰荷抑制作用較為有限，系統凈負荷波動較大。

由于夏季系統負荷較高、光伏電站輸出降低，高滲透率對凈負荷影響有限，而春季為系統負荷最低、光伏電站輸出最高時期，此時光伏滲透率對系統凈負荷的影響可以作為區域光伏滲透率極限值的參考之一。

2 光伏消納能力分析計算

2.1 消納能力分析數學建模

中壓配電網單條中壓饋線分布式電源消納能力研究可以描述為在滿足節點電壓和支路功率等運行約束條件下，充分考慮負荷波動、光資源情況、負荷與分布式電源在饋線中的分布情況，求取單條中壓饋線所能接入的最大DG（分布式光伏）裝機容量。約束條件主要包括如下內容：功率平衡約束，節點電壓約束，變電站母線電壓范圍約束，線路容量約束。DG消納能力問題建立的模型如下：

圖2 四季不同光伏滲透率下日凈負荷變化

式中：NDG為分布式光伏個數；PDG，i為分布式光伏有功功率；Pgi，Qgi為注入節點i的有功功率和無功功率；Pli，Qli為節點i負荷的有功功率和無功功率；pij，qij為連接節點i與j的線路有功功率和無功功率；Ωi代表與節點i相連的節點集合。分別為節點i的電壓值、最小允許值和最大允許值分別為變電站母線i電壓最小允許值和最大允許值；為變電站母線i的電壓值。為連接節點的線路最大有功功率允許值。

其中約束條件式（6）是從節點電壓質量角度考慮，按照相關導則規定，節點電壓范圍為0.93～1.07 p.u.。約束條件式（7）是從無功電壓控制的角度考慮，由于變電站低壓側的無功補償裝置采用分組投切的方法調整母線電壓，這是一種離散控制方法，同時考慮無功補償裝置一定的響應延遲，變電站低壓側母線電壓在一定范圍內波動，在該約束條件下，對配電網中接入的分布式光伏采用“fit and forget”原則，即分布式電源接入后供電公司不對其加以控制，完全由用戶自主控制其運行。

目前，限制分布式電源接入的主要影響因素為節點電壓約束。分布式光伏電源的配電網的電壓分析模型如圖3所示，設某條輻射式接線共有N個節點，每個節點均接有負荷和光伏電源，若某節點不存在光伏電源或負荷時，將其功率設為零即可。值得指出，光伏的有功潮流與負荷的有功潮流方向相反。對于圖3所示配電網中壓饋線，第k個節點到配電母線處的電壓損失ΔUk%和第k條支路電流Ik（忽略網損影響）如下所示：

由式（9）可以看出，引起光伏接入節點過電壓的主要原因為線路的電阻和光伏輸出功率的乘積。該式可以為提出降低光伏接入對配電網電壓影響的措施提供理論依據。

圖3 接有分布式光伏的輻射式配電網模型

2.2 案例計算分析

2.2.1 項目概況

選取嘉興市沙家浜社區作為計算案例。該社區共200戶居民住宅屋頂安裝分布式家庭光伏發電項目。每戶建設規模為2 kWp，安裝光伏組件屋頂面積約20 m2，鋪設8塊，每塊容量為250 Wp的光伏板，項目合計裝機規模400 kWp。本項目所有光伏居民單元均采用用戶側發電，自發自用余電上網的方式。

沙家浜1號臺區有用電戶數37戶，2015年變壓器最大負荷約為140 kW，最小負荷約為35 kW。沙家浜社區1號臺區低壓電網及光伏分布情況見圖4。為分析計算方便，將其進行簡化，簡化后的分析計算模型如圖5所示。

圖4 沙家浜1號臺區低壓電網及光伏接入分布

圖5 沙家浜1號臺區簡化計算

簡化后的并網點3個，節點2相當于電纜分接箱DF3，將接入的用戶9家視作一個整體，目前實際安裝光伏的用戶5家，9家用戶的用電負荷即為用戶負荷9號；節點3相當于電纜分接箱DF2，將接入的用戶共計13家看作一個整體，目前實際安裝光伏的用戶10家，13家用戶的用電負荷即為用戶負荷13號；節點4相當于電纜分接箱DF1，將接入的用戶共計15家看作一個整體，目前實際安裝光伏的用戶12家，15家用戶的用電負荷即為用戶負荷15號。

2.2.2 計算方案及結果

（1）對選定案例分為滲透率不斷增加6種方案進行計算，具體方案見表1。

（2）分別對該6種方案進行潮流計算，計算其潮流走向以及4個節點處電壓是否出現越限現象，結果見表2。

（3）以方案3的光伏容量為例，開展不同用戶用電負荷情況下潮流與電壓越限計算，結果見表3。

（4）以方案3的光伏容量為例，開展不同臺變容量情況下潮流與電壓越限計算，結果見表4。

表2為潮流計算結果，對數據進行相關分析可以看出：

（1）光伏出力一旦大于系統最小負荷，則將會出現潮流倒送。

（2）不限制潮流倒送的情況下，光伏的安裝容量在70%以下，光伏接入點的電壓都在允許范圍來。

（3）光伏接入后，勢必會抬升接入點的電壓值，且隨著光伏發電注入容量的增大而增加。

通過表3可以看出，用戶的負荷特性也會有較大影響，用戶的日最小負荷越小，可安裝的光伏容量越受到限制；相反，用戶的日最小負荷越大，則允許安裝的光伏容量越大。

通過表4可以看出，臺區配變容量的大小對潮流分布也有定影響，配變容量越小，同樣的光伏注入容量情況下，臺區低壓母線的電壓值越高，光伏接入點的電壓抬升越明顯，因此，光伏接入的容量也受到配變臺區容量大小的限制。

3 結論

從典型區域負荷特性看，不同時間段分布式光伏滲透率對配電網影響差異較大，對于范圍較小的典型供電區來說，具體研究結論如下：

（1）不同時段分布式光伏滲透率對配電網影響差異較大，對于范圍較小的典型供電區來說，考慮最小負荷的限制，則農村偏遠地區分布式光伏滲透率推薦值在20%～30%之間，以合理控制發電成本，保證系統的安全穩定運行，實現光伏的就地消納。

（2）典型10 kV線路及配變臺區光伏消納能力計算結果表明：分布式光伏發電的接入會明顯抬高公共母線及光伏接入點位置的電壓值；接入的位置越靠近線路末端，對電壓的抬升越明顯；光伏的出力與系統同一時刻的負荷比值越大，影響越為明顯。

表1 沙家浜臺區計算方案說明

表2 沙家浜臺區潮流計算結果列表

表3 改變用戶負荷大小的計算結果（方案三為例）

表4 改變配變臺區容量大小的計算結果（方案三為例）

因此針對不同容量大小的光伏項目，需要合理考慮其合理的接入位置、接入方式，以最大程度的提高農村配電網對光伏的消納。

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2017-09-22

孫一凡（1986），男，工程師，從事光伏接入設計及規劃技術研究工作。

（本文編輯：陸 瑩）

Research on the Consumption Capability of Distributed Photovoltaic Access in Rural Areas

SUN Yifan， ZHANG Leiqiong， LIU Da
（State Grid Jiaxing Power Supply Company， Jiaxing Zhejiang 314000， China）

With the large-scale access of distributed photovoltaic in rural distribution networks，operation stability of power grid，power quality and system protection are significantly affected.Through theoretical analysis model，mathematical modeling and real case calculation method,consumption capability of distributed photovoltaic access in rural distribution networks is analyzed to provide theoretical support for optimal access scheme selection and reasonable arrangement of distribution network innovation.

distributed PV；rural distribution networks；consumption capability；mathematical modeling

10.19585/j.zjdl.201711008

1007-1881（2017）11-0045-06

TM615

A