分布式光伏對10 kV配電網的影響及并網輔助決策系統

鄭茂松，曹 申，任喬林，鄒 宇，張 偉

（1．國網湖北電力公司 孝感供電公司，湖北 孝感443200；2．三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌443000；3．廣西電網有限責任公司 欽州供電公司，廣西 欽州535000）

0 引 言

分布式電源（Distributed Generation，DG）通常指發電功率為數千瓦至50 MW的小型模塊化、配置在用戶附近、與環境兼容的發電單元。分布式電源有利于改善能源結構，提高現有資源的利用率；減少輸電走廊建設，節省輸變電投資；優化供電模式及提高供電可靠性，促進電力系統的可持續發展。

隨著分布式發電技術的逐漸成熟，越來越多的分布式電源接入到配電網中，其中分布式光伏電源以太陽光能作為能源，其豐富的能量來源及清潔的發電形式受到人們越來越多的青睞。分布式光伏電源采用逆變器連接到電網，工作原理是在太陽光照射下通過光伏逆變器將光伏面板產生的直流電轉換成與電網相同頻率、相同相位的交流電。與傳統發電形式相比，分布式光伏發電有其特有的優勢：（1）光伏發電設備結構比較簡單，便于運輸、安裝、維護，建設周期短。（2）發電能源清潔無污染，發電無需機械轉動部件無噪聲產生。（3）發電所需的太陽光無地域限制，分布廣泛。

盡管分布式光伏電源具有著眾多優點，但其發電使用的太陽光能有較強的隨機性和波動性，輸出的功率不穩定；并網過程需要電力電子裝置進行逆變，也在一定程度上附加了電網的諧波污染；其接入改變了原配網的拓撲結構和潮流，這些都會對配網的電能質量、潮流分布、短路電流產生影響。

1 對10 kV配電網的影響

配電系統是發電系統、輸電系統與用戶連接起來的關鍵環節。就我國電力系統而言，配電網是指110 kV及以下等級的電網，通常把110 kV和35 kV級稱為高壓配電網，10 kV級稱為中壓配電網，0．4 kV級稱為低壓配電網。10 kV配電網是我國最常見的配電網，其在配電網體系中占比重較大，是分布式光伏電源的主要接入對象。

光伏電源的接入要考慮電力就近消納以減少電力傳輸時功率的損耗，接入位置通常選在電源項目周邊電網。由于溫度、光照具有較強的波動性、隨機性，導致光伏發電系統的功率輸出不穩定，在一定程度上會改變配電網的潮流分布，有可能在某些位置造成不容忽視的電壓偏差，給電網及用戶帶來電壓波動等問題［1］。如圖1所示，光伏電源的并網需要借助電力電子裝置光伏逆變器來實現，逆變器在工作時會產生一定的諧波注入電網。隨著分布式光伏電源的推廣和普及，其并網引起的電能質量、潮流分布、短路電流等問題應該得到最夠的重視。

圖1 典型光伏并網結構圖

1．1 對電能質量的影響

分布式光伏電源并網改變了配網原有的拓撲結構，其接入配網后會引起配網的各種擾動，從而對配電系統的電能質量產生影響，主要體現在以下兩個方面：

（1）電壓偏差

光伏電站接入后，由于網絡傳輸功率帶有波動性和負荷功率具有隨機性的特點，使得網絡中各負荷節點出現電壓偏差。電壓偏差通常定義為供電系統在正常運行條件下，某一結點的實際電壓與系統額定電壓的差值對系統額定電壓的百分數［2］。

電壓偏差的數學表達式為：

式中：Ure為節點實際電壓；UN為系統額定電壓。

國家標準《電能質量供電電壓允許偏差》GB12325－90規定了系統的供電電壓允許偏差。

以一條簡單的線路為例，說明接入分布式光伏后產生電壓偏差的原因，等值電路圖如圖2所示；相量圖如圖3所示。

圖2 等值電路

圖3 相量圖

在圖3中，ΔUZ和ΔUH分別表示電壓降ΔU的縱分量和橫分量

由于在電壓等級為10 kV的線路上，一條線路兩端電壓的相角差δ較小，ΔUZ對ΔU的影響很小，可以把ΔUH近似看作ΔU，即：

分布式光伏接入后，向配網注入了有功功率P和無功功率Q，進而影響形成電壓偏差的電壓降ΔU。

當電壓偏離額定值較大時，用電設備的工作性能會降低，很可能因過電壓、過電流而損壞。

（2）電力諧波

由于光伏并網使用的光伏逆變器屬于高頻開關的電力電子設備，在將直流電轉換成工頻交流電的過程中，其開關器件頻繁的開通和關斷易產生一系列開關頻率附近的諧波分量，使正弦電流、電壓波形發生畸變從而造成諧波污染［4］。

電壓總諧波畸變率的數學表達式：

在分布式光伏電源接入位置確定的情況下，饋線上UTHD由光伏電源的總出力決定，UTHD與光伏總出力成正相關，即光伏電源的總出力占總負荷的比重越大，饋線上各負荷節點UTHD也就越大。另外，光伏電源的接入位置對饋線上各節點UTHD的影響也有差異，其位置越接近線路末端，對各負荷節點的UTHD影響越嚴重；反之，其接入位置越接近配網變電站出線端影響越小［5］。根據以往運行情況發現，當光伏逆變器出力較小時諧波明顯較大，并且當同一并網節點含有多臺光伏逆變器時，可能引起線路內部諧振將諧波電流放大幾倍甚至數十倍。

1.2 對潮流分布的影響

穩定、可靠的電源是電網安全穩定運行的前提條件，由于日出日落、云層遮擋、天氣狀況變化等原因，光照強度、溫度會隨之發生變化，這種波動性和隨機性使得光伏發電系統在出力大小、質量上呈現出不規律性。“無源”輻射狀的傳統配電網，線路潮流一般都是單向流動的，當分布式光伏電源接入電網后且就近消納不完全時，公共電網轉化為受電端會給電網運行產生一定的波動和影響，從根本上改變系統潮流分布情況。

當配電網接入較小容量的光伏電源時，配電線路流過的有功和無功功率會有所降低，線路沿線的壓降減小，光伏系統對配電網電壓起支撐作用；隨著光伏電源的滲透率逐漸增加到一定值，沿線的壓降會減小到零，即達到額定電壓；但如果繼續增加接入配電網的光伏電源容量，線路的有功功率和無功功率反而會增加，線路壓降變為負值，導致線路電壓高于額定電壓。由此，光伏電源并入原有的配電網后，原有電力系統中饋線上的傳輸功率會發生改變，進而導致原有配電網結構中各節點電壓隨著接入分布式電源的容量和類型出現不同程度的升高或降低，這種不確定性可能會導致節點電壓嚴重越限［6］。在配電系統的實際運行中，分布式電源的接入總容量一般不超過總負荷的30%，這樣即使系統中有多個光伏電源接入，負荷總容量仍大于接入的光伏電源總容量，可保證整個配電網路是嚴格的吸收型受端網絡。

1.3 短路電流

隨著分布式光伏電源接入配電網，使配電系統由原來的輻射狀網絡變成用戶和中小型電源互聯的“有源”網絡，改變了配電網的拓撲結構，從而影響配電網的短路電流水平［7］。

分布式光伏電源接入地區配電網后，當配網線路某一節點發生短路故障時，系統中所有發電機都會向該故障點提供短路電流。若此時分布式光伏電源未從配網系統中解列，則光伏電源有可能持續向故障點提供電流，可能使流過斷路器的短路電流超標，系統側的保護無法正確動作而使故障擴大危及整個系統的安全運行。分布式光伏發電系統對配電系統短路電流的影響主要體現在系統發生故障時，其會增加注入故障點的短路電流。研究表明，分布式光伏發電系統的并網位置對饋線上短路電流的分布也會產生較大影響，當光伏電源越靠近故障點時，其對故障點的等效阻抗越小，注入的短路電流越大，對配電系統故障點的短路電流影響也就越大。因此在分布式光伏發電系統接入前須事先進行分析和計算、校核接入點的短路電流限額，以確定其對配電網短路容量的影響程度以及接入后并網點與公共連接點短路電流是否滿足要求［8］。

2 分布式光伏并網輔助決策系統

分布式光伏電源接入配電網需要科學合理的確定分布式電源的接入點和接入容量，以減小配電網有功網損，改善電能質量，減少配電網保護裝置的換新重置，延緩配電網的升級改造周期，使配電網在運行可靠的同時更加經濟。配電網能夠安全、穩定運行的首要條件是合理的配電網規劃，為盡可能多的發揮分布式光伏發電系統的優勢、建設可持續發展的配電系統、避免盲目規劃減少投資，設計一套可以對分布式光伏電源并網進行科學和準確評價的分布式光伏并網輔助決策系統，以便在配電系統的規劃和運行中采取合理的措施。

2.1 系統目標

僅考慮對局部地區10 kV配電網的影響，校核擬選擇的并網接入點是否滿足現有配電網運行標準的基本要求，包含配電系統潮流計算、無功功率平衡計算、短路電流計算、電能質量分析評估等功能。

2.2 系統設計原則

（1）通用性強，相關功能可廣泛應用于分布式光伏電源接入的配電系統設計。

（2）可擴展性強，能根據特殊要求修改和增強系統功能。

（3）界面友好，具有完善的數據和算法接口，可方便與關聯系統實行數據交換，最大限度增強可維護性。

2.3 系統的總體設計

2．3．1 基礎數據庫

系統所需的基礎數據主要由三部分組成：一是公共電網設備參數以及運行情況；二是用戶電網設備參數以及運行情況；三是光伏發電接入系統的設備參數。

公共電網的設備參數以及運行情況通過整合生產管理PMS系統、配電GIS系統、營銷SG186系統和調度SCADA系統的功能，建立模型并根據配網實際情況進行修改調整。用戶電網和光伏發電接入系統通過人工繪圖和相關數據導入來建立模型。其他電氣計算所需的短路電流、短路容量、阻抗參數等相關數據需具備人工添加、修改的功能。

2．3．2 具體功能

（1）分析計算分布式光伏發電系統的無功補償容量，綜合考慮光伏逆變器的功率因數、匯集線路、變壓器以及線路的無功損失等因素，以確保并網接入點的功率因數滿足相應的標準。

（2）計算配電網公共連接點和分布式光伏電源并網接入點在光伏電站接入前后的短路電流水平，為配電網相關電站及分布式光伏電站的開關設備選擇提供依據和參考。

（3）分析計算電能質量的相關參數以滿足相關運行標準，包含電壓波動、電壓偏差、電力諧波、三相不平衡等方面。

（4）計算符合實際運行情況的最大、最小負荷運行方式、檢修運行方式、事故運行方式的相關線路潮流，校核是否滿足運行要求。

3 結束語

本文介紹了分布式光伏電源并網后對配電網的電能質量分布、潮流分布、短路電流帶來的影響，分析了其影響程度與光伏電源的接入位置以及容量密切相關。隨著分布式光伏發電技術的逐步成熟，其作為具有競爭力的發電方式逐漸滲透到配電系統中，但在其并網前須充分考慮對配電網帶來的影響，文中提出構建一種適合地區配電網的分布式光伏電源并網輔助決策系統，制定相應的控制策略，以便在分布式光伏接入后保證以及優化配電網的安全、經濟、穩定運行。