分析配電網中分布式光伏能量滲透率

谷明，王敏

（國網山東省電力公司莘縣供電公司，山東聊城，252400）

0 引言

在分布式光伏發電研究過程中，具備多點分散設置等特點，為可再生能源的利用提供了更多途徑。隨著該項技術研究逐漸深入，得到了國家和政府的大力支持，在配網中滲透率也日益提升。截止到目前，人們主要利用閑散屋頂和分散土地資源對其進行推廣，衍生出很多光伏應用示范區域。但從研究過程中可以看出，光伏出力的可控性很差，為設備安全保護等工作提出了很大挑戰。

1 光伏并網對配電網的影響

1.1 評價指標

分布式光伏并網的應用，可以讓整個配電網從傳統輻射狀無源網絡轉變成有源網絡。在此項改變之后，潮流流向等也會出現變化，同樣的道理，光伏出力的波動性明顯提升，為整個配電網的冗余容量提出了新的考驗，網絡耗損情況出現更改。為了對高滲透率分布式光伏并網對電網的影響進行量化分析，本文在研究中引進了兩個評價指標因素，即有功耗損和線路負載率。

在該項研究過程中，人們首先需要確定的便是網損指標，用ILoss表示。該指標主要是對系統網損情況進行真實反映，表達式如下：

該式中，LossP 代表光伏并網后系統總有功損耗，當LossI≥0時，說明了光伏并網的網損可以進一步降低，如果數值與1相接近時，整個網損的改善效果更加明顯。如果LossI ＜0時，說明該光伏并網可以提升系統的網損數值。

其次是線路負載率指標，用ILoading表示。線路負載率水平主要是對配電線路的傳輸情況進行真實反映，其中涉及到的配電網容量主要是用于滿足負荷增長二出現。該項指標的選取系統可以借助于負載率計算出最終數值，將配電網裕度補償程度揭示出來，計算公式如下：

1.2 系統建模

在本文研究過程中，主要以IEEE33節點為研究對象，將配電網輻射狀態展示出來，具體模型如圖1所示。

圖1 IEEE33節點系統模型

在該項網絡研究中，總共饋線數量為4條，總負荷達到了3715kW+j2300kvar，系統總額定電壓數值為12.66kV。根據圖1的節點位置，研究人員可以從節點6、11、29處接入分布式光伏電源，容量為400kW，組數分別為4、3、2。為了讓潮流計算結果將電力系統實際運行情況反映出來，在負荷計算上將會采用恒定阻抗模型，該種模型的功率消耗主要在于并網節點電壓的高低。從以往的研究經驗中可以看出，光伏并網之前，配電網的最大用電量可以達到2300kW。

1.3 算例分析

ILoss、ILoading隨著光伏滲透率變化曲線如圖2所示，從圖中可以看出，由于光伏滲透率的不斷提升，二者均會出現先增大后降低的發展趨勢。另外，二者的峰值出現在同一位置上，也就是光伏滲透率在20%時，具體對應的峰值為0.78和0.60。從數值上可以看出，在該光伏滲透率的作用之下，光伏輸出功率可以對日間負荷進行有效補償，實現日間凈負荷峰值的有效降低。在此過程中，整個線路中的系統網損以及線路負載率均會達到最小值。如果光伏滲透率在45%左右時，ILoss、ILoading便會出現負值狀態，說明此光伏滲透率下你的系統網損以及線路負載率要比之前增加很多，系統運行的經濟性和可靠性也明顯下滑。

圖2 ILoss、IL oading 隨光伏滲透率的變化曲線圖

1.4 光伏滲透率分析

當光伏滲透率低于20%時，PVDC可以為負荷提供一些功率支持，并降低線路中遠距離之中的傳輸電流和功率，最終將配電線路中的載流量降低。在此范圍之中，ILoss、ILoading也會隨著光伏滲透率的提升而提升，如果將整個工作集中在下午階段，日峰荷的大小也會得到削減，環節配電網的調峰壓力。

當光伏滲透率增加之后，且高于20%，低于45%，整個系統的日間凈負荷也會大幅度降低，其曲線也會出現一個谷值，有時還會在此處出現負值情況，導致配網中功率倒送現象明顯。另外，在饋電線路運行過程中，一旦出現逆向潮流，便會使整個負載率和網損提升，所對應的指標也會越來越小，這不僅提升了配電線路的載流壓力，還容易讓配電網安全保護裝置出現失靈。

當滲透率達到極高的位置時，即超過45%，ILoss、ILoading便會出現負值。在此過程中，分布式光伏并網電壓也會相應的提升，而且部分節點也會超過上限。由于配電線路中的逆向電流提升很多，和額定電流的距離越來越遠，發熱量持續上升。當經過導流體的過載電流超出過載限制時，絕緣體出現燃燒現象，最終導致用戶的大面積停電。因此，為了使整個光伏并網的配電更加安全和穩定，人們需要做好滲透率等級的劃分，將臨界值設置為20%，上限為45%，通過計算之后，整個光伏并網的電量將會處于750到1670kW范圍內。

2 儲能用于提升光伏滲透率極限的效果研究

2.1 儲能系統的特性

光伏發電的典型特點便是夜間無出力，白天有出力，午間的出力水平最高。由于儲能系統具備雙向功率特性和靈活的調節能力，電能的時空轉移效果將會體現的更加明顯。為此，人們可以在配電網中裝配儲能設備，并將PVDG的午間高出力轉移，將尖峰時刻消減，并彌補其他時刻的不足，最終實現滲透率極限的有效提升。除此之外，在高滲透分布式光伏并網中，系統具體的凈負荷率如圖3所示。

圖3 儲能并網后系統凈負荷功率曲線

從圖中可以看出，整個負荷高峰時段集中在9點到13點，以及19點到22點，低谷階段集中在1點到8點。在儲能系統沒有引入到該項研究之前，光伏組件在白天吸收了充足的陽光，可以將配電網的供電壓力緩解，這在一定程度上可以將峰值效果削弱。但如果光伏場景下的滲透率較高，PVDG所提供的電能也會超過負荷需求，本地消化能力也會下降，站在以往配電網基礎設施角度來說，無法對該種電力輸送要求進行滿足。

2.2 儲能系統的具體作用

當儲能系統加入到配電網中后，由于電力配送通道受限，人們可以將午間階段的剩余電能集中在儲能系統內，并在夜間負荷高峰時段返送到電網中，在消減光伏尖峰的同時，降低高滲透率對配電網的有效沖擊，還能進一步提升配電網的備用容量。當光伏輸出功率波動下，還可以通過儲能系統控制，將快速吞吐功率控制在合理范圍內，讓整個負荷功率波動得到抑制，在提升供電質量的同時，維護電網擴建升級過程中的各項需求，最終提升配電設備的使用效率[3]。

2.3 儲能對光伏能量滲透率的具體影響

為了方便研究，可以將最小的允許負荷保持在0.1p.u.，再儲能安裝能量的確定上，可以用系統平均負荷最大放電時間進行充分表示，具體的放電時間可以集中在1到2h范圍內。從上述研究中可以看出，負荷轉移和儲能可以提升系統光伏能量的滲透率和光伏利用率，但如果在負荷轉移的影響下，儲能技術的作用不能明顯的發揮出來。假設，在日負荷轉移上，其最大轉移量受到限制，此時的實際效果還會受到負荷預測等因素影響。儲能技術的應用范圍較廣，在光伏滲透率提升效果上也更加明顯，控制策略的應用也十分簡單，這也是未來我國智能電網與分布式光伏電源銜接的一種主要措施之一。但如果儲能規模較大，相應的影響因素也會提升，如設備成本、使用壽命等等，還需要對其實際應用做深入分析。

3 總結

如果整個光伏滲透率顯得足夠高時，低壓配電網也會從受端轉移到源端之中，從而實現潮流逆向傳輸，并完成向上級電網的倒送功率。在此項研究之中，人們將現有的基礎理論完全顛覆，而且對相應的設施保護工作提出了巨大挑戰。為了維持整個系統的安全運行，能量存儲設施的設置顯得尤為重要。