分布式發電接入村鎮配電網絡的影響模擬分析

高寒，漆望，張晶

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，昆明650051）

0 前言

在現代配電網中，分布式可再生能源接入特別是分布式光伏的發展速度非常快。新能源分布式發電在配電網中的集成帶來了一系列的優勢，包括配電網運行的環境效益和技術優勢。當電網出現電力供應不足時，大量可再生能源綠色發電可以減少電力短缺造成的損失[1]。因此，這可能會減少對集中發電和對高壓輸電線路建設的需求，以及傳輸和配電成本[2]。當可再生能源廣泛應用于配電網時，不可避免地會給配電網帶來各種干擾，從而導致系統電能質量問題。它包括電壓波動、電壓閃變和諧波三個方面[3]。在這個研究項目中，我們的研究小組將通過建模仿真的方法，研究分布式可再生能源發電與典型的村鎮電網的連接對電壓、潮流和帶有有載調壓變壓器等電網設備運行的影響。并將在本文中給出仿真、建模和結果分析的過程。

1 模擬方法及建模

仿真對象為帶有有載調壓變壓器和自動電壓控制(AVC) 設備的4節點系統，線路示意圖如圖1所示：

圖1帶載調壓變壓器的四節點系統示意圖

本部分基于SIMULINK 中的Simscape PowerSystems?模塊建立仿真模型，仿真對象的相應模型圖如圖2所示。導入24小時時長的村鎮變負荷曲線到SIMULINK 庫中的動態負荷塊中，并且連接到節點4上，以實現變負荷的仿真模擬，如圖3所示。此負載具有固定的功率因素以及凌晨低谷，傍晚高峰的特性，其是建立在典型的村鎮負荷數據的基礎上的。

圖2四節點系統的仿真模型

圖3村鎮24小時負載曲線

模擬是在Simscape的相量模式下進行的，該模式允許對24小時場景進行快速模擬。在本例中，利用Powergui中的系統潮流塊可以有效地計算初始潮流。在仿真的第一部分，將變壓器的有載調壓功能設置為禁用。輸出的有功功率和無功功率，以及節點4處的電壓都將通過節點4上的視口記錄下來，以便進一步分析。根據24小時內記錄的電壓變化，結果分析部分將討論在規定電壓限制條件下對需求和發電的影響。第二部分將打開變壓器的有載調壓功能，仿真過程中分接開關位置的改變也將被記錄下來，討論其對整個系統電壓穩定起到的作用。在第三部分，用一個峰值功率等于4 MW、以單位功率因子運行的分布式光伏發電單元來取代普通的分布式發電單元，具體模型如圖6 所示。

本模擬采用BP-SX10光伏模型，數據表（基準溫度輻射條件）如表1。

表1光伏陣列單元數據表（基準溫度輻射條件）

現在，可以在每個輻照度和溫度條件下確定電壓和電流之間的關系，并計算出相應的開路電壓和短路電流。于是可以利用下式計算最大輸出功率：

光伏模塊仿真輸出功率如下圖4可見：

圖4 MATLAB輸出的光伏模塊功率曲線

所以，一個光伏陣列單元的峰值功率可以計算出為大約14.5 W。因為光伏電站的峰值功率為4 MW，那么MATLAB函數的光伏陣列單元輸出值將通過一個增益模塊連接到光伏模型，這意味著將2.8萬個太陽能電池陣列單元連接在一起，以滿足最大的功率需求。

2 模擬結果及分析

2.1 無有載調壓功能的系統模擬

在第一部分的模擬中，首先關閉了有載調壓功能，得到了系統的初始潮流如下表2：

表2系統的初始潮流(基準溫度輻射條件)

通過對系統的初始狀態分析，可以看出分布式發電模塊向大電網（平衡節點）輸出了0.36 MW 的有功功率，同時也供給了負荷有功功率2.6 MW，無功功率1.95 Mvar。然而，分布式發電模塊的無功輸出并不能滿足負荷的要求。因此，電網將供給1 Mvar 無功功率以滿足負載。此外，線路和變壓器造成了0.04 MW和0.04 Mvar 損耗。應用該模型并運行仿真后，可以在24小時范圍內觀察到節點4輸出的有功功率和無功功率，如圖5所示。

與負荷曲線相對比，節點4全天輸出有功功率的時段為凌晨0時至下午16時，輸出無功功率為凌晨4時至5時。這是由于相應的負荷需求全部由分布式發電單元完全提供，并通過徑向饋線和變壓器向電網輸出了過量的功率。在當天余下的時間內，村鎮負載處于高需求期間，分布式發電不能完全滿足需求。因此，負荷不得不從電網購得額外的功率作為需求的補充。節點4的電壓如圖6所示。此外，如果對節點4的電壓要求全天保持在標稱值的±6%以內，則電壓超過限值的周期可以在圖6中表示。

圖5節點4輸出的有功及無功功率

圖6節點4的電壓及超限情況

經觀察，節點4在凌晨4時至6時的低負荷時段中，電壓超過上限。在下午16時至17時30分的高負荷時段，電壓超過下限。最高峰值為1.121 pu.(標幺值)，高于上限6.1%。與此同時，最低值接近0.933 pu.(標幺值)，比下限低0.67%。在需求側，低負荷條件下產生的過電壓會對家用電器造成危害。首先是對家用電器絕緣子的應力增加，可能會降低絕緣子的使用壽命，甚至造成永久性的損害[4]。特別是一些敏感的電子設備在低負荷條件下可能會被過壓損壞，質量較差的設備可能會發生故障，導致短路或火災事故。此外，過電壓會加速電機磁芯的飽和速度，引起過流和過熱問題[5]。

對于高負荷時段的欠電壓對需求側的影響，一是會降低家用電器的效率，同時也會對空調、冰箱等含有電機的設備造成損壞。例如，空調的溫度控制功能是通過啟動和停止壓縮機的內部電機來實現的[6]。欠壓會降低電機的起動力矩，使電機難以起動。此外，工作電機在欠壓狀態下定子電流較大，可能導致電機過熱甚至燒毀。在發電側，由于電壓升高，過電壓會引起發電機轉子表面和勵磁繞組過熱。同時，發電機鐵芯及定子元件可能會過熱。此外，定子的隔離層也有被擊穿的危險。在變壓器中，過電壓會導致更高的磁通和更高的鐵芯損耗，從而降低變壓器的效率[7]。欠壓時，由于定子過電流引起的過熱，也會降低發電機的穩定性和輸出功率。

2.2 開啟有載調壓功能的系統模擬

在第二部分，有載調壓功能應設為啟用并設置為控制節點4的電壓，使其全天保持在標稱值的±6%以內。除了有載調壓變壓器設置的變化外，其他所有參數都保持不變。并且生成變壓器分接開關的位置。在應用該模型并運行仿真之前，需要對三相有載調壓變壓器塊中的一些參數進行復位。首先,電壓調節器功能應打開，因為節點4的電壓需要保持或非常接近1.0，因此死區（基準值）應該設置為0.01。應用該模型并進行仿真后，如圖7所示。

圖7開啟有載調壓功能后節點4的電壓

由于有載調壓變壓器能夠將電壓控制在1.0 pu 左右或非常接近1.0 pu，因此從圖8中可以看出，在24 h 內，每當電壓在1.0 pu 左右波動時，有載調壓變壓器都會在有限的范圍內調節電壓。有載調壓的原理是將變壓器一次繞組的端子按一定的匝數分開，將電源連接到不同的分接頭上。當二次繞組匝數固定時，一次繞組的實際匝數是不同的。這樣，不同數量的高壓繞組匝數和恒定的低壓繞組匝數構成了不同的比例，根據變壓器的原理，低壓繞組由于與高壓繞組連接的分接頭不同，會轉化為不同的電壓。一次繞組輸入電壓與二次繞組輸出電壓之比，等于它們的匝數比。該原理應用于節點4的電壓控制。一天內的分接開關位置如圖12 所示。通過與圖對比，當電壓升高時，變壓器分接開關跳到了更高的位置，匝數比增大，二次側的電壓減小，所以將過電壓控制到一個正常水平。同理，反之亦然。

圖8有載調壓變壓器分接開關的位置

2.3 分布式光伏發電單元載調壓功能系統模擬

在第三部分，將所設計的分布式光伏陣列單元替代前兩部分的分布式發電單元。如前文圖4的功率曲線所示，由于凌晨幾乎沒有太陽輻照，光伏單元基本沒有發電。這意味著此時村鎮負載需要完全由大電網供給，較大的無功需求也造成了相鄰節點的壓降。從圖10可知，在凌晨3時至6時中的一個負荷低峰值，較低的光伏發電量也足夠滿足負荷的有功需求，甚至短時間向電網輸送了有功功率。在早8時至下午14時，光照輻射較大的時段，光伏單元除了滿足了負荷之外，將近有兩個小時向電網輸送富余電量。在別的時間段，特別是傍晚的用電高峰期，光伏發電量滿足不了村鎮負荷的用電需求，村鎮需要大量向電網購電以滿足需要。由圖11所示，由于分布式光伏單元是運行在單位功率因素下，無法提供無功功率，所以需要大量的從電網吸收無功功率，這會給各節點造成很大的壓降。在這種情況下，在原有的設置中，有載調壓變壓器很難把節點4的電壓全天維持至1.0 pu.的電壓，甚至在一段時間內，分接開關的位置可能會達到極限。因此，將有載調壓變壓器的匝數比設置為1:1.1，且減少了分接開關選擇的時間。如圖8所示，節點4電壓水平標幺值在1.02 pu.到0.98 pu.之間波動，滿足了電壓穩定性的需要。

圖9加入分布式光伏單元后節點4的電壓變化情況

圖10計及分布式光伏單元后變壓器分接開關變化情況

圖11計及分布式光伏單元后節點4有功功率變化情況

圖12計及分布式光伏單元后節點4無功功率變化情況

由圖9及上一部分的圖8所示的對應情況的有載調壓變壓器分接開關的變化曲線可以觀察出，其改變位置的曲線與此節點輸出的有功功率曲線的形狀是大體類似的。這是因為有功功率對一個節點的注入增加會提高電壓等級，從而分接開關跳到更高的位置，匝數比增大以控制電壓。所以分接開關的升降與節點的功率大小是正相關的。

3 結束語

本文分別在變壓器的有載調壓功能被禁用和啟用的情況下，對一個村鎮變負載配電系統進行了仿真，結果表明，有載調壓功能可以將電壓水平限制在特定條件下。最后，用分布式光伏發電單元接入配電網進行了仿真。研究了分布式光伏的間歇性特點導致的實際供電和需求的差異，將導致所在網絡節點電壓的顯著波動，這就給系統帶來了風險，需要有載調壓才能保證系統的安全運行。本文中所調試出的SIMULINK 模型成功模擬了所需要觀測的數據，具有較高的參考性和擴展性。通過后續研究加入更多的節點，導入更多的真實電網數據，及更多的發電類型如分布式風電，小生物質發電等和SVG 無功補償等功能單元，這個模型將可以在科研教學和工程應用驗證方面，提供出更多有價值的研究結果。