地區電網分布式光伏接納能力校驗

張逸婕，周晨曦，祁 明，馬駿毅

(國網江蘇省電力有限公司鎮江供電分公司，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

2016年，江蘇揚中獲批高比例新能源示范城市，大力發展以光伏為主的分布式綠色能源發電。規劃到2020年，分布式光伏發電的總裝機容量將達到400?MW，滲透率達100?%。高比例分布式電源接入將分布于用戶側的220?V～10?kV低電壓等級，分散區域廣、單個電源容量小等特點將造成末端電壓大幅波動、電網諧波等問題，給電網安全穩定運行、經濟調度、電網規劃帶來巨大挑戰。為了構建安全可靠、智能互動的現代配電網，亟需開展地區電網高比例分布式光伏接納能力研究。

以下提出一種新型的分布式光伏接納能力校驗策略，以揚中電網110?kV某分區為算例，分別從供電安全水平、負載能力等方面展開校驗，在高負荷強日照、高負荷弱日照、低負荷強日照和低負荷弱日照4種運行場景下計算電壓偏差和電壓波動，提出相應的治理措施，多角度驗證分布式光伏接納能力校驗策略的正確性。

1 光伏發電功率輸出特性

光伏電站受天氣和季節影響具有很強的不確定性，電站功率輸出呈現較為明顯的波動性、隨機性和間歇性特點，出力范圍主要集中在20?%～80?%的裝機容量。

因電力用戶的作息和生產生活習慣的不同，電力需求呈現明顯的峰谷差。電源和負荷均呈現波動性，電網運行方式多變，但總是在高負荷強光照、高負荷弱光照、低負荷強光照和低負荷弱光照4種極端運行場景范圍內變化。分析分布式光伏接納能力時，只需要研究上述4種特殊情況，按光伏電站強光照時輸出100?%額定功率、弱光照時輸出20?%額定功率進行校驗計算。

2 電網接納能力校驗原則

在電網接納新能源能力方面，主要考慮供電安全水平、負載能力、短路電流、電能質量等因素。文中主要就以下方面進行研究。

(1)?利用N-1分析對光伏電站的上級變壓器及線路進行校驗，檢查系統中是否有電流過載、越限情況，分析光伏接入系統后電網安全水平的影響程度。

(2)?計算電網在高負荷弱光照、高負荷強光照、低負荷強光照、低負荷弱光照等4種典型特征情境下光伏電站上級變壓器與線路的負載情況，研究局部電網對光伏接入的承載能力。

(3)?計算分布式光伏接入系統后造成的重要節點或母線電壓偏差，研究光伏電力并入系統后可能出現的電壓問題。

2.1 光伏電力接入系統供電安全水平校驗

2.1.1 變壓器N-1 校驗

主變負載率即變壓器的最高負荷(一般近似為最高負荷的有功功率)與額定容量的比值。主變負載率通常能夠反映變壓器的運行狀態，以從側面反映其經濟運行水平，評估系統運行的安全穩定性。其計算公式為：

式中，ηT為主變的負載率；SN為變壓器的額定容量；pmax為變壓器的最高負荷功率。

2.1.2 變壓器出線N-1校驗

線路負載率即線路的最高負荷電流與額定載流量之比。線路負載率計算公式為：

式中，ηL為線路的負載率；IN為線路的額定載流量；lmax為線路的最高負荷電流。

2.2 光伏發電接入配電網負載率校驗

在光伏發電的功率輸出中，通常可以忽略無功功率的影響，僅用有功功率參加負載率的計算。

式中，β為變壓器或線路的負載率；pL為變壓器或線路的負荷；pPV為光伏接入后的有功出力；Pn為主變或線路的額定容量。

如圖1所示，變壓器和輸電線路負載率的大小隨著光伏發電功率輸出的增加表現為分段線性變化，斜率為PN的倒數。設定某時刻的負荷為PL，光伏發電輸出功率PPV小于負荷PL時，光伏發電功率輸出的增加有助于降低負載率；當光伏功率輸出等于負荷PL時，負載率減小為0?(B點);當光伏發電輸出功率大于負荷PL且小于2倍的PL時，隨著光伏發電功率輸出的增加負載率增大；當光伏發電功率大于2PL時，負載率將超過光伏未并網時的負載率。根據負載率特性，光伏發電宜采用分布式布局和就地負荷消納，有助于降低變壓器和輸電線路的負載率，同時降低光伏發電功率輸出對電網硬件的要求，節省電網投資。

圖1 光伏功率輸出對負載率的影響

3 算例分析

3.1 仿真計算

選取揚中電網某110?kV變電站為算例，在潮流仿真平臺搭建實際網架模型，結合2020年預測數據進行仿真計算，參數如下：2臺主變均為三繞組變壓器，其中:1號主變壓器容量為31.5?MVA，2號主變壓器容量為40?MVA，2臺主變變比均為 (110±8×1.25?%)/(37±2×2.5?%)/10.5;1 號主變壓器高、中、低壓側間的阻抗電壓分別為10.55?%，7.2?%，17.49?%，2 號主變壓器高、中、低壓側間的阻抗電壓分別為 10.35?%，6.51?%，18.7?%;1號、2號主變所接110?kV線路分別為出線一、出線二。計劃在1號主變壓器10?kV母線接入光伏發電22.8?MW，2號主變壓器10?kV母線接入光伏發電1?MW。該110?kV變電站的短路容量為 1?239.2?MVA。

3.2 仿真分析

3.2.1 主變及出線N-1校驗

根據變壓器N-1校驗結果和出線N-1校驗結果分析發現光伏接入系統供電安全水平校驗存在下列規律。

(1)?如果主變和變壓器出線的核載容量大，現有負載率較低，那么當光伏電力接入后，主變和變壓器出線將依然能夠滿足N-1校驗準則，系統中不會出現電壓越限和過電流等現象。

(2)?在高負荷弱光照的情況下，主變和變壓器出線的負載率最高，與光伏是否并網無關，較大的系統負荷將從電網中吸收大量的有功功率，且光伏發電出力較小，不能滿足本地高負荷的功率需求。

(3)?在低負荷強光照的情況下，當光伏發電功率輸出大于本地負荷功率時，在光伏并網前主變和變壓器出線的負載率較低，在光伏并網后主變和變壓器出線的負載率升高，主變和變壓器出線出現功率倒送現象。

3.2.2 配電線路負載率校驗

對該110?kV變電區域光伏發電輸配電網在高負荷、低負荷運行模式下的負載率校驗、分析和對比，總結得到以下3點結論。

(1)?該區域內負載率較低，對分布式光伏電功率的并網接入能力較強，不會出現過負荷和功率越限的情況。

(2)?在負荷較高的區域，適宜建立較大規模的分布式光伏電站，光伏功率的并網能夠明顯降低該區域的負載率，且有較高的社會和經濟效益。

(3)?在負荷較低的區域，不宜建立較大規模的分布式光伏電站，光伏功率的并網可能會導致該區域的輸變電設備的負載率增加，會增加電網運行成本，威脅輸配電網安全穩定運行。

3.2.3 電壓幅值偏差校驗

光伏電力并網后，對原輸變電設備的電能質量有一定影響。分別對該110?kV變電站在高負荷及低負荷運行模式下，光伏并網前后的10?kV各母線電壓按照光伏并網前、強光照光伏并網后、弱光照光伏并網后3種情況予以同時采樣，得到的各母線位置的電能質量偏差的校驗情況如表1，2所示。

表1 高負荷運行模式下母線電壓偏差校驗情況 p.u.

表2 低負荷運行模式下母線電壓偏差校驗情況 p.u.

經分析，對比表1，2中各種情況下的母線電壓偏差，總結以下4點規律。

(1)?光伏電力并網前，高、低負荷模式下各母線位置電壓與該處額定電壓的偏差均在±7?%以內；并網后，弱光照下的各母線電壓均在正常電壓范圍內，強光照下的各母線電壓大部分在正常電壓范圍內，小部分大容量光伏并網處電壓升高明顯，出現電壓越限。

(2)?光伏電力并網后，并網處負荷可由光伏電力提供，減少了輸變電設備對該負荷的供電，根據輸電線路電壓降落公式(4)，可知輸電線路末端的并網處電壓升高。

式中，ΔU為輸電線路電壓降落的橫分量；U為末端電壓；P，Q分別為末端的有功、無功功率；R，X分別為線路的電阻和電抗。

(3)?強光照下的大容量光伏電力并網，其不僅就地供負荷消納，還會出現較強的有功功率倒送的現象，進一步抬高了并網處的電壓，當足夠大的有功和無功功率倒送，使小部分表1，2中的母線電壓越限，超出正常電壓范圍。

(4)?高負荷運行模式下各母線節點的電壓變化較大，高負荷輸電線路的末端電壓較低，在額定值以下。光伏發電并網提高了高負荷輸電線路的末端電壓，特別是強光照下末端電壓明顯提高。低負荷運行模式下各母線節點的電壓變化較小，低負荷輸電線路的末端電壓維持在額定電壓的較高水平，強光照和弱光照下的光伏發電并網均提高了低負荷輸電線路的末端電壓。

4 結束語

以揚中電網110?kV某分區為算例，提出一種新型的分布式光伏接納能力校驗策略，該校驗策略分別從供電安全水平、負載能力、電能質量因素等方面展開驗證。

文中提出電網接納能力的校驗原則，從變壓器N-1校驗、線路N-1校驗兩個方面進行分布式光伏供電安全水平校驗，從高負荷、低負荷兩種運行方式分別進行負載率及電壓偏差校驗。該分析策略具有較強的適用性，可為后續制定分布式光伏接入電網規劃方案及電能質量治理提供依據。