滿足電壓質量條件下分布式光伏電源接入中壓配電網的研究

黃煒，嚴永文，李輝，陳皓東，丁若陽

（云南電網有限責任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000）

0 前言

當前，傳統能源的不斷消耗和對環境的破壞已無法滿足世界發展需求，世界各國紛紛開始對新能源進行研究[1-2]。而大多數新能源中太陽能光伏發電由于其靈活經濟，成為國內外專家學者的關注重點。為了更好地打贏脫貧攻堅戰，滿足人民日益對美好生活向往的電力需求，大量的光伏扶貧工程被接入配電網。大量無規律無約束的分布式電源接入配電網則會對電壓質量造成比較嚴重的影響[3-5]。因此，在配電網規劃階段就有必要對分布式光伏電源接入的容量和位置進行合理約束和優化。

目前應對大量分布式光伏接入配電網的大多數做法是先接入然后通過協調控制的方法來提高接入容量，但是過程相對比較復雜，通信要求較高，且建設成本和后期維護費用較高。實際上，在分布式光伏電源接入前根據10 kV線路上的負荷分布情況對分布式光伏電源的位置進行提前規劃，即使不對接入的分布式光伏電源進行協調控制，也能通過合理的規劃與10 kV線的負荷進行匹配得到較高的接入容量。

為了得到滿足電壓質量條件下，負荷和分布式光伏電源在沿10 kV線路不同分布的情況下，分布式光伏電源接入的容量范圍。本文根據10 kV線路上負荷分布情況與分布式光伏電源接入的容量和位置進行匹配，得到36種典型匹配場景下滿足電壓質量條件下的分布式光伏電源的可接入容量區域，為分布式光伏電源規劃接入中壓配電網階段提供參考依據。

1 理論分析

1.1 含分布式光伏饋線建模

對于正常運行的10 kV線路而言，無論何種接線形式都可等效為一個單電源輻射狀接線。由于配電網10 kV主干線長度較短、電壓等級較低，在對10 kV線路進行分析過程中，可以略去線路之間的互感和對地分布電容，而只線路本身的自阻抗。在整個分析過程中對于負荷采用恒功率靜態模型并假設三相負荷平衡，10 kV母線以上系統等效為無限大功率系統。10 kV母線電壓近似為額定電壓UN。綜合上述的等效分析，建立分布式光伏電源接入10 kV配電網的拓撲模型，如下圖1所示。

圖1 分布式光伏接入配電網數學模型

對于等效的10 kV線路模型，沿線共設n個節點，并且在每個節點上都等效的裝接負荷和分布式光伏電源，如果該節點未有負荷或分布光伏電源接入時，可將相應節點容量等效為零。為了便于分析計算對圖1中參數進行定義，如表1所示。

表1 相關參數定義

續表：

根據上述定義，有：

1.2 電壓質量分析

分布式光伏電源接入10 kV配電網對電壓質量方面的影響主要是電壓偏差、電壓波動和諧波畸變三個指標，而此三個指標中電壓偏差和電壓波動又突出的對10 kV配電網影響較大，因此應重點對分布式光伏電源接入引起的電壓偏差和電壓波動進行研究分析。

1.2.1 電壓偏差分析

根據圖1所建立模型可知，分布式電源未接入時，節點k的電壓偏差可表示為：

分布式光伏電源接入電網后，對10 kV線路上電壓具有一定的抬升作用，因此可以得到k節點的電壓偏差ΔUk%為：

整理后可得：

將10 kV線路的導線型號近似的認為始終一致，r0+jx0為10 kV線路每公里的等值阻抗，則10 kV線路的抗阻比Kz為：

將10 kV母線以上電源側的系統阻抗忽略后，距離母線lk處第k個節點的短路容量Slk近似為：

1.2.2 電壓波動分析

由于光照的不確定性和隨機性，分布式光伏電源通常最大輸出功率受外界因素的影響較為明顯，在產生電壓偏差的同時，還會引起比較明顯的電壓波動。假設分布式光伏電源波動功率占其額定輸出功率的比例為λ，近似的認為同一10 kV線路上的分布式光伏的功率同時波動，則距10 kV母線距離為lk處，單純由分布式光伏電源引起10 kV線路上第k個節點的電壓波動dpv.k%為：

將式（6）代入式（14）中可得：

1.2.2 電壓偏差和電壓波動綜合分析

為了在分析過程能夠更加系統并不失一般性的分析10 kV線路的負荷分布情況和分布式光伏在10 kV線路接入的各種分布情況下的電壓偏差和電壓波動，設沿10 kV線路長度x的負荷有功功率的分布函數為pL(x)，分布式光伏有功功率沿10 kV線路長度x的分布函數為pPV(x)，10 kV線路主干線總長度為L。

由（12）可知，沿10 kV線路負荷和分布式光伏電源任意分布下，10 kV線路上距母線距離為lk處的電壓偏差為：

將式（12）和（13）代入（16）有：

又由（15）可知，沿10 kV線路負荷和分布式光伏電源各種分布條件下，10 kV線路上距母線距離為lk處的電壓波動為：

將（12）和（13）代入（18）有：

1.3 分布式光伏電源接入容量區域

在匹配現有10 kV線路負荷分布的情況下，滿足用戶電壓質量條件下，分布式光伏電源接入10 kV線路不同位置的允許接入容量必須同時滿足以下3個條件：

1）分布式光伏電源正常運行時，整條10 kV線路上的電壓偏差不越額定電壓的上限；

2）分布式光伏電源退出運行時，整條10 kV線路上的電壓偏差不越額定電壓的下限；

3）整條10 kV線路上單純由分布式光伏電源波動引起的電壓波動滿足國家標準要求。

本節綜合上述3個條件從配電網規劃角度出發，對分布式電源接入10 kV不同位置下允許接入的分布式光伏電源的容量區域范圍進行分析。其中ΔUPV.S%表示電壓偏差國家標準值，ΔdPV.S%表示電壓波動國家標準值。

在整個分析過程，按照最大分析法，對電壓偏差和電壓波動最嚴重的位置進行分析，只要在該位置保證電壓偏差和電壓波動不越限，則能保證整條10 kV線路上的電壓偏差和電壓波動都不會越限，通過規劃根據10 kV線路上負荷分布情況結合分布式光伏電源接入的容量和位置，則都能夠滿足電壓質量要求。

為了更進一步研究分析分布式光伏電源接入10 kV線路后，電壓偏差最嚴重的位置，對式（17）在0＜lk＜L上進行不等式處理。

其中令：

[tan(arccosφ2)]由式（13）可以得到第k個節點的短路容量Slk與距母線的距離lk成反比，由此Slk＞SL，則有式（20）不等式關系：

當分布式光伏電源投入運行時，電壓被抬高，則此時電壓偏差在距離10 kV母線lkmax1處最大，電壓偏差應保證其上限不越限，必須滿足：

對式（21）進行整理分析，得到分布式光伏電源投入運行后電壓偏差不越上限，滿足條件1）的約束條件：

當分布式電源退出運行后，10 kV線路上距離10 kV母線lk處的電壓偏差為：

設分布式光伏退出運行后，由沿10 kV線路分布的現有負荷引起的電壓下偏差在距離母線lkmax2處最大，其電壓偏差下限必須滿足條件2）的約束條件：

設分布式光伏電源投入運行后，單純由分布式光伏電源產生的電壓波動在距離10 kV母線lkmax3處最大，其電壓波動必須滿足條件3）約束條件：

綜合分析，對于10 kV線路負荷和分布式光伏電源沿10 kV線路任意分布的情況下，分布式光伏接入10 kV線路的容量必須同時滿足1.3小節中的3個約束條件，于是得到式（22）、（24）和（25）共同圍成圖2中的陰影部分區域。

圖2 分布式光伏電源允許接入的容量范圍

2 典型場景分析

2.1 典型分布函數

由于線路上的負荷和分布式光伏接入10 kV線路的情況存在多樣性，為了便于分析并不失一般性結合實際中壓配電網運行情況，負荷和分布式光伏電源沿10 kV線路分布按照6種典型分布規律進行研究，包括：末端集中、遞增分布、均勻分布、遞減分布、中間大兩頭小分布和中間小兩頭大分布[18]。

2.2 6種典型分布下約束條件

分別將表2中的6種典型分布函數代入到式（22）和（24）中，得到6種典型分布情況下滿足電壓偏差值不越限的約束條件。采用最大分析法，只要保證10 kV線路上距離10 kV母線引起的最大的電壓偏差和電壓波動不越限，則可保證整條10 kV線路上的電壓偏差和電壓波動在分布式光伏電源接入后都不會越限，故在具體分析過程中按照引起電壓偏差或電壓波動最嚴重的位置進行計算分析。按照負荷和分布式光伏電源沿10 kV線路分布的6種典型分布，可得到共計36種典型組合。限于篇幅本節分析過程中只取1種典型組合給出具體研究方法，其他35種典型組合可按照此研究方法進行研究分析，在此不再贅述。

表2 典型分布規律的分布函數

B組合：負荷沿10 kV線路遞減分布,分布式光伏容量沿10 kV線路遞增分布。

則得到B組合下距離10 kV母線lk處的電壓偏差為：

即：

則分布式光伏電源按B組合接入的約束條件為：

綜合上分析，按B組合規劃建設滿足電壓偏差值不越上限的約束條件為：

當分布式光伏電源退出電網運行后，電壓就被拉低將引起低電壓，由式（23）可知，按照B組合進行規劃建設下的電壓偏差為：

同理對式（31）進行引起電壓偏差越下限最嚴重的位置進行分析，則由式（24）則可知，按照B組合進行負荷和分布式光伏電源規劃建設都能滿足電壓偏差不越上限要求，因此得到10 kV線路末端的電壓偏差上限的約束：

2.3 6種典型分布下滿足電壓偏差不越限的約束條件分析

結合分布式光伏電源沿10 kV線路的6種典型接入情況，得到滿足電壓波動不越限的約束條件。將表2中的分布函數分別代入式(16)中，得到不同典型分布下距離10 kV母線lk處的電壓波動，如表3所示。

表3 6種典型分布下單純由分布式光伏引起的電壓波動

對表3中10 kV線路上引起電壓波動最嚴重的位置進行分析，得到6種沿10 kV線路典型分布下由分布式光伏電源單純引起的電壓波動均在末端L處最嚴重。則得到分布式光伏電源電壓波動不越限值的約束條件，如表4所示。

表4 電壓波動下的約束條件

3 實例分析

綜合上述分析，得到按照B組合進行規劃建設（即，負荷沿10 kV線路遞減分布，分布光伏電源沿10 kV線路遞減分布）滿足電壓質量要求下的允許接入容量區域如下圖3所示，其他35種組合允許入容量區域均可通過上述研究方法類似的得到。

圖3 組合A分布式光伏可接入容量區域

根據實際工程建設情況，分析計算10 kV典型參數下按照B組合進行規劃建設的分布式光伏電源可接入的具體容量區域。對于大多數10 kV線路的用戶低壓側都裝設有無功自動補償裝置，則在計算過程中負荷的功率因數取0.95，配變無功損耗的幅值占配變額定容量的比率取均值2.5%。分布式光伏電源屬于逆變器型并網，其并網功率因數在-0.95到0.95之間，近似的忽略無功功率對10 kV線路的影響，假設分布式光伏電源的發出有功功率且不參與10 kV線路電壓調節。根據分布式光電源實際運行的數據分析，分布式光伏電源輸出功率的變化幅度一般不會超過其輸出最大功率的一半[6]，即λ=2。電壓偏差值和電壓波動值分別取國家電能質量標準限值，即ΔUPV.S取下偏差-0.07和上偏差+0.07，ΔdPV.S取0.03[7-8]。

按照規劃技術指導原則城鎮配電網的供電半徑按L=6km考慮，鄉鎮配電網的供電半徑按L=15km考慮。

基于上述數據，分別得到：

YJV-120（r=0.1530 Ω/km,x=0.08 Ω/km）在配變容量比β=75%時；

LJG-120（r=0.1962 Ω/km,x=0.35 Ω/km）在配變容量比β=75%時；

YJLV-120（r=0.2530 Ω/km,x=0.08 Ω/km）在配變容量比β=75%時城鎮配電網和鄉鎮配電網的分布式光伏可接入容量區域如圖4～圖7所示。

圖7 B組合下YJLV-120配變容量比為75%時城鎮配電網的允許接入容量區域

根據圖4～7可以得出不同線型和不同供電半徑在B組合下分布式光伏電源的可接入容量區域。對于不同的分布情況，根據實際需求按照對應組合下的陰影區域進行規劃建設，則接入的分布式光伏電源容量則能滿足電壓質量要求。當接入的分布式光伏電源容量超過對應的組合下的接入容量范圍時，可以調整規劃思路按照滿足要求的接入容量區域范圍進行規劃建設，保證分布式光伏容量與10 kV線路上的負荷進行優化匹配滿足分布式光伏電源接入要求。

圖4 B組合下YJV-120配變容量比為75%時城鎮配電網的允許接入容量區域

圖5 B組合下YJV-120配變容量比為75%時鄉鎮配電網的允許接入容量區域

圖6 B組合下LGJ-120配變容量比為75%時城鎮配電網的允許接入容量區域

4 結束語

通過研究分析可以得到只要保證分布式光伏電源投入和退出引起的最大電壓偏差和單純有分布式電源運行過程中引起的最大電壓波動在10 kV線路上最嚴重的位置滿足國家相關標準要求，則可保證10 kV整條線路都能滿足電壓質量要求；

通過對于負荷與分布式光伏電源沿10 kV線路不同典型分布進行計算，得到滿足電壓質量條件下的分布式光電源允許接入的容量區域范圍和接入位置。為后期分布式光伏電源接入10 kV線路規劃建設提供科學指導依據；

本文所采用的研究方法不僅對分布式光伏電源有效，而且對其他類型逆變器并網型分布式電源都適用，在分析過程中選取了1種典型組合分布進行了具體研究分析，其他典型組合分布下所允許接入的分布式光伏電源的容量范圍都可以通過此研究方法得到。