分布式光伏接入與農(nóng)村配電網(wǎng)低電壓、重過載治理融合方法探索

阮永麗，程軍照，余永琨

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明 650011； 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司規(guī)劃建設(shè)研究中心（改革發(fā)展研究中心），云南 昆明 650011； 3.昆明晉寧供電局，云南 昆明 650605）

0 前言

從2020年9月，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上向國際社會作出“碳達(dá)峰、碳中和”的鄭重承諾以來，風(fēng)光等新能源項目全面啟動建設(shè)，整縣屋頂光伏試點(diǎn)項目是深入推進(jìn)能源安全新戰(zhàn)略，持續(xù)深化能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系中的重要一環(huán)。而整縣光伏項目占比20%的鄉(xiāng)村現(xiàn)有居民住宅、新農(nóng)村集中搬遷住房、村集體物業(yè)設(shè)施屋頂光伏，一方面單體可建設(shè)面積少，光伏項目容量小，但數(shù)量眾多，另一方面，承擔(dān)以上設(shè)施供電的基本都是農(nóng)村公用配電變壓器，此類屋頂分布式光伏項目自發(fā)自用后，余電如何上網(wǎng)消納，是規(guī)劃人員面臨的一大問題。

與此同時，隨著我國鄉(xiāng)村振興的全面推進(jìn)，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)活躍、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展強(qiáng)勁，電網(wǎng)滿足了廣大農(nóng)村用上電的問題，但由于農(nóng)村負(fù)荷具有的密度小、供電半徑大、供電線路截面小、負(fù)荷發(fā)展快、波動大等特點(diǎn)，導(dǎo)致農(nóng)村配電臺區(qū)低電壓、重過載問題也比較突出。2018年以來，電網(wǎng)各供電企業(yè)花大力氣開展了多次專項治理，但農(nóng)村配電臺區(qū)低電壓、重過載問題導(dǎo)致的報裝受限、用電投訴問題仍然屢屢發(fā)生[1]。

探索解決區(qū)縣供電局面臨的農(nóng)村屋頂光伏項目并網(wǎng)、消納問題的同時，利用分布式光伏項目的一些特性，統(tǒng)籌解決農(nóng)村配電臺區(qū)低電壓、重過載問題，為低電壓、重過載臺區(qū)提供一種高效、經(jīng)濟(jì)的治理方案，就成為我們研究的一個新課題。

1 云南農(nóng)村配電網(wǎng)存在問題分析

云南由于盆地、河谷、丘陵，低山、中山、高山、山原、高原相間分布，各類地貌之間條件差異很大，類型多樣復(fù)雜。全省土地面積中山地占84%，高原、丘陵約占10%，壩子(盆地、河谷)僅占6%。全省127個縣(市、區(qū))及東川市共128個行政單位中，除昆明市的五華、盤龍兩個城區(qū)外，山區(qū)比重都在70%以上，沒有一個純壩區(qū)縣，18個縣99%以上的土地全是山地。特殊的地理環(huán)境，造成云南廣大農(nóng)村既存在幾百上千戶人家聚居的村莊，也有零散三五戶人家組成的微型村莊，還有1戶人家形成的獨(dú)家村，由此形成了各具特色的農(nóng)村配電網(wǎng)，也形成了云南農(nóng)村配電網(wǎng)負(fù)荷密度大小不一、負(fù)荷發(fā)展快、供電半徑大、供電線路截面小、季節(jié)性負(fù)荷波動大等特點(diǎn)，導(dǎo)致農(nóng)村配電臺區(qū)低電壓、重過載問題形成原因多種多樣，幾種因素相互作用，使農(nóng)村低電壓、重過載問題成為農(nóng)村配電網(wǎng)需長期、動態(tài)、綜合治理的一個問題。研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村配電網(wǎng)存在的以下幾類問題是造成農(nóng)村配電網(wǎng)重過載、低電壓的主要因素[2]：

1）由多臺大容量配變供電的村莊，居民用電、農(nóng)排灌溉、小加工業(yè)、小商業(yè)等用電種類繁多，用電量大，負(fù)荷增長快，配變負(fù)載率高，配變?nèi)萘颗c用電負(fù)荷不匹配，低電壓、重過載問題突出，但這些村莊居民土地利用意識強(qiáng)，新增配變落點(diǎn)困難，報裝受限、低電壓等問題投訴也最多。

2）對于村民比較分散的區(qū)域，由于用電負(fù)荷小，供電配變?nèi)萘啃?，供電半徑長，低壓線路導(dǎo)線截面小，由此造成的低電壓問題較多。

3）大部分農(nóng)村09:00-12:00，17:00-22:00共8 h左右為用電高峰期，負(fù)荷較大，其余時間用電量較小，尤其夜間負(fù)荷最低，而配變一般為無載調(diào)壓變壓器，造成電配變一天16 h輕載、高電壓運(yùn)行，高峰期重載、低電壓運(yùn)行的畸形運(yùn)行情況，配變?nèi)萘坎荒艹浞掷?，配變損耗增加。

4）農(nóng)村抗旱、排澇季節(jié)性用電高峰期和春節(jié)外出務(wù)工人員返鄉(xiāng)期間，用電負(fù)荷劇增，變壓器重過載運(yùn)行，造成配變階段性的重過載、低電壓。

5）農(nóng)村感性負(fù)荷較多，按照規(guī)定，100 kVA以上配電變壓器考慮配置無功補(bǔ)償，無功補(bǔ)償不足，也容易引發(fā)臺區(qū)低電壓。

2 云南分布式光伏建設(shè)情況

截至2022年3月底，云南電網(wǎng)公司累計受理分布式光伏項目6765個、容量470.6 MW，已并網(wǎng)6764個、1個項目已答復(fù)并網(wǎng)方案。其中：220 V并網(wǎng)項目4218個，容量45.3 MW（單個項目平均容量11 kW）；380 V并網(wǎng)項目2418個，容量233.1 MW（單個項目平均容量96 kW）；10 kV并網(wǎng)項目127個，容量192.3 MW（單個項目平均容量1514 kW）。按照并網(wǎng)項目類型統(tǒng)計分析，非居民項目1407個，容量360 MW；居民家庭分布式光伏5358個，容量110.6 MW。由以上數(shù)據(jù)可知，電壓越低報裝并網(wǎng)數(shù)量越多,220 V低壓并網(wǎng)數(shù)量最多。

2021年6月國家能源局啟動整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點(diǎn)方案報送工作，9月8日印發(fā)公布開發(fā)試點(diǎn)名單。云南省能源局于9月27日印發(fā)《整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏試點(diǎn)工作推進(jìn)方案》，明確15個州市的28個試點(diǎn)縣（市、區(qū)），規(guī)劃裝機(jī)容量3997 MW。各縣區(qū)供電局與政府對接落實的屋頂光伏安裝點(diǎn)有237個，可開發(fā)容量364 MW?？梢灶A(yù)見，2022年、2023年，將有大量分布式光伏項目通過農(nóng)村配變220V、380V并網(wǎng)、消納。

3 分布式光伏項目并網(wǎng)與農(nóng)村低電壓、重過載統(tǒng)籌解決方案分析

大量分布式光伏項目并網(wǎng)，需要配變?nèi)萘?、線路支持，以下就利用此次大規(guī)模分布式光伏項目并網(wǎng)，對農(nóng)村配變重過載、低電壓問題的統(tǒng)籌解決方案進(jìn)行研究分析。

1）由于配變落點(diǎn)難，造成低電壓、重過載問題突出區(qū)域的解決方案：此類區(qū)域聚居居民多，分布式光伏項目單點(diǎn)建設(shè)面積不大，但數(shù)量眾多，且比較集中，光伏項目發(fā)電并網(wǎng)容量大。為此，可以統(tǒng)籌分布式光伏發(fā)電項目并網(wǎng)需求與用電負(fù)荷情況，協(xié)調(diào)、利用光伏發(fā)電建設(shè)單位幫助新增配變布點(diǎn)，滿足光伏項目上網(wǎng)的同時，合理劃分供電分區(qū)，調(diào)整配變臺區(qū)負(fù)荷，縮短供電半徑，解決配變重過載、低電壓。

2）村民比較分散的區(qū)域，低電壓問題解決方案：此類區(qū)域單個村民房屋建筑面積和周邊空余區(qū)域面積較大，因此分布式光伏項目數(shù)量雖然不多，但單點(diǎn)并網(wǎng)容量卻較大。若配變?nèi)萘考熬€路安全載流量滿足并網(wǎng)需求，可以利用光伏項目有功注入形成的電壓抬升，解決配變低電壓問題。若配變?nèi)萘?、線路安全載流量無法滿足并網(wǎng)需要，由電網(wǎng)配套建設(shè)用于分布式光伏項目上網(wǎng)的配變、線路，建設(shè)規(guī)模大，投資高，運(yùn)維成本、安全風(fēng)險大幅增加，那么此類區(qū)域可采用建設(shè)儲能裝置的方式，滿足光伏并網(wǎng)需要的同時，解決臺區(qū)低電壓問題。

3）農(nóng)村用電負(fù)荷峰谷差較大，配變?nèi)萘坷寐什桓叩膮^(qū)域，重過載、低電壓問題解決方案：此類區(qū)域用電負(fù)荷特性，與分布式光伏發(fā)電項目出力特性，無法做到發(fā)電與用電良好匹配，導(dǎo)致白天大量電力需上送電網(wǎng)消納平衡，早晚高峰期又需從電網(wǎng)大量下網(wǎng)滿足用電需求，將會加劇配變高電壓和低電壓兩個極端運(yùn)行的問題。對于這種情況，可以以分布式光伏項目并網(wǎng)為契機(jī)，選用有載調(diào)壓變壓器，依托日漸發(fā)達(dá)的通訊網(wǎng)絡(luò)，及時調(diào)節(jié)配變電壓，同時實現(xiàn)分布式光伏項目上網(wǎng)與下網(wǎng)負(fù)荷交替，提高配變設(shè)備利用率。

4）由于抗旱、排澇、務(wù)工人員返鄉(xiāng)等季節(jié)性、階段性用電負(fù)荷劇增，造成配變重過載、低電壓問題的解決方案：光伏項目發(fā)電并網(wǎng)接入此類臺區(qū)時，光伏項目發(fā)電特性可以和此類負(fù)荷特性較好融合，可以有效降低配變的負(fù)載率，解決配變階段性的重過載、低電壓運(yùn)行問題。此類區(qū)域可以根據(jù)分布式光伏上網(wǎng)和用電負(fù)荷情況，選擇具備一定過載能力的高過載配變，可以有效降低電網(wǎng)投資，提高設(shè)備利用率。

5）無功補(bǔ)償不足引發(fā)的臺區(qū)低電壓問題解決方案：分布式光伏項目逆變器具備無功輸出功能，且可調(diào)節(jié)范圍也較廣，但因光伏發(fā)電企業(yè)基于上網(wǎng)電量經(jīng)濟(jì)性考慮，以及光伏逆變器無功輸出的可控性、響應(yīng)速度等因素影響，分布式光伏項目逆變器無功輸出功能未能有效利用。由于農(nóng)村用電設(shè)備具有較寬的電壓運(yùn)行區(qū)間，因而可以有效利用分布式光伏逆變器無功輸出實現(xiàn)點(diǎn)狀就地?zé)o功補(bǔ)償。還可根據(jù)光伏項目并網(wǎng)容量情況，統(tǒng)籌增容現(xiàn)狀供電配變，集中配置無功補(bǔ)償裝置，從而解決無功補(bǔ)償不足造成的臺區(qū)低電壓問題。

4 分布式光伏發(fā)電項目并網(wǎng)極限容量計算

制約分布式光伏接入容量的因素主要是導(dǎo)線載流量和電壓。由于分布式光伏注入有功會抬升電壓，當(dāng)接入容量過大時會導(dǎo)致電壓越上限。一般中午時配變負(fù)荷較小，而光伏發(fā)電量最大，此時考慮最惡劣情況可以忽略負(fù)荷，則分布式光伏有功注入P，將引起的380 V三相接入電壓抬升如公式(1)所示，220 V單相接入電壓抬升如公式(2)所示。

式（1）和（2）中：UN為平均電壓，分別取為400 V和220 V，計算示例如下：

1個容量100 kW的三相分布式光伏項目，通過380伏三相接入配變，接入點(diǎn)距配變低壓母線200 m，380V導(dǎo)線型號為BVV-120 mm2，單位長度電阻為0.153 Ω/km，按照公式（1）計算光伏引起的電壓抬升為：

取導(dǎo)線載流量和電壓約束下極限容量最小值，即可得到各種邊界條件下的分布式光伏接入容量限值Pmax0。380 V、220 V各截面架空線路極限并網(wǎng)容量計算如下：

1）確定不考慮負(fù)荷時的分布式光伏接入容量限值Pmax0，一般由電壓約束以及線路載流量限值二者共同決定，取二者之中的較小值。

2）考慮負(fù)荷影響時分布式光伏380 V接入容量是否超標(biāo)判斷方法：

查詢分布式光伏接入點(diǎn)s和變電站10kV母線之間的距離Ls及對應(yīng)的Pmax0-s，將光伏接入點(diǎn)回溯至配變母線380 V母線路徑（記為route)上的所有負(fù)荷都?xì)w算到光伏接入點(diǎn)等效負(fù)荷，然后求和得到節(jié)點(diǎn)s等效負(fù)荷，如式（3）所示，然后按照式（4）判斷是否達(dá)到極限載流量。式（3）和式（4）中i是光伏接入點(diǎn)回溯至配變380 V母線路徑（記為route)上的節(jié)點(diǎn)，Pi是該節(jié)點(diǎn)有功負(fù)荷，Li是該節(jié)點(diǎn)至配變380V母線之間的距離，Peqv-s是等效至節(jié)點(diǎn)s時的總負(fù)荷。

3）考慮負(fù)荷影響時分布式光伏220 V接入容量是否超標(biāo)判斷方法：

查詢分布式光伏接入點(diǎn)s和變電站10 kV母線之間的距離Ls及對應(yīng)的Pmax0-s，將光伏接入點(diǎn)回溯至配變母線220 V母線路徑（記為route)上的所有和分布式光伏接到同一相的負(fù)荷都?xì)w算到光伏接入點(diǎn)等效負(fù)荷，然后求和得到節(jié)點(diǎn)s等效負(fù)荷，如式（3）所示，然后按照式（4）判斷是否達(dá)到極限載流量。式（3）和式（4）中i是光伏接入點(diǎn)回溯至配變220 V母線路徑（記為route)上的和分布式光伏接到同一相節(jié)點(diǎn)，Pi是該節(jié)點(diǎn)有功負(fù)荷，Li是該節(jié)點(diǎn)至配變220 V母線之間的距離，Peqv-s是等效至節(jié)點(diǎn)s時的總負(fù)荷。

計算得出，220 V常用低壓線路極限載流量及最大輸送容量如表1所示，對應(yīng)并網(wǎng)容量限值如表2所示。380 V常用低壓線路極限載流量以及對應(yīng)最大輸送容量如表3所示，對應(yīng)線路并網(wǎng)容量限值如表4所示。

表1 220 V低壓線路極限載流量

表2 220 V低壓線路并網(wǎng)容量限值 /kW

表3 380 V低壓線路極限載流量

表4 380 V低壓線路并網(wǎng)容量限值 /kW

5 分布式光伏發(fā)電項目并網(wǎng)電力電量平衡校驗

1）線路并網(wǎng)容量≥光伏發(fā)電量，說明光伏發(fā)電量能夠就地消納，即光伏電站發(fā)出的電量不需要通過380 V（220 V）線路送到配變進(jìn)行電力電量平衡。

2）線路并網(wǎng)容量＜光伏發(fā)電量，說明光伏發(fā)電量不能夠就地消納，即光伏電站發(fā)出的電量要通過380 V（220 V）線路送到配變進(jìn)行電力電量平衡，此時要重點(diǎn)核實配變負(fù)荷情況，即光伏發(fā)電量出現(xiàn)最大值時，線路、配變總負(fù)荷與分布式光伏發(fā)電量的平衡情況。若配變及其所接380 V線路的總負(fù)荷不能與分布式光伏的發(fā)電量平衡，還需要穿越配變，到該線路所接10 kV公用線路消納，甚至到變電站10 kV母線進(jìn)行負(fù)荷平衡，就說明并網(wǎng)點(diǎn)選擇不合理，要重新選擇、調(diào)整并網(wǎng)點(diǎn)。

3）多個分布式光伏發(fā)電項目并網(wǎng)校驗

多個分布式光伏項目申請并網(wǎng)時，并網(wǎng)點(diǎn)選擇除了需按照單個項目并網(wǎng)校驗外，還需對多個項目并網(wǎng)進(jìn)行疊加校驗，方法與單個項目并網(wǎng)類似，主要核實低壓干線和配變?nèi)萘科ヅ淝闆r，若不能匹配，需考慮新增配變滿足并網(wǎng)要求，注意核實是否需同步引入其他的10 kV線路、變電站消納光伏發(fā)電量。

6 結(jié)束語

農(nóng)村配電臺區(qū)重過載、低電壓可能是幾種因素相互作用的結(jié)果，因此，重過載、低電壓臺區(qū)的治理是一項動態(tài)的、長期的工作，是保證千家萬戶用好電的基礎(chǔ)。同時，屋頂分布式光伏項目接入電網(wǎng)是國家綠色能源戰(zhàn)略的一項重點(diǎn)舉措，應(yīng)并盡并，是國家對電網(wǎng)企業(yè)的要求，是電網(wǎng)企業(yè)義不容辭的責(zé)任，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各方資源、合理安排，規(guī)劃、基建、生產(chǎn)、營銷等專業(yè)與發(fā)電企業(yè)、用電客戶協(xié)同配合，多措并舉，才能實現(xiàn)分布式光伏項目并網(wǎng)與重過載、低電壓臺區(qū)治理有機(jī)協(xié)調(diào)，實現(xiàn)電網(wǎng)、企業(yè)、用戶的三贏，構(gòu)建綠色新型電力系統(tǒng)，為振興農(nóng)村提供強(qiáng)有力的電力保障。