曹哲，劉波，袁智強

（上海電力設(shè)計院有限公司 系統(tǒng)規(guī)劃中心，上海 200025）

迫于能源緊缺和環(huán)境的壓力，以風(fēng)電、光伏電源、小水電等可再生能源為主體的分布式電源已成為必然趨勢。太陽能作為一種清潔可再生的能源，取之不盡、用之不竭，有著其他新能源無法比擬的優(yōu)勢。近年來，光伏發(fā)電發(fā)展迅猛。根據(jù)歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會（EPIA）公布的數(shù)據(jù)，2013年世界光伏新增裝機容量達到37 007 MW，增幅首次超過風(fēng)電；其中我國新增裝機容量11 300 MW，占世界總新增裝機容量30.5%，成為世界第一。光伏發(fā)電系統(tǒng)一般分為集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，隨著國家能源發(fā)展戰(zhàn)略日益凸顯分布式電源在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推動節(jié)能減排及實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展方面的重要意義，分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)已成為最主要的光伏發(fā)電消納方式[1-2]。

高密度、多接入點的分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后將對配電產(chǎn)生一系列影響[3]。合理地配置分布式光伏電源可支撐起配電網(wǎng)的電壓，然而不加約束地接入分布式光伏電源又會引起配電網(wǎng)節(jié)點過電壓[4-6]。此外，按照現(xiàn)行國家標準，考慮電網(wǎng)的安全運行以及自動重合閘的配置，當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，應(yīng)立刻停止運行分布式電源，光伏發(fā)電系統(tǒng)需要經(jīng)過一定延時時間（20 s～5 min）后才能重新并網(wǎng)[7]。當(dāng)系統(tǒng)中接入的高密度分布式光伏電源解列時，配電系統(tǒng)將出現(xiàn)低電壓，從而影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，破壞相關(guān)電力設(shè)備。

相關(guān)單位與學(xué)者已深入研究了電網(wǎng)電壓與光伏電源接入容量兩者的相互影響。文獻[8]通過建立包含廣義負載的統(tǒng)一電路模型并進行仿真分析，將光伏電源視為負載，從而計算出電網(wǎng)電壓波動與分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入的交互影響，但是該文將光伏電源作為單個廣義負載處理，未考慮10 kV饋線線路多點接入光伏電源的情況。文獻[9]分析了負荷在不同分布規(guī)律的條件下不致引起饋線各點電壓超出饋線首端電壓的光伏組件準入容量，但是該文將光伏組件考慮為純有功電源，未考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)的調(diào)節(jié)能力。此外，目前的研究多偏重考核光伏電源對線路造成過電壓影響，針對低電壓影響的研究較少。本文針對高密度分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入的中壓配電網(wǎng)絡(luò)，基于電壓偏差計算原理，建立了饋線電壓偏差計算模型，研究了不致引起饋線各點出現(xiàn)過電壓且在饋線故障排除后光伏發(fā)電系統(tǒng)解列時饋線各點出現(xiàn)低電壓的光伏準入容量。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由3部分構(gòu)成：光伏陣列、逆變器和電網(wǎng)。其中光伏陣列主要由光伏組件組成，可采用單個組件、組件串聯(lián)和組件并聯(lián)等應(yīng)用形式。逆變器是將光伏陣列所輸出的直流電轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)要求的交流電再輸入電網(wǎng)的設(shè)備。圖1所示為多支路結(jié)構(gòu)的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)圖Fig. 1 Block diagram of distributed PV generation

逆變器是光伏系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換與控制的核心，影響和決定著整個并網(wǎng)系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定、安全、可靠、高效運行。從波形上分析，逆變器電壓幅值連續(xù)可控、并保持與電網(wǎng)電壓頻率同步，運行時即可視為一電壓源。因此，通過控制逆變器的相位和幅值，可實現(xiàn)電力電網(wǎng)與分布式光伏并網(wǎng)逆變器之間無功、有功功率的調(diào)節(jié)。根據(jù)國家標準規(guī)定，分布式光伏組件逆變器出口功率因數(shù)應(yīng)在超前0.95～滯后0.95范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)[6]。

2 含高密度光伏發(fā)電系統(tǒng)接入的配電網(wǎng)分析模型

我國城市電網(wǎng)電壓等級為220 kV/110（35）kV/10 kV/0.4 kV，其中110 kV及以下電壓等級屬于配電網(wǎng)。城市高壓配電網(wǎng)（110 kV或35 kV）采用鏈式接線；中壓配電網(wǎng)（10 kV）架空線路多采用多分段多聯(lián)絡(luò)接線，電纜線路多采用環(huán)網(wǎng)接線。由于環(huán)網(wǎng)線路一般為開環(huán)運行，故在正常運行狀態(tài)可等效為單電源輻射式接線。

考慮到配電網(wǎng)系統(tǒng)中饋線長度較短、電壓等級較低，以下分析節(jié)點負荷時采用恒功率靜態(tài)模型，即納入輸電線路的分布電抗和分布阻抗，而略去三相線路間的互感和對地電容。圖2所示是在上述等值分析條件下的接入高密度光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)分析模型。配電網(wǎng)中某個節(jié)點k到配電母線處的電壓損失為

式（1）中，Pi、Qi為380 V用戶的廣義負載；ηi為第i個負荷點光伏滲透率。設(shè)第i個負荷點的配電變壓器額定容量為SNi，變壓器的空載無功損耗率按均值2.5%考慮。

圖2 高密度多點接入光伏電源饋線模型Fig. 2 Circuit model with multiple distributed loads and generations

cosφLi為未接入光伏組件前負載的功率因數(shù)。考慮用戶400 V低壓側(cè)一般裝設(shè)有無功補償裝置，10 kV節(jié)點的負荷功率因數(shù)較高，可按0.95考慮。由公式（4）可得由式（5），廣義負載功率因數(shù)為式中，cosφpvi為光伏組件功率因數(shù)，考慮cosφpvi在±0.95間可調(diào)；tanφpvi值為±0.329。假設(shè)饋線負荷、線路阻抗均勻分布，為不失一般性，采用積分形式表達，則

由式（8），定義綜合光伏電源滲透率η；為方便分析，令η為常數(shù)。

3 準入容量分析

3.1 考慮過電壓因素

按照母線處的電壓偏差合格且達到電壓偏差上限，則饋線上不出現(xiàn)過電壓的條件為

由式（11），光伏電源在不同功率因數(shù)下考慮過電壓條件光伏組件的滲透率限值如表1所示。

表1 考慮過電壓因素饋線光伏電源最大滲透率Tab. 1 Maximum PV penetration level considering over-voltage constraint

從表1可以得出以下結(jié)論：

1）線路r/x比值越小，光伏組件允許的滲透率越高；

2）光伏組件在滯后的功率因數(shù)條件下運行可提高饋線光伏組件的滲透率，且r/x比值越小，提升的效果越明顯；

3）考慮過電壓限制，架空線路相比電纜線路可以承載更高的光伏滲透率。

3.2 考慮低電壓因素

考慮分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)解列條件前饋線最低點電壓為αUN（0.93<α<1.07）。根據(jù)國家標準，20 kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%，則饋線上不出現(xiàn)低電壓的條件如式（12）所示。當(dāng)l為饋線總長度L時，f（l）取值最小。

以YJV-240電纜、LGJ-240架空線為例，兩者的輸送能力分別約為5.2 MV·A和9.3 MV·A?？紤]60%線路負載率，光伏電源功率因數(shù)為超前0.95，不同饋線長度考慮低電壓約束的光伏電源滲透率限值如表2所示。

表2 考慮低電壓因素饋線光伏電源最大滲透率Tab. 2 Maximum PV penetration level considering low voltage constraint

從表2可以得出以下結(jié)論：

1）線路越短，光伏滲透率限值越高；

2）考慮低電壓限制，電纜線路相比架空線路可以承載更高的光伏滲透率。

4 仿真分析

隨日負荷曲線的變化，10 kV饋線出口母線電壓將周期性波動。假設(shè)當(dāng)負荷位于峰值時，饋線出口母線電壓達到允許電壓上限1.07UN；當(dāng)負荷位于谷值時，饋線最遠端電壓為UN。針對以上兩種情況分別進行考慮過電壓因素和低電壓因素進行PSS/E仿真分析，光伏組件功率因數(shù)分別取1和超前0.95、饋線負載率為60%。

仿真計算結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4，配電網(wǎng)光伏電源的滲透率限值需同時滿足過電壓與低電壓兩種條件的約束。光伏電源滲透率越大，電壓抬高或跌落越劇烈。仿真結(jié)果與表2、表3的結(jié)果一致?？梢钥闯觯娎|線路光伏電源滲透率限值主要受過電壓因素的限制，而架空線路主要受低電壓因素的限制。

5 結(jié)論

圖4 考慮低電壓因素電壓仿真曲線Fig. 4 Voltage curve considering low voltage constraint

配電系統(tǒng)接入高密度分布式光伏電源后，可能會出現(xiàn)饋線電壓的波動問題，因而需合理限制分布式光伏裝置接入系統(tǒng)的容量。本文提出了考慮以上兩種限制因素的允許接入最大容量算法，得出的結(jié)論對于分布式光伏準入容量的初步評估具有一般適應(yīng)性。在實際系統(tǒng)中，應(yīng)充分利用光伏電源的功率調(diào)節(jié)能力，并限制光伏組件的接入容量，使得母線電壓距離電壓偏差上下限留有一定的裕量。

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