白金,周秀,陳彪,楊鑫,殷睿

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院,寧夏 銀川 750011;2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司固原供電公司,寧夏 固原 756000;3.長(zhǎng)沙理工大學(xué),湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引 言

近年來,我國(guó)不斷推進(jìn)落實(shí)“雙碳”目標(biāo),光伏發(fā)電可再生能源處于重要的戰(zhàn)略機(jī)遇期。諸如寧夏、青海、甘肅以及新疆等省(區(qū))光照年輻射量平均值在1 600 kW·h/m2以上,為光伏發(fā)電提供了天然的優(yōu)越條件。然而,光伏發(fā)電并網(wǎng)在低壓配電網(wǎng)存在多方面問題:光伏電源的出力受環(huán)境中光照強(qiáng)度和溫度影響較大,環(huán)境條件的快速變化可能導(dǎo)致配電網(wǎng)系統(tǒng)中電壓的波動(dòng)和閃變,大規(guī)模的使用光伏逆變器可能引發(fā)電力諧波污染,同時(shí)增加配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗[1-4]。此外,光伏電源滲透率對(duì)配電網(wǎng)潮流和網(wǎng)絡(luò)損耗也產(chǎn)生影響,滲透率的增加可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)損耗的上升[5-7]。不同光伏接入位置對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響也存在差異[8-10],因此,光伏發(fā)電不可避免地引起電壓質(zhì)量問題,僅通過限制光伏接入容量而不對(duì)運(yùn)行技術(shù)及策略進(jìn)行優(yōu)化,很難將這一問題徹底解決[11-15]。

本文進(jìn)行了光伏接入配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓變化原理的理論分析,并建立了光伏并網(wǎng)的仿真模型,以量化評(píng)估光伏接入配電網(wǎng)位置、接入容量等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響,同時(shí),研究驗(yàn)證了光伏接入后可能引發(fā)的配電網(wǎng)末端電壓越限問題。

1 光伏接入配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓改變?cè)矸治?/h2>

目前,我國(guó)35 kV電壓等級(jí)及以下電壓等級(jí)大多采用單一輻射性鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò),這種結(jié)構(gòu)具有接線容易,經(jīng)濟(jì)性好,后期方便增加容量等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于這種網(wǎng)絡(luò),電能一般從線路首端送往線路末端,不允許潮流逆轉(zhuǎn),但是這種電能輸送方式會(huì)導(dǎo)致線路末端的電壓明顯低于線路首端。如果負(fù)荷過大,消耗的無功功率過多,則有可能導(dǎo)致線路末端節(jié)點(diǎn)電壓過低,影響電能質(zhì)量。

光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)以后,潮流的分布情況將會(huì)發(fā)生改變,與此同時(shí),伴隨著潮流變化,節(jié)點(diǎn)電壓也會(huì)發(fā)生改變,其等效電路如圖1所示。其中PV為光伏電源,假設(shè)光伏運(yùn)行在單位功率因數(shù)下,P+jQ為光伏注入到系統(tǒng)的功率,SL=PL+jQL為系統(tǒng)負(fù)荷,R和X分別為線路電阻和電抗,US為等值系統(tǒng)電壓。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)等效電路

由功率關(guān)系可得:

(1)

光伏接入前并網(wǎng)點(diǎn)電壓U0為

(2)

光伏接入后并網(wǎng)點(diǎn)電壓U為

(3)

光伏接入前和光伏接入后,光伏接入點(diǎn)的電壓變化量ΔU為

(4)

式(4)表明,當(dāng)光伏有功出力改變時(shí),光伏接入點(diǎn)的電壓將會(huì)發(fā)生改變,并且隨著光伏系統(tǒng)的有功功率輸送增加,接入點(diǎn)的電壓抬升效應(yīng)將變得更為顯著,實(shí)現(xiàn)了有功功率就地平衡。

通過光伏接入,能夠有效改善配電網(wǎng)電壓下降問題。由于我國(guó)傳統(tǒng)的配電網(wǎng)主要采用單一輻射性網(wǎng)絡(luò)或鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),當(dāng)光伏出力變化較為緩慢,有功功率輸出相對(duì)平穩(wěn)的情況下,這一原理適用于絕大多數(shù)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如果環(huán)境條件變化迅速,如光照強(qiáng)度和溫度劇烈波動(dòng),光伏的有功功率輸出也將出現(xiàn)較大變化,從而引起光伏接入點(diǎn)電壓波動(dòng),上述原理將不再適用。

小容量光伏接入后,產(chǎn)生了有功功率補(bǔ)償效果,中和了一部分當(dāng)?shù)刎?fù)荷要求,沒有產(chǎn)生潮流逆轉(zhuǎn)的情況。而同樣的配電網(wǎng)絡(luò),如果光伏大規(guī)模接入,并且采用集中接入的方式,滲透率過高,就會(huì)造成潮流反轉(zhuǎn),光伏系統(tǒng)將會(huì)給配電網(wǎng)絡(luò)倒送功率,原理分析如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)等效電路

由功率關(guān)系可得:

(5)

根據(jù)式(2)和式(3)可求出光伏接入前后并網(wǎng)點(diǎn)電壓,并由式(4)得到光伏接入前后電壓變化量ΔU為

(6)

式(6)第二項(xiàng)近似為0,如果光伏系統(tǒng)運(yùn)行在單位功率因數(shù)下,則可簡(jiǎn)化為

(7)

式(7)表明,光伏輸出的有功功率過多,超出了當(dāng)?shù)刎?fù)荷需求,剩余的功率倒送至配電網(wǎng),此時(shí)產(chǎn)生潮流逆轉(zhuǎn)。此外,隨著光伏系統(tǒng)輸出的有功功率增加,接入點(diǎn)的電壓升高變得更加顯著,極有可能造成光伏接入點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓越限問題。由于光伏系統(tǒng)輸出的有功功率與光照強(qiáng)度密切相關(guān),自然環(huán)境中的光照強(qiáng)度可能會(huì)發(fā)生急劇變化,因此,需要通過仿真驗(yàn)證來評(píng)估在光伏裝機(jī)容量過大,滲透率過高時(shí),節(jié)點(diǎn)電壓的變化情況。

2 仿真驗(yàn)證

2.1 光伏接入前后對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響

本文將配電網(wǎng)負(fù)荷簡(jiǎn)化為1個(gè)恒功率模型,將低壓配電網(wǎng)絡(luò)的架空線路簡(jiǎn)化為阻抗等值電路,如圖3所示。該模型可對(duì)35 kV系統(tǒng)情況進(jìn)行模擬,有效解決配電網(wǎng)的用電情況隨機(jī)性較大,負(fù)荷的種類較多,負(fù)荷模型難以準(zhǔn)確搭建的問題。配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)置了6根母線,每1根母線視為1個(gè)節(jié)點(diǎn),分別編號(hào)為N1,N2,N3,N4,N5,N6。每1個(gè)母線帶1個(gè)負(fù)荷,模擬配電網(wǎng)的用電情況,將母線2,4,6號(hào)分別接入光伏發(fā)電系統(tǒng)。架空線的線路阻抗設(shè)置為(0.2625+j 0.409657) Ω/km,系統(tǒng)外部電網(wǎng)所連接的母線為平衡節(jié)點(diǎn),電壓為U1=1∠0。節(jié)點(diǎn)負(fù)荷設(shè)置為P=5 MW時(shí),線路長(zhǎng)度為2 km。

圖3 配電網(wǎng)電壓分布仿真模型

配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的變化情況可以用電壓變化率來反映,該參數(shù)越大,則表明光伏接入配電網(wǎng)后的影響越大。電壓變化率ε的定義如式(8)所示。

(8)

該仿真中,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的負(fù)荷均設(shè)置為5 MW,6個(gè)負(fù)荷總計(jì)為P=30 MW。PV1、PV2、PV3光伏系統(tǒng)各裝機(jī)3.3 MW,并假定各光伏系統(tǒng)的發(fā)電同時(shí)率均為1,此時(shí)光伏滲透率達(dá)到33.3%。光伏系統(tǒng)接入前后,節(jié)點(diǎn)電壓變化情況如圖4和圖5所示。

圖4 光伏并網(wǎng)前后各母線電壓

圖5 光伏接入后各節(jié)點(diǎn)電壓變化率

由圖4可知,光伏接入后,除了首端節(jié)點(diǎn)之外,另外的5個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓均出現(xiàn)了明顯上升,改善了配電網(wǎng)的電壓分布。對(duì)于配電網(wǎng)末端,光伏接入之后,節(jié)點(diǎn)電壓抬升至0.993 p.u.,即使出現(xiàn)了負(fù)荷高峰,末端仍能保證電壓不會(huì)出現(xiàn)過低的情況。分布式光伏并網(wǎng)之后,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之改變,潮流流向不僅由高壓側(cè)流向低壓側(cè),而且由光伏系統(tǒng)直接流向負(fù)荷側(cè)。并網(wǎng)光伏平衡了當(dāng)?shù)刎?fù)荷,降低了電壓損耗。

光伏接入后電壓變化率如圖5所示,首端電壓變化不明顯,而越靠近線路末端,節(jié)點(diǎn)電壓變化率越大。

2.2 接入容量對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響

利用圖3的仿真模型,負(fù)荷與光伏的接入都保持不變,只改變光伏系統(tǒng)的輸出有功功率,驗(yàn)證其對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響。光伏系統(tǒng)有功輸出及滲透率見表1,仿真結(jié)果如圖6所示。

表1 各節(jié)點(diǎn)光伏容量及滲透率

圖6 光伏容量及各節(jié)點(diǎn)電壓曲線

光伏系統(tǒng)滲透率越高,節(jié)點(diǎn)電壓也越高,當(dāng)滲透率達(dá)到50%時(shí),光伏系統(tǒng)對(duì)35 kV配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的支撐效果最好。當(dāng)滲透率達(dá)到66.7%時(shí),光伏系統(tǒng)輸出有功過多,導(dǎo)致了潮流逆轉(zhuǎn),各節(jié)點(diǎn)電壓升高,甚至超過首端電壓。

2.3 接入位置對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響

在上述仿真模型中,保持總的光伏裝機(jī)容量不變,滲透率為50%,P=15 MW。分2組做仿真測(cè)試,第1組中,3個(gè)節(jié)點(diǎn)光伏系統(tǒng)容量均為5 MW,改變光伏系統(tǒng)接入的位置。第2組仿真測(cè)試改變光伏接入方式,將分布式光伏接入改為集中式光伏接入。光伏接入位置如表2、表3所示。仿真結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

表2 第1組仿真案例編號(hào)

表3 第2組仿真案例編號(hào)

圖7 光伏分布位置變化

圖8 光伏集中接入位置變化

由光伏分布位置變化導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓變化情況來看,在同一個(gè)光伏接入配電網(wǎng)的系統(tǒng)下,改變光伏系統(tǒng)的接入位置,配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓將產(chǎn)生較大的改變。仿真結(jié)果表明,越靠近末端,光伏系統(tǒng)接入個(gè)數(shù)越多,對(duì)電壓的支撐效果就越好。3種組合中,N4,N5,N6的組合對(duì)光伏系統(tǒng)的電壓支撐效果最好。

由圖8可以看出,光伏系統(tǒng)接入位置越靠近末端,在滲透率不超過一定值,即不造成配電網(wǎng)過電壓的情況下,對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的抬升效果越好。并且通過對(duì)比圖4可以發(fā)現(xiàn),光伏系統(tǒng)接入首端時(shí),對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響很小。

2.4 光伏引起的配電網(wǎng)過電壓仿真驗(yàn)證

若光伏以集中式的方式接入配電網(wǎng),則當(dāng)它接入配電網(wǎng)末端的效果最明顯,接入配電網(wǎng)末端將顯著改變配電網(wǎng)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓。仿真將光伏系統(tǒng)集中接入至節(jié)點(diǎn)6,并不斷修改光伏系統(tǒng)的有功功率輸出,得到仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 光伏集中接入下不同滲透率對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響

當(dāng)末端節(jié)點(diǎn)接入15 MW光伏系統(tǒng),滲透率為50%時(shí),能有效改善配電網(wǎng)電壓分布,末端電壓將略高于首端。當(dāng)末端節(jié)點(diǎn)接入22.5 MW光伏系統(tǒng),滲透率為75%時(shí),末端電壓偏高,接近于1.04 p.u.。當(dāng)末端節(jié)點(diǎn)接入30 MW光伏系統(tǒng),光伏的有功功率輸出達(dá)到配電網(wǎng)負(fù)荷的總消耗有功,也即滲透率超過100%時(shí),末端節(jié)點(diǎn)電壓將超過1.05 p.u.,節(jié)點(diǎn)電壓超過1.05 p.u.就可以認(rèn)定產(chǎn)生了電壓越限問題。

3 結(jié) 論

分析了光伏并網(wǎng)后電壓波動(dòng)原理,通過電力系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行仿真,得到了光伏系統(tǒng)的不同接入方式、接入容量、接入位置等對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響。仿真結(jié)果表明,分布式光伏接入配電網(wǎng)時(shí),接入點(diǎn)越接近末端,對(duì)系統(tǒng)電壓改善效果越好。和分布式接入相比,將光伏系統(tǒng)集中接入配電網(wǎng)末端對(duì)系統(tǒng)電壓改善效果更好。

光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng),當(dāng)末端節(jié)點(diǎn)接入15 MW光伏系統(tǒng),滲透率為50%時(shí),能有效改善配電網(wǎng)電壓分布,末端電壓將略高于首端。當(dāng)末端節(jié)點(diǎn)接入22.5 MW光伏系統(tǒng),滲透率為75%時(shí),末端電壓偏高,接近于1.04 p.u.。當(dāng)末端節(jié)點(diǎn)接入30 MW光伏系統(tǒng),滲透率為100%時(shí),出現(xiàn)了配電網(wǎng)末端電壓越限問題。