高密度分布式光伏发电系统接入配电网准入容量研究

曹哲，刘波，袁智强

（上海电力设计院有限公司 系统规划中心，上海 200025）

迫于能源紧缺和环境的压力，以风电、光伏电源、小水电等可再生能源为主体的分布式电源已成为必然趋势。太阳能作为一种清洁可再生的能源，取之不尽、用之不竭，有着其他新能源无法比拟的优势。近年来，光伏发电发展迅猛。根据欧洲光伏产业协会（EPIA）公布的数据，2013年世界光伏新增装机容量达到37 007 MW，增幅首次超过风电；其中我国新增装机容量11 300 MW，占世界总新增装机容量30.5%，成为世界第一。光伏发电系统一般分为集中式光伏发电系统和分布式光伏发电系统，随着国家能源发展战略日益凸显分布式电源在优化能源结构、推动节能减排及实现经济可持续发展方面的重要意义，分布式光伏发电并网系统已成为最主要的光伏发电消纳方式[1-2]。

高密度、多接入点的分布式光伏电源接入配电网后将对配电产生一系列影响[3]。合理地配置分布式光伏电源可支撑起配电网的电压，然而不加约束地接入分布式光伏电源又会引起配电网节点过电压[4-6]。此外，按照现行国家标准，考虑电网的安全运行以及自动重合闸的配置，当配电系统发生短路故障时，应立刻停止运行分布式电源，光伏发电系统需要经过一定延时时间（20 s～5 min）后才能重新并网[7]。当系统中接入的高密度分布式光伏电源解列时，配电系统将出现低电压，从而影响电力系统的稳定运行，破坏相关电力设备。

相关单位与学者已深入研究了电网电压与光伏电源接入容量两者的相互影响。文献[8]通过建立包含广义负载的统一电路模型并进行仿真分析，将光伏电源视为负载，从而计算出电网电压波动与分布式光伏发电系统接入的交互影响，但是该文将光伏电源作为单个广义负载处理，未考虑10 kV馈线线路多点接入光伏电源的情况。文献[9]分析了负荷在不同分布规律的条件下不致引起馈线各点电压超出馈线首端电压的光伏组件准入容量，但是该文将光伏组件考虑为纯有功电源，未考虑光伏发电系统的功率因数的调节能力。此外，目前的研究多偏重考核光伏电源对线路造成过电压影响，针对低电压影响的研究较少。本文针对高密度分布式光伏发电系统接入的中压配电网络，基于电压偏差计算原理，建立了馈线电压偏差计算模型，研究了不致引起馈线各点出现过电压且在馈线故障排除后光伏发电系统解列时馈线各点出现低电压的光伏准入容量。

1 光伏发电系统结构

光伏发电系统通常由3部分构成：光伏阵列、逆变器和电网。其中光伏阵列主要由光伏组件组成，可采用单个组件、组件串联和组件并联等应用形式。逆变器是将光伏阵列所输出的直流电转换为符合电网要求的交流电再输入电网的设备。图1所示为多支路结构的光伏发电系统。

图1 光伏并网系统图Fig. 1 Block diagram of distributed PV generation

逆变器是光伏系统能量转换与控制的核心，影响和决定着整个并网系统是否能够稳定、安全、可靠、高效运行。从波形上分析，逆变器电压幅值连续可控、并保持与电网电压频率同步，运行时即可视为一电压源。因此，通过控制逆变器的相位和幅值，可实现电力电网与分布式光伏并网逆变器之间无功、有功功率的调节。根据国家标准规定，分布式光伏组件逆变器出口功率因数应在超前0.95～滞后0.95范围内连续可调[6]。

2 含高密度光伏发电系统接入的配电网分析模型

我国城市电网电压等级为220 kV/110（35）kV/10 kV/0.4 kV，其中110 kV及以下电压等级属于配电网。城市高压配电网（110 kV或35 kV）采用链式接线；中压配电网（10 kV）架空线路多采用多分段多联络接线，电缆线路多采用环网接线。由于环网线路一般为开环运行，故在正常运行状态可等效为单电源辐射式接线。

考虑到配电网系统中馈线长度较短、电压等级较低，以下分析节点负荷时采用恒功率静态模型，即纳入输电线路的分布电抗和分布阻抗，而略去三相线路间的互感和对地电容。图2所示是在上述等值分析条件下的接入高密度光伏发电系统的配电网分析模型。配电网中某个节点k到配电母线处的电压损失为

式（1）中，Pi、Qi为380 V用户的广义负载；ηi为第i个负荷点光伏渗透率。设第i个负荷点的配电变压器额定容量为SNi，变压器的空载无功损耗率按均值2.5%考虑。

图2 高密度多点接入光伏电源馈线模型Fig. 2 Circuit model with multiple distributed loads and generations

cosφLi为未接入光伏组件前负载的功率因数。考虑用户400 V低压侧一般装设有无功补偿装置，10 kV节点的负荷功率因数较高，可按0.95考虑。由公式（4）可得由式（5），广义负载功率因数为式中，cosφpvi为光伏组件功率因数，考虑cosφpvi在±0.95间可调；tanφpvi值为±0.329。假设馈线负荷、线路阻抗均匀分布，为不失一般性，采用积分形式表达，则

由式（8），定义综合光伏电源渗透率η；为方便分析，令η为常数。

3 准入容量分析

3.1 考虑过电压因素

按照母线处的电压偏差合格且达到电压偏差上限，则馈线上不出现过电压的条件为

由式（11），光伏电源在不同功率因数下考虑过电压条件光伏组件的渗透率限值如表1所示。

表1 考虑过电压因素馈线光伏电源最大渗透率Tab. 1 Maximum PV penetration level considering over-voltage constraint

从表1可以得出以下结论：

1）线路r/x比值越小，光伏组件允许的渗透率越高；

2）光伏组件在滞后的功率因数条件下运行可提高馈线光伏组件的渗透率，且r/x比值越小，提升的效果越明显；

3）考虑过电压限制，架空线路相比电缆线路可以承载更高的光伏渗透率。

3.2 考虑低电压因素

考虑分布式光伏发电系统解列条件前馈线最低点电压为αUN（0.93<α<1.07）。根据国家标准，20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%，则馈线上不出现低电压的条件如式（12）所示。当l为馈线总长度L时，f（l）取值最小。

以YJV-240电缆、LGJ-240架空线为例，两者的输送能力分别约为5.2 MV·A和9.3 MV·A。考虑60%线路负载率，光伏电源功率因数为超前0.95，不同馈线长度考虑低电压约束的光伏电源渗透率限值如表2所示。

表2 考虑低电压因素馈线光伏电源最大渗透率Tab. 2 Maximum PV penetration level considering low voltage constraint

从表2可以得出以下结论：

1）线路越短，光伏渗透率限值越高；

2）考虑低电压限制，电缆线路相比架空线路可以承载更高的光伏渗透率。

4 仿真分析

随日负荷曲线的变化，10 kV馈线出口母线电压将周期性波动。假设当负荷位于峰值时，馈线出口母线电压达到允许电压上限1.07UN；当负荷位于谷值时，馈线最远端电压为UN。针对以上两种情况分别进行考虑过电压因素和低电压因素进行PSS/E仿真分析，光伏组件功率因数分别取1和超前0.95、馈线负载率为60%。

仿真计算结果如图3、图4所示。

由图3、图4，配电网光伏电源的渗透率限值需同时满足过电压与低电压两种条件的约束。光伏电源渗透率越大，电压抬高或跌落越剧烈。仿真结果与表2、表3的结果一致。可以看出，电缆线路光伏电源渗透率限值主要受过电压因素的限制，而架空线路主要受低电压因素的限制。

5 结论

图4 考虑低电压因素电压仿真曲线Fig. 4 Voltage curve considering low voltage constraint

配电系统接入高密度分布式光伏电源后，可能会出现馈线电压的波动问题，因而需合理限制分布式光伏装置接入系统的容量。本文提出了考虑以上两种限制因素的允许接入最大容量算法，得出的结论对于分布式光伏准入容量的初步评估具有一般适应性。在实际系统中，应充分利用光伏电源的功率调节能力，并限制光伏组件的接入容量，使得母线电压距离电压偏差上下限留有一定的裕量。

[1] 罗如意，林晔. 世界光伏发电产业的发展与展望[J]. 能源技术，2009，30（5）: 290-294.LUO Ruyi，LIN Ye. The development and prospects of world photovoltaic industry[J]. Energy Technology，2009，30（5）: 290-294（in Chinese）.

[2] 康海云，杭乃善，卢桥，等. 分布式光伏发电在智能电网中的作用分析[J]. 电网与清洁能源，2013，29（10）:86-90.KANG Haiyun，HANG Naishan，LU Qiao，et al. Role of distributed photovoltatic generation in smart grid[J]. Power System and Clean Energy，2013，29（10）: 86-90（in Chinese）.

[3] 胡泊，辛颂旭，白建华，等. 我国太阳能发电开发及消纳相关问题研究[J]. 中国电力，2013，46（1）: 1-6.HU Po，XIN Songxu，BAI Jianhua，et al. Study on issues concerning solar power development and accommodation in China[J]. Electric Power，2013，46（1）: 1-6（in Chinese）.

[4] 刘伟，彭冬，卜广全，等. 光伏发电接入智能配电网后的系统问题综述[J]. 电网技术，2009，33（19）: 1-6.LIU Wei，PENG Dong，BU Guangquan，et al. A survey on system problems in smart distribution network with gridconnected photovoltaic generation[J]. Power System Technology，2009，33（19）: 1-6（in Chinese）.

[5] 王志群，朱守真，周双喜，等.分布式发电对配电网电压分布的影响[J]. 电力系统自动化，2004，28（16）: 56-60.WANG Zhiqun，ZHU Shouzhen，ZHOU Shuangxi，et al.Impact of distributed generation on distribution system voltage profile[J]. Automation of Electric Power Systems，2004，28（16）: 56-60（in Chinese）.

[6] 许晓艳，黄越辉，刘纯，等.分布式光伏发电对配电网电压的影响及电压越限的解决方案[J]. 电网技术，2010，34（10）: 140-146.XU Xiaoyan，HUANG Yuehui，LIU Chun，et al. Influence of distributed photovoltaic generation on voltage in distribution network and solution of voltage beyond limits[J].Power System Technology，2010，34（10）: 140-146（in Chinese）.

[7] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 29319-2012 光伏发电系统接入配电网技术规定[S]. 北京：中国标准出版社，2012.

[8] 陈权，李令冬，王群京，等. 光伏发电并网系统的仿真建模及对配电网电压稳定性影响[J]. 电工技术学报，2013，28（3）: 241-247.CHEN Quan，LI Lingdong，WANG Qunjing，et al. Simulation model of photovoltaic generation grid-connected system and its impacts on voltage stability in distribution grid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28（3）: 241-247（in Chinese）.

[9] 刘健，同向前，潘忠美，等. 考虑过电压因素时分布式光伏电源的准入容量[J]. 电力系统保护与控制，2014，42（6）: 45-51.LIU Jian，TONG Xiangqian，PAN Zhongmei，et al. The maximum power of distributed PV generation according to over-voltage in distribution network[J]. Power System Protection and Control，2014，42（6）: 45-51（in Chinese）.