分析配电网中分布式光伏能量渗透率

谷明，王敏

（国网山东省电力公司莘县供电公司，山东聊城，252400）

0 引言

在分布式光伏发电研究过程中，具备多点分散设置等特点，为可再生能源的利用提供了更多途径。随着该项技术研究逐渐深入，得到了国家和政府的大力支持，在配网中渗透率也日益提升。截止到目前，人们主要利用闲散屋顶和分散土地资源对其进行推广，衍生出很多光伏应用示范区域。但从研究过程中可以看出，光伏出力的可控性很差，为设备安全保护等工作提出了很大挑战。

1 光伏并网对配电网的影响

1.1 评价指标

分布式光伏并网的应用，可以让整个配电网从传统辐射状无源网络转变成有源网络。在此项改变之后，潮流流向等也会出现变化，同样的道理，光伏出力的波动性明显提升，为整个配电网的冗余容量提出了新的考验，网络耗损情况出现更改。为了对高渗透率分布式光伏并网对电网的影响进行量化分析，本文在研究中引进了两个评价指标因素，即有功耗损和线路负载率。

在该项研究过程中，人们首先需要确定的便是网损指标，用ILoss表示。该指标主要是对系统网损情况进行真实反映，表达式如下：

该式中，LossP 代表光伏并网后系统总有功损耗，当LossI≥0时，说明了光伏并网的网损可以进一步降低，如果数值与1相接近时，整个网损的改善效果更加明显。如果LossI ＜0时，说明该光伏并网可以提升系统的网损数值。

其次是线路负载率指标，用ILoading表示。线路负载率水平主要是对配电线路的传输情况进行真实反映，其中涉及到的配电网容量主要是用于满足负荷增长二出现。该项指标的选取系统可以借助于负载率计算出最终数值，将配电网裕度补偿程度揭示出来，计算公式如下：

1.2 系统建模

在本文研究过程中，主要以IEEE33节点为研究对象，将配电网辐射状态展示出来，具体模型如图1所示。

图1 IEEE33节点系统模型

在该项网络研究中，总共馈线数量为4条，总负荷达到了3715kW+j2300kvar，系统总额定电压数值为12.66kV。根据图1的节点位置，研究人员可以从节点6、11、29处接入分布式光伏电源，容量为400kW，组数分别为4、3、2。为了让潮流计算结果将电力系统实际运行情况反映出来，在负荷计算上将会采用恒定阻抗模型，该种模型的功率消耗主要在于并网节点电压的高低。从以往的研究经验中可以看出，光伏并网之前，配电网的最大用电量可以达到2300kW。

1.3 算例分析

ILoss、ILoading随着光伏渗透率变化曲线如图2所示，从图中可以看出，由于光伏渗透率的不断提升，二者均会出现先增大后降低的发展趋势。另外，二者的峰值出现在同一位置上，也就是光伏渗透率在20%时，具体对应的峰值为0.78和0.60。从数值上可以看出，在该光伏渗透率的作用之下，光伏输出功率可以对日间负荷进行有效补偿，实现日间净负荷峰值的有效降低。在此过程中，整个线路中的系统网损以及线路负载率均会达到最小值。如果光伏渗透率在45%左右时，ILoss、ILoading便会出现负值状态，说明此光伏渗透率下你的系统网损以及线路负载率要比之前增加很多，系统运行的经济性和可靠性也明显下滑。

图2 ILoss、IL oading 随光伏渗透率的变化曲线图

1.4 光伏渗透率分析

当光伏渗透率低于20%时，PVDC可以为负荷提供一些功率支持，并降低线路中远距离之中的传输电流和功率，最终将配电线路中的载流量降低。在此范围之中，ILoss、ILoading也会随着光伏渗透率的提升而提升，如果将整个工作集中在下午阶段，日峰荷的大小也会得到削减，环节配电网的调峰压力。

当光伏渗透率增加之后，且高于20%，低于45%，整个系统的日间净负荷也会大幅度降低，其曲线也会出现一个谷值，有时还会在此处出现负值情况，导致配网中功率倒送现象明显。另外，在馈电线路运行过程中，一旦出现逆向潮流，便会使整个负载率和网损提升，所对应的指标也会越来越小，这不仅提升了配电线路的载流压力，还容易让配电网安全保护装置出现失灵。

当渗透率达到极高的位置时，即超过45%，ILoss、ILoading便会出现负值。在此过程中，分布式光伏并网电压也会相应的提升，而且部分节点也会超过上限。由于配电线路中的逆向电流提升很多，和额定电流的距离越来越远，发热量持续上升。当经过导流体的过载电流超出过载限制时，绝缘体出现燃烧现象，最终导致用户的大面积停电。因此，为了使整个光伏并网的配电更加安全和稳定，人们需要做好渗透率等级的划分，将临界值设置为20%，上限为45%，通过计算之后，整个光伏并网的电量将会处于750到1670kW范围内。

2 储能用于提升光伏渗透率极限的效果研究

2.1 储能系统的特性

光伏发电的典型特点便是夜间无出力，白天有出力，午间的出力水平最高。由于储能系统具备双向功率特性和灵活的调节能力，电能的时空转移效果将会体现的更加明显。为此，人们可以在配电网中装配储能设备，并将PVDG的午间高出力转移，将尖峰时刻消减，并弥补其他时刻的不足，最终实现渗透率极限的有效提升。除此之外，在高渗透分布式光伏并网中，系统具体的净负荷率如图3所示。

图3 储能并网后系统净负荷功率曲线

从图中可以看出，整个负荷高峰时段集中在9点到13点，以及19点到22点，低谷阶段集中在1点到8点。在储能系统没有引入到该项研究之前，光伏组件在白天吸收了充足的阳光，可以将配电网的供电压力缓解，这在一定程度上可以将峰值效果削弱。但如果光伏场景下的渗透率较高，PVDG所提供的电能也会超过负荷需求，本地消化能力也会下降，站在以往配电网基础设施角度来说，无法对该种电力输送要求进行满足。

2.2 储能系统的具体作用

当储能系统加入到配电网中后，由于电力配送通道受限，人们可以将午间阶段的剩余电能集中在储能系统内，并在夜间负荷高峰时段返送到电网中，在消减光伏尖峰的同时，降低高渗透率对配电网的有效冲击，还能进一步提升配电网的备用容量。当光伏输出功率波动下，还可以通过储能系统控制，将快速吞吐功率控制在合理范围内，让整个负荷功率波动得到抑制，在提升供电质量的同时，维护电网扩建升级过程中的各项需求，最终提升配电设备的使用效率[3]。

2.3 储能对光伏能量渗透率的具体影响

为了方便研究，可以将最小的允许负荷保持在0.1p.u.，再储能安装能量的确定上，可以用系统平均负荷最大放电时间进行充分表示，具体的放电时间可以集中在1到2h范围内。从上述研究中可以看出，负荷转移和储能可以提升系统光伏能量的渗透率和光伏利用率，但如果在负荷转移的影响下，储能技术的作用不能明显的发挥出来。假设，在日负荷转移上，其最大转移量受到限制，此时的实际效果还会受到负荷预测等因素影响。储能技术的应用范围较广，在光伏渗透率提升效果上也更加明显，控制策略的应用也十分简单，这也是未来我国智能电网与分布式光伏电源衔接的一种主要措施之一。但如果储能规模较大，相应的影响因素也会提升，如设备成本、使用寿命等等，还需要对其实际应用做深入分析。

3 总结

如果整个光伏渗透率显得足够高时，低压配电网也会从受端转移到源端之中，从而实现潮流逆向传输，并完成向上级电网的倒送功率。在此项研究之中，人们将现有的基础理论完全颠覆，而且对相应的设施保护工作提出了巨大挑战。为了维持整个系统的安全运行，能量存储设施的设置显得尤为重要。