北京电网消纳分布式光伏发电能力分析

赵 瑞 周运斌 王立永

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.北京市电力公司调度通信中心，北京 100031）

众所周知，太阳能取之不尽，用之不竭。据测算，1年内到达地球表面的太阳能总量是目前世界已探明储量能源的1万多倍。我国年均日照长，辐射总量大，属于太阳能资源较为丰富的国家之一，全国国土面积 2/3以上的地区每年日照时数大于2000h，仅陆地面积每年接受的太阳辐射能就约等于几万个三峡工程发电量的总和。

2010年1月5日，北京市《加快太阳能开发利用促进产业发展指导意见》对外发布。根据相关规划，北京市确定到 2012年，太阳能发电系统达到70MW，太阳能产业产值超过 200亿元。据悉，到2020年，北京市太阳能发电系统达到 300MW，在高端生产装备制造、太阳能工程系统集成、标准创制及认证等方面形成国内领先优势。为此，北京将启动实施六大“金色阳光”工程，包括两万千瓦光伏屋顶工程、5万千瓦光能示范上网电站工程、阳光校园工程、光能热水工程、阳光惠农工程和园林阳光夜景工程等。

1 北京光资源分布及光伏发电运行情况

北京地区太阳光光照强度如表1、2所示。

表1 水平面的月平均光照强度（kW·h/m2/天）

表2 水平面的月平均散射光强度（kW·h/m2/天）

目前，北京已经有不少光伏发电工程，但总体来讲容量不大，基本上倾向于照明系统的应用，不属于大规模并网发电模式，不存在和市电网络的并网问题。

北京南站中央屋面采用的光伏发电一体化系统经过多次调整，安装太阳能电池板3264块，总功率245kW，系统年输出电量为22万 kW·h，创造了目前国内公共建筑安装光伏发电系统面积之最。国家体育场（鸟巢）采用太阳能光伏发电并网系统，总容量为100kW，技术达到国际领先的水平，为国家科技示范项目。该系统为地下车库提供白天照明和广场照明。太阳能电池板安装在屋顶及南立面幕墙。加拿大太阳能公司供应了66kW的太阳能电池组件来点亮路灯。这些路灯立于从鸟巢到奥林匹克广场的主干道两旁。图1是位于“鸟巢”屋顶和周围的太阳能光伏发电照明系统。

图1 国家体育馆太阳能光伏发电照明系统

2 光伏并网发电系统对电网运行的影响

2.1 对电网电压及其稳定性的影响

当光伏并网发电系统的发电容量占电网内总发电量比例逐步增大后，不仅可能对配电网内的电压控制产生影响，还可能影响到高压电网的电压特性，甚至引起电压稳定性问题。例如，某大区电网的重负荷区内安装了大量的光伏发电系统，考虑到这类地区的日照特性基本相同，当该地区的日照出现突变时，由于太阳能功率的大量减少，将导致该地区出现大量的功率缺额，若该缺额很大，则可能对该地区整个的电压质量甚至电压稳定性产生不利影响。从这一角度看，若今后要在负荷中心处大力发展光伏发电，须对该类发电系统所占的比例进行合理规划。

2.2 对电网频率的影响

当光伏并网发电系统的发电容量占电网内总发电量比例逐步增大后，由于其发电具有一定的随机性，因而可能导致电网内的频率时常出现波动。如果系统内的一次调频机组大多采用火电机组，将会在一定程度上影响到汽轮机叶片的使用寿命。因此，为今后更好地接纳大容量光伏并网发电系统发出的电能，并应对光伏并网发电系统所发电能的时变性，要求规划时重新配置电网调峰容量。

2.3 对继电保护的影响

电系统处在电能传输链的最末端，电压等级通常较低，在光伏发电等分布式发电系统投入之前，除了局部地区存在一些零星的小水电、小煤电外，配电系统中基本无电源存在。而随着光伏发电或其他分布式发电系统的大量投运，配电系统中线路上的潮流具有了双向流动的可能性。这就使得配电网中早已大量存在的继电保护装置中的很多继电器不具备方向敏感性，不可能为了新增的光伏发电或其他分布式发电系统而对现有的继电保护体系做大量改动。因此做光伏发电并网规划计算时需要使其与原有的继电保护协调配合并相适应。

3 光伏发电准入功率计算方法

进行光伏发电最大可接入容量，也就是允许的光伏发电注入电网的功率量，前提是必须保证光伏发电接入系统以后，系统仍然能安全、经济、稳定地运行。准入功率和很多运行参数有关，如短路保护，稳定，可靠性等等。把全部因素综合起来考虑准入功率，是一个不现实的方法，其得出的结果也不会具有普遍性。因此需根据接入系统要求确定光伏电站最大安装容量，计算条件主要考虑：

1）选择所接入电网运行状况最为恶劣的运行方式进行稳态分析。

2）通常光伏发电的并网逆变器输出功率因数控制在单位功率因数，因而光伏电站可设定为无功出力为零的PQ节点。

3）尽量利用变压器分接头和投切无功补偿装置等调节措施，使容量逐步增加的光伏电站满足系统的稳态运行要求，并由此确定出光伏电站最大输出功率。

在稳态分析中，所需校核稳态安全运行的约束包括：

1）节点电压约束，节点电压约束值依据国家标准和当地电力部门的规定设定。

2）线路容量约束，为保证线路长期安全可靠地运行，选取线路载流量和线路保护允许的最大负荷电流中较小者作为线路容量约束。

3）变压器容量约束。

4）发电厂有功出力和无功出力约束。

计算最大可接入容量有比较多的方法，常见的有试探法、解析法和数学优化法。试探法，即给定一个光伏发电的位置和容量，计算在各种负荷水平下电压分布和系统短路电流，如果电压分布和短路电流水平满足安全运行的要求，再增加光伏发电的容量，重复上述计算，直到光伏发电容量不能再增加为止。这种方法对于一个完全被动的配电系统，即完全采用传统的调压手段进行调压的配电系统比较有效且方便。本报告用到的算例即是这样一个配电变电站，采用试探法能满足计算要求。

架空线或者电缆线路都存在电阻，因此，电流通过时必然引起压降。压降的大小还与通过的电流有关系，以相电压的压降为例，见式（1）。式中，Z为线路的阻抗，I为流经线路的电流。

一般线路的功率因数角比较小，送端与受端电压差的幅值可以近似表示如式（2）。

式中，P、Q指的是流过线路的有功功率和无功功率；Rline和Xline分别是线路电阻和电抗，Us是送端电压大小。

一般的馈线的电抗电阻比值X/R较小，因此，线路压降与通过网络的有功功率有着很重要的关系。另外，在重负荷时，负荷的功率因数比一般情况下都要低，从式（2）可知，此时线路压降很大。在峰负荷条件下，假设负荷状态不变，也没有电压调节器和电容器的作用，馈线末端将出现最大的压降。光伏发电接入变电站馈线远端时，线路潮流发生变化，馈线电压分布也随之改变。我们假设受端节点负荷从光伏发电处得到容量 S=P1+jQ1，送端电压不变，则线路压降变为

可以看到，线路压降减小，光伏发电起到了支撑节点电压的作用。但当光伏发电容量过大的时候，受端电压将达到额定值，甚至超过送端电压。

综上所述，一个已知的配电网络，考虑其电压调整约束，其光伏发电的渗透功率将有一个最大值，这就是准入功率。

4 北京CBD商圈电网光伏发电最大接入容量计算分析

本文采用北京 CBD商业区的一个典型变电站——大北窑变电站来测算光伏电站的最大可接入容量。

大北窑变电站的等值网络结构如图2所示。大北窑站共有3台变压器，3台变压器的额定容量均为 31.5MVA，标准变比为：110/10.5kV。采用单母线分段的形式，每台变压器高压侧连接一条进线一条出线，10kV母线上带负荷运行。计算分析时，由于 10kV母线的阻抗和负荷信息不足，将其等效为一条支路，并取10kV线路的典型阻抗（0.4Ω/km）进行计算，假设大北窑 X2母线的线路最长，并将光伏电站接入此母线以校验极限容量，系统的功率因数按0.98来计算。计算分最大运行方式和最小运行方式进行。

图2 大北窑变电站等值网络结构图

利用此算例进行计算稳态判据为

1）节点电压约束，根据《电能质量供电电压允许偏差》（GB12325－90）规定电力系统在正常运行条件下，用户受电端供电电压的允许偏差为：①35kV及以上供电和对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的+5%～-5%； ②10kV及以下高压供电和低压电力用户为额定电压的+7%～-7%。

2）线路容量约束，110kV各线路载流量按系统实际参数。10kV线路按2MVA的输送容量作为约束。

3）变压器容量约束，各变压器的额定容量均为31.5MVA。

确定好各稳态约束量后，采用潮流仿真方法计算系统稳态运行允许的光伏电站最大出力，逐步增加光伏电站出力，同时观察系统各稳态约束变量是否越限。

计算时，取四种极端情况分别进行验证。这四种情况分别是系统在最大运行方式下运行，光伏电站出力最大和夜间零出力；最小运行方式下运行，光伏电站出力最大和夜间零出力。

变压器的负载率按65%来计算，利用试探法算得光伏发电的极限容量出现在最小运行方式下，极限容量为23MW。

4.1 最大运行方式

1）光伏电站出力为0

图3 最大运行方式下光伏电站出力为零时大北窑站潮流

在最大运行方式下，光伏电站出力为0时，大北窑变电站无过载线路，110kV线路都是轻载。

2）光伏电站出力最大

在光伏电站出力为极限容量23MW时，大北窑变电站线路的潮流如图4所示。

图4 最大运行方式下光伏电站出力最大时大北窑站潮流

在最大运行方式下，光伏电站满额出力时，大北窑变电站无过载线路，线路潮流如表8所示。

3）光伏电站出力从0到最大变化

当光伏电站出力从0到最大变化时，变电站各节点电压变化如图5所示。

当光伏电站出力从0到最大变化时，网络损耗如图6所示。

图5 最大运行方式下光伏电站出力变化时各节点电压

图6 最大运行方式下光伏电站出力变化时网络损耗

4.2 最小运行方式

1）光伏电站出力为0

自从那件事发生以后，老福离开了刑警队，到现在还没想好去处。老福的年纪并不大，才四十出头，看上去却像五十多岁，那张狭长的脸上布满了浅浅的皱纹，颀长的身材无论在他坐在那张转椅里还是快步行走时都好像没有重量。尤其是他那双眼睛，目光持重而锐利，熟悉的人从没觉得他年轻过。

当光伏电站夜间出力为0时，大北窑变电站的潮流如图7所示。

图7 最小运行方式下光伏电站出力为零时大北窑站潮流

在最小运行方式下，光伏电站出力为0时，大北窑变电站无过载线，110kV线路都是轻载。

2）光伏电站出力最大

当光伏电站出力为极限容量23MW时，大北窑变电站线路的潮流如图8所示。

图8 最小运行方式下光伏电站出力最大时大北窑站潮流

在最小运行方式下，光伏电站满额出力时，大北窑变电站无过载线路。

3）光伏电站出力从0到最大变化

当光伏电站出力从0到最大变化时，变电站各节点电压变化如图9所示。

图9 最小运行方式下光伏电站出力变化时各节点电压

当光伏电站出力从0到最大变化时，网络损耗如图10所示。

图10 最小运行方式下光伏电站出力变化时网络损耗

5 结论

从以上结果可以看出，因光伏发电的接入，使得原有的配电网由无源变为有源，其极限功率出现在最小运行方式下，主要受变压器容量约束。

比较各P-V曲线，可得出如下结论：

1）光伏电站接入对 110kV线路各节点电压影响很小。3台变压器均为有载调压变压器，而整个网络无功负荷很少，因此可将各节点电压维持得很好。

2）10kV线路上靠近光伏电站的节点P-V曲线先上升后下降，有越电压下限的趋势。

3）各节点电压对光伏电站出力变化的灵敏度是不同的，这与节点到光伏电站的电气距离有关。

4）优化变压器分接头和无功补偿装置的运行将有利于改善节点电压水平。

网络损耗是电网经济运行关心的一项重要指标。图2系统中，决定网络有功损耗的因素主要是重负荷线路的损耗。线路大北窑X2连接光伏电站，负荷比较轻，接入光伏电站后可分担重负荷线路的传输功率，从而起到降低网络有功损耗的作用。图6和图10显示了网络损耗随光伏电站出力变化的曲线，总有功损耗曲线呈下降趋势，表明由于光伏电站的接人降低了线路有功损耗。系统无功损耗受电压分布、线路电容等因素的影响较大，曲线呈先下降后上升趋势，光伏电站出力较小时可降低总无功损耗，在出力大于11.5MW后才会导致总无功损耗的增加。对网络损耗的分析说明，大容量并网光伏电站从轻负荷线路接人系统时可降低网络损耗。另外，如果光伏电站到负荷中心的距离较近，对网络损耗的降低作用就可能会更有效。

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