分布式电源对馈线电压偏差与用户功率因数的影响

张文青, 徐莉娜, 曹 炜, 陈奇方, 邹 凯, 王春雷

(1.国网浙江新昌县供电公司 电力调度中心,浙江 绍兴 312599; 2.上海电力学院 电气工程学院,上海 200090)

由于环境和资源的限制,世界范围内正在经历着一场能源转型.国际能源署(IEA)2015年10月25日发布的报告显示,2015年可再生能源全球装机容量已超过煤电成为第一,而中国对此有不小的贡献.2015年,我国的风力发电和光伏发电在装机容量和增速上都稳居全球第一.

由于可再生能源资源无处不在,因此分布式可再生能源发电成为充分利用自然资源,解决能源可持续发展和环境问题的重要选项.国家大力扶持与补贴光伏发展(包括分布式光伏发电),2015年我国光伏累计装机容量为4.318×107kW,其中分布式光伏占14%.

以分布式光伏为代表的分布式电源(Distnbuted Generation,DG),一方面能减轻高峰时电网的供电压力,并对配电网的馈线电压起一定的支撑作用,减少其沿线负荷点电压降低;另一方面在电网用电低谷又恰逢分布式电源满发或较大出力时,分布式电源对沿线电压的抬高作用很强,有可能造成沿线负荷点电压过高,影响负荷点的供电质量.因此,德国VDE-AR-N4105标准规定,中压并网分布式电源引起的公共连接点(PCC点)电压升高不宜超过2%[1].

但分布式电源所在点控制电压波动范围和保证功率因数达标在有些情况下是不可能兼顾的,特别是在用户的分布式电源除自发自用外还有余电上网的时候.我国物价局出台的《功率因数调整电费办法》采用经济手段对用户的功率因数进行考核[2].该考核方式有利于提高公共电网配送电能的效率,但未考虑分布式光伏等分布式电源接入对用户功率因数的影响,从而使提供电压支撑的“自发自用、余电上网”的分布式电源用户因其不可避免的功率因数的降低而增加电费支出,让这类用户陷于两难[3].

文献[3]提出,通过修订当前执行的功率因数考核办法来减少分布式电源用户因达不到功率因数考核标准而支出的调整电费.文献[4]指出,逆变器无功控制方式设置的不合理是光伏并网后功率因数下降的主要原因,将并网逆变器功率因数设为定值并加装低压侧无功补偿装置,可解决光伏并网后功率因数下降、产生惩罚电费的问题.上述文献的着力点都在改善考核用功率因数以规避惩罚电费,而并未考虑功率因数的调整将会对并网电压产生的影响.

本文从分布式电源用户的角度,主要探讨分布式电源接入配电网对配电网电压、并网点功率因数产生的影响.

1 我国分布式电源接入配电网的技术规定

为确保大电网和分布式电源的安全稳定运行,我国针对并网逆变器输出电能质量及其技术要求进行了规范,对电压偏差、频率、谐波、功率因数、直流分量、对地漏电流等性能参数作出了明确的规定,当偏离设定值出现越限时,应该能够迅速检查出偏差值并进行动作,以保证自身和大电网的安全.

1.1 分布式电源并网的电压偏差规定

分布式电源并网后,公共连接点的电压偏差应满足GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》[5]的规定,即:35 kV公共连接点电压正负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%,如供电电压上下偏差同号(均为正或负)时,按较大的偏差绝对值作为衡量依据;20 kV及以下三相公共连接点电压偏差不超过标称电压的±7%;220 V单相公共连接点电压偏差不超过标称电压的+7%,-10%.

1.2 分布式电源并网的功率因数规定

Q/GDW480—2010《分布式电源接入电网技术规定》对不同电压等级并网的分布式电源功率因数也有相应的要求规定[6],如表1所示.

表1 不同电压等级并网的分布式电源功率因数规定

2 分布式电源并网对电压的影响

我国传统配电网主要是由高压到低压的单向输配电系统,不允许潮流逆向流动,当分布式电源接入系统使并网点潮流逆流,可能会导致公共连接点电压升高并可能超过电压限值,尤其是当系统处于轻载状态时,电压升高现象尤为严重.此外,对于分布式电源并网发电系统而言,由于其输出有功功率受自然条件影响较大,当分布式发电系统输出有功功率减小时,就有可能造成并网点电压跌落,在系统重载时其电压跌落将更为严重.

取配电网中一条馈线为研究对象,线路损耗暂时忽略不计[7].设在馈线上分散分布着n个负荷,每一个负荷设为一个节点,从电源侧沿馈线方向编号,依次设为0,1,2,…,n;设每一支路的末端节点编号为该支路的节点编号,每一条支路的阻抗设为Zk=Rk+jXk;每个节点的负荷为Sk=Pk+jQk.在f点和h点接入微源DG大小分别为Sdg(f)=Pdg(f)+jQdg(f)和Sdg(h)=Pdg(h)+jQdg(h).具体的配电网结构如图1所示.

图1 加入分布式电源的配电网络结构

利用叠加原理分析计算该馈线中的线路损耗和电压分布情况.

未加入微源DG时配电网馈线电压损耗为:

l=1,2,3,…,n

(1)

各节点电压为:

(2)

当在节点f和节点h分别接入微源DG后,各支路电压损耗变为:

l=1,2,3,…,n

(3)

各节点电压变为:

(4)

比较式(1)和式(3)可知,加入分布式电源后,每一支路的电压损耗都减少了,而各节点的电压被抬高了,使整条馈线所有节点的电压升高,改善了系统的电压水平.而且随着加入的微源容量的逐渐增大,各节点电压也将被动升高得更加明显.当分布式电源接入导致功率倒流时,沿线电压可能会过分抬高,导致临近分布式电源的负荷点电压越限.

图2展示了两种极端情况(负荷重载分布式电源不发、负荷轻载分布式电源满发)下分布式电源对配电网各节点的电压影响.图2中,h点为分布式电源接入点,m点为功率分点.

图2 分布式电源对配电各节点的电压影响

3 分布式电源并网对功率因数的影响

当前电力行业执行的电力用户用电设备功率因数奖惩机制是根据《供电营业规则》以及前水利电力部国家物价局颁发的《功率因数调整电费办法》.

《供电营业规则》第41条规定[8]:无功功率应该就地平衡,高压供电的用户功率因数为0.90以上;其他电力用户和大中型电力企业功率因数为0.85以上;农业用电功率因数为0.80以上.

目前各供电企业对功率因数的考核计算一般为:在每一个受电点安装电能计量装置,根据用户每月实用有功电量和无功电量,计算月平均功率因数[8].

分布式电源发出的有功功率和无功功率将对计量表计测出的有功和无功值产生影响.以光伏发电为例,光伏并网用户有两个计量表计:一是计算用户总用电量;二是计算光伏设备发出的电能量[4].用户并网表计量的电量为用户总用电量减去光伏发电量.分布式电源所发出的有功功率越大,表计在用户并网点(PCC点)测得的电网输送的有功功率越小,这将导致其功率因数值偏低.极端情况下,若是分布式电源发出的有功功率恰好满足用户所需的有功电量,则并网点功率因数为零.

4 分布式电源并网下电压与功率因数的相互影响

由图2可知,节点电压的抬升和跌落主要受到馈线上流通的有功功率和无功功率的影响.当配电网满载且分布式电源没有出力或出力较小时,用户并网点电压较低;而当配电网轻载且分布式电源出力较大并产生余电上网时,并网点处分布式电源将输出有功功率,抬高该点电压,且对馈线上其他节点电压也有一定的抬升作用.因此,在有分布式电源的配电网中,其沿线电压波动幅度较大,影响供电电压质量,严重时可能导致用电设备无法正常使用.

若要减小沿线电压波动范围,就需要减小分布式电源节点在两种极端情况(负荷重载分布式电源不发、负荷轻载分布式电源满发)下的电压偏差.为达此目标,分布式电源用户需依据调压要求在重载不发时进行容性无功补偿,轻载满发时进行感性无功补偿.但这都会降低该用户的功率因数.

对未实行自动电压控制(AVC)的配电网来说,无功补偿通常有两个目标:一是功率因数达标;二是保证电压偏差在允许范围内.前者直接关注的是经济性,由用户配置无功补偿设备保证;后者直接关注的是供电电压幅值质量,通常由配电网运营方配置无功补偿设备保证.对没有分布式电源的普通用户来说,只要求其达到第一个目标即可,此时第一目标也有利于第二目标的实现;退一步说,普通用户即便第二目标没达到,也不是用户的责任,而是配电网公司的责任.而对有分布式电源的用户而言,当其有余电上网时,它不再是普通用户,而是有发电权的用户,当其有余电上网时,会造成其PCC点电压升高,余电上网量越大,电压升高越多.当升高到超过电压允许偏差范围时,不但对其自己的设备有不利影响,而且对该点临近的其他用户设备也会产生不利影响.因此,配电网公司可能会要求这类用户提供电压服务,将PCC点的电压偏差控制在更小范围内.

根据电路理论,当一截馈线上传输一定的有功功率和无功功率时,其末端电压为:

(5)

式中:U1,U2——馈线节点电压;

P,Q——馈线上传输的有功功率和无功功率;

R,X——馈线的电阻值和电抗值.

假设在此截馈线末端有分布式电源,则U2同时也是PCC点.馈线传输功率如图3所示.

图3 馈线传输功率示意

当R,X,P,U1一定时,由式(5)可知,如果无功补偿的目标是功率因数达标,即根据P固定一定量的Q,当有余电上网(即P<0)且量(P的绝对值)较大时,会使PCC点电压升高较多.

如果要求PCC点无功补偿的目标是电压升高但不超范围,即此时的已知量除有功功率外,还有PCC点的电压幅值U2,则根据式(5),该分布式电源一定要配置感性无功补偿设备,使Q>0,从电网中吸收一定量的无功功率以达到控制电压的目标.余电上网量越大,PCC点从电网中吸收的无功功率也越大,以控制PCC点电压上升,此时功率因数必然下降.

因此,按既有方法考核功率因数会使含分布式电源的用户特别是含分布式电源的提供电压控制服务的用户陷入两难.

5 仿真算例

采用IEEE33节点网络,在不同的运行工况下观察当有分布式电源接入时对用户端电压和功率因素的影响.

5.1 仿真场景设置

IEEE33节点的配电网算例为辐射状结构,如图4所示.

图4中,0为配网等值电源节点,额定电压为12.6 kV.设节点12为分布式电源并入点.

设置配线的3种运行工况分别为标准负载、轻载与重载,即两种极端工况和一种中间工况.这3种工况下,配线在各节点的负载总量如表2所示.设在节点12有分布式电源接入,该点的负载在3种配线工况下的值如表3所示.

图4 IEEE33节点配电网络

工况有功负载无功负载MW功率因数标况3.8792.400.85轻载1.7571.020.86重载4.9233.010.85

表3 分布式电源接入点(节点12)的节点负载

设节点12的所有负载属于一个用户,该用户内部又有分布式电源,并设其所能发出的最大有功功率为0.65 MW,所用逆变器容量为0.663 MW,即在分布式电源满发情况下,该逆变器还可发出或吸收0.13 MW的无功功率,对应功率因数为0.98.

现行的《QGDW480—2010分布式电源接入电网技术规定》规定,变流器型分布式电源接入10 kV至35 kV配电网的功率因数应在0.98(超前)～0.98(滞后)内可调.可以预计,当节点12的分布式电源按现行规定的±0.98功率因数发电时,特别是满发时,由于PCC点的有功功率明显下降,将使得关口表计量的功率因数显著下降.因此,假设该用户为了规避功率因数下降而多交电费,还为其分布式电源配备了足量的其他无功补偿装置,如并联电容器和电抗器或静态无功发生器SVG.同时,假设该用户为其分布式电源配备的并联电容器和电抗器或SVG也可用于在电网调度的要求下对该用户端电压进行电压控制.

为具有代表性,有分布式电源接入时,考虑轻载满发、重载不发、标况满发3种计算场景,分别对应馈线轻载且分布式电源满发、馈线重载且分布式电源不发、馈线标况且分布式电源满发3种运行状况.

同时,分布式电源及其配套的无功补偿也有3种运行方式,分别为按《QGDW480—2010分布式电源接入电网技术规定》要求以0.98的功率因数发电;为避免功率因数低引起的罚款而动用无功补偿按某一较高的功率因数发电;按配电网调度指令控制PCC点电压为某一数值.

5.2 仿真分析

在潮流计算中,一般负荷节点等效为PQ节点.有分布式电源接入的节点,如果不要求其进行电压控制也可等效为PQ节点,但当要求其进行电压控制时等效为PV节点.

对3种场景进行潮流计算,结果如表4所示.

由表4可知,未接入分布式电源前,3种配线工况下节点12的功率因数都高于我国《功率因数调整电费办法》规定的功率因数标准值0.85,节点12的用户可享受功率因数电费奖励.

表4 潮流计算结果

注:PDG,QDG—分布式电源逆变器输出的有功功率和无功功率;UPCC—PCC点电压标幺值;cosφPCC—PCC点功率因数;Qs—DG配套无功补偿装置输出的无功功率.表中加*的数值为该工况下潮流计算的设定值.

标况满发工况下,PCC点的电压明显提升,电压偏差缩小至±3%内.然而该点的考核用功率因数cosφPCC却大幅降低,跌破0.3,若按照《功率因数调整电费办法》中“功率因数自0.59及以下,每降低0.01,电费增加2%”的规定,分布式电源用户将产生高昂的惩罚电费.轻载满发工况下,PCC点功率因数在DG不配无功补偿时即可达0.97.这是因为此时节点12负载较小,PCC点的功率因数接近DG本身的功率因数0.98.按照《功率因数调整电费办法》可减少1.1%的电费;但此时该点的电压标幺值UPCC却达1.067,已接近±7%的电压偏差上限,若再考虑可能发生的其他因素影响,如该馈线轻载与整个电网轻载重叠而使电源点电压上升或节点12后的各点负载进一步下降等,即有可能发生电压越限现象.如果为避免电压越限,使DG按配电网调度指令控制电压不超过1.02 p.u.,则DG及其配套的无功补偿装置需吸收较大无功功率,导致该用户PCC点功率因数下降为0.42,从而又产生惩罚电费.

重载不发工况下,如DG既不发有功功率也不发无功功率,同时也不投入配套的无功补偿,节点12的用户在其自然负载和原本就具备的无功补偿下达到了较高的功率因数0.92,但该点电压接近±7%的电压偏差下限.如果此时按配电网调度指令使DG并网逆变器及其配套无功补偿装置发无功功率,将PCC点电压提高为1.02 p.u.,该点的功率因数又降低为0.27,也要面临惩罚电费.

由此可见,分布式电源确实有利于提升馈线电压,但在一定条件下有可能降低PCC点考核用功率因数,也会使接入点和临近节点的电压提升过高,使电压偏差过大.而当分布式电源为了自身的利益配套无功补偿用于控制PCC点功率因数时,仍有可能发生电压越限现象,降低馈线的电压质量.如果使分布式电源接受调度指令参与调压,在改善馈线电压、降低电压偏差的同时,又会降低PCC点考核用功率因数,增大该点功率因数考核不过关的概率,从而产生惩罚性电费,增加分布式电源用户的用电成本.

6 结 语

分布式电源对馈线电压有一定的支撑作用,但在轻载叠加分布式电源出力较大或满发时,分布式电源对馈线电压的抬升作用有可能过强,而增大馈线上负荷点的电压偏差,影响电能质量.同时含分布式电源的用户,其PCC点考核用功率因数也可能会降低.如果给分布式电源配套无功补偿装置,可提升PCC点考核用功率因数或减小电压偏差,但这两个目标在很多情况下是不能兼顾的.因此,建议一旦分布式电源按调度指令承担了电压调节任务,即相当于该DG提供了配电网无功辅助服务,则作为补偿就应该不再考核其功率因数,即不再按照功率因数调整其电费.

[1] Verband der Elektrotechnik. VDE-AR-N 4105 Power generation systems connected to the low-voltage distribution network—technical minimum requirements for the connection to and parallel operation with low-voltage distribution networks[S].Germany:VDE-Verlag,2011:26-29.

[2] 张宏炜,俞建育,卢蜻蜻,等.电力网电能损耗管理的功率因数考核指标探讨[J].华东电力,2010,22(1):45-50.

[3] 陈伟.分布式光伏发电接入对用电客户功率因数的影响及计算方法探讨[J].安徽电气工程职业技术学院学报,2015(S1):18-21.

[4] 郭松,王睿,张唯真,等.光伏发电并网对用户功率因数的影响研究[J].智能电网,2015(10):906-910.

[5] 国家技术监督局.GB 12325—2008电能质量供电电压允许偏差[S].北京:中国标准出版社,2008:1-2.

[6] 中国电力科学研究院.Q/GDW 480—2010分布式电源接入电网技术规定[S].北京:国家电网公司,2010:6-8.

[7] 蒋毅.分布式电源对配电网电压影响及优化配置硏究[D].成都:西南交通大学,2012.

[8] 水利电力部.关于颁发《功率因数调整电费办法》的通知((83)水电财字第215号)[EB/OL].[2012-04-28]https://wenku.baidu.com/view/83b8cdoc79563clec5da710c.html.