电压约束的台区分布式光伏最大接入容量研究

钟化兰，熊 珂，刘 珺

（华东交通大学电气与自动化学院，江西 南昌330013）

与传统的远距离输电方式相比，分布式光伏接入配电网之后降低了成本和功耗，将能源就地消纳，但是大量的使用分布式光伏并网会导致整个配电系统变为多电源系统，引起系统潮流和电压分布的变化。 由于典型居民用电负荷与光伏发电在高峰时段可能存在不匹配问题，造成电压越上限的情况，从而增加线路损耗，影响系统正常运行。 所以，解决光伏发电带来的各种隐患变得尤为重要。

目前各国已经对配电网电压控制进行了大量的研究。 贺新禹，等[1]提出了一种新的无功有功协调控制策略，根据电压幅值对节点电压进行分区，按照无功功率调控策略对配电网进行无功补偿使电压更趋于理想范围。 姚宏民，等[2]提出了一种采用蒙特卡洛随机法模拟评估配电网的光伏消纳能力，并提出基于光伏逆变器的电压阶段控制策略以缓解电压越限问题。 范元亮，等[3]研究了光伏模块的输出趋势曲线，并尝试使用函数的方法揭示不产生过电压情况下，光伏的最大允许接入容量。 目前，光伏定容研究通过建立配电线路光伏及负荷的概率潮流模型，以容量最大、配电网对主网电能需求最小、电网年运行费用最低、环境效益等多个因素为目标，利用遗传算法[4]、粒子群算法、生物地理学优化算法[5]、启发式人工鱼群算法等人工智能算法进行求解。 然而这些方法的验证效果未知。 在此背景下，提出一种台区配电线路光伏接入容量评估模型与方法。 通过灵敏度分析，得出线路可消纳的最大光伏容量，求出线路各个参数的灵敏系数，从而求出在不过载的情况下可接入的最大光伏容量。

1 分布式发电对配网电压影响机理

1.1 单个光伏发电接入的情况

线路上带有N 个用户，第n 个用户视在功率为Pn+jQn（n =1，2，…，N），Pn和Qn分别为视在功率的实部和虚部，其中Pn的单位为MW，线路上第n 户所在位置电压为Un（n=1，2，…，N），第n-1 和n 个用户之间线路阻抗为Rn+jXn=ln(r+jx)，其中ln为第n-1 和n 个用户之间线路的长度，r 和x 分别为单位长度线路的电阻和电抗，用户p 接入的建筑光伏容量为Pv。

1.2 多个光伏发电接入的情况

线路上有多个用户均装有屋顶光伏，没有建设屋顶光伏的用户光伏发电容量按0 考虑。

所有光伏发电接入后，同理忽略无功功率作用后m 点电压为

式中，Pvn为第n 个用户接入光伏发电的容量。 由上式可知，m 点和m 点向后所有负荷有功功率之和大于所有光伏发电功率之和时，电压降低；m 点和m 点向后所有负荷有功功率之和小于所有光伏发电功率之和时，电压升高。 线路上的最高电压视具体分布情况而定，若要满足光伏接入后不出现高电压情况，则其值应小于电压偏差规定的最高点压Umax。

2 以电压为约束条件的台区分布式光伏最大容量评估模型

2.1 集中单个接入光伏容量线性化评估模型

分布式光伏最大接入容量的约束条件为电压不越上限，则各个用户的节点电压都不能超过上限值。 由前文分析可知，各节点电压与V0，P，Q，R，X 有关，各节点电压可写作

评估模型的约束条件为

式中，N 为台区线路节点集。

2.2 单个接入光伏容量系数及修正参数确定

在基态线路模型的基础上（配变50 kW, 线径LGJ-25 mm2，供电半径1 km，10%的负载率），保持其他变量不变，依次修改线路的特征参数，通过潮流计算得到当电压不越上限时配电线路的最大接入容量，并求出光伏最大接入容量与各变量：供电半径、线径、配变容量以及负载率的函数关系式，经数据曲线拟合，可获得光伏消纳比对该参数的灵敏度。

由此获得光伏消纳比对该参数的灵敏系数如表1 所示。

表1 光伏消纳比对该参数的灵敏度Tab.1 Sensitivity of PV absorption ratio to the parameter

表2 光伏接入位置系数Tab.2 Coefficient of photovoltaic access location

故考虑位置因素βL′的具体取值如下

2.3 分散式接入光伏容量评估模型

单个光伏集中接入的场景，适用于考虑台区最坏接入情况。 但是台区光伏接入往往是多点分散式接入，为了充分利用光伏消纳能力，提高清洁能源发电量，本节中建立一种台区分散式接入光伏容量评估模型以更好的计算台区光伏最大接入容量。

本节中，采用图2 的系统为例，线路电压等级为380 V，线路型号为LGJ-25 mm2，线路上共有10 个用户接入。 在基态线路模型的基础上，保持其他变量不变，依次修改线路的特征参数，通过潮流计算得到当电压不越上限时配电线路的光伏最大接入容量。

表3-表5 分别阐述了不同线径、不同线长、不同配变容量以及不同负载下的最大光伏接入容量。

表3 不同线径下光伏最大接入容量变化Tab.3 Variation of PV maximum access capacity under different wire diameters

表4 不同配变容量下光伏最大接入容量变化Tab.4 Variation of PV maximum access capacity under different distribution variable capacity

表5 不同供电半径下光伏最大接入容量变化Tab.5 Variation of PV maximum access capacity under different power supply radii

分析表格中数据，利用数据拟合可分别求出光伏最大接入容量与各变量：线径、供电半径、配变容量以及负载率的函数关系式，可由此获得光伏消纳比对该参数的灵敏度。 接着我们通过相同的方法对最大接入容量随供电半径变化求出对应的拟合曲线。 其中，y 为每户接入容量，x 为基值10%的负载率。 拟合曲线可得：y=0.010 04x+0.028 09；故βL′的具体取值为：βL′=[4.57，-0.087 93，0.084 51，0.100 4，0.134 5]。

3 有效性验证

以湖溪塔元公变台区、湖溪中格田台区为例，两台区目前已接容量分别为15，30 kW。 湖溪塔元公变台区参数为：供电半径为614 m，配变容量为30 kW，配变档位为3 档，供电线径25 mm2；湖溪中格田台区，供电半径达1 100 m，配变容量为30 kW，供电线径为25 mm2。 根据台区线路现况，将参数供电半径、线型、线径、负载率、配变高压侧电压、配变档位、配变容量、接入位置输入EXCEL 中。通过台区分布式光伏最大接入容量计算软件可计算出最大容量。 表6（最大接入容量一栏）为软件计算结果。 由结果可知，湖溪塔元公变台区、湖溪中格田台区最大接入容量分别为7，20 kW。 表明当前接入容量超出可接最大接入容量。

为了改善超出最大接入容量所带来的配电网高电压问题，根据第2 章节中讨论的影响光伏接入容量因素，考虑改造配变容量、线径等条件，运用软件重新计算，可推导出在满足已接光伏容量下线路所需的改造，如表1 所示。 对比改造前后台区的接入容量，改造后可接最大容量分别为18，36 kW，超出了已接容量，满足不出现高电压的要求。

表6 台区改造前后光伏容量对比Tab.6 Comparison of photovoltaic capacity before and after substation transformation

4 结论

本文针对分布式光伏可接入最大容量问题做出了一系列研究。根据配电线路的特点建立了2 个数据模型；求出了光伏最大接入容量与线径、供电半径、配变容量以及负载率的函数关系式；经数据曲线拟合，求出了参数灵敏度；最后利用已有的计算软件对模型进行了验证。 由结果可知，该方法有一定的合理性和时效性。 后续还将对源头问题做一些研究，从电压等级、接线方式、调控手段等方面入手，重点加强设计评审和接入评估。 将问题解决在初始阶段。 对还未接入的光伏扶贫项目，做好在接入前的光伏容量评估工作。 从源头把光伏接入对配电网电压带来的影响降到最低。