满足电压质量条件下分布式光伏电源接入中压配电网的研究

2022-03-25黄炜严永文李辉陈皓东丁若阳

云南电力技术 2022年1期

黄炜，严永文，李辉，陈皓东，丁若阳

（云南电网有限责任公司曲靖供电局，云南曲靖 655000）

0 前言

当前，传统能源的不断消耗和对环境的破坏已无法满足世界发展需求，世界各国纷纷开始对新能源进行研究[1-2]。而大多数新能源中太阳能光伏发电由于其灵活经济，成为国内外专家学者的关注重点。为了更好地打赢脱贫攻坚战，满足人民日益对美好生活向往的电力需求，大量的光伏扶贫工程被接入配电网。大量无规律无约束的分布式电源接入配电网则会对电压质量造成比较严重的影响[3-5]。因此，在配电网规划阶段就有必要对分布式光伏电源接入的容量和位置进行合理约束和优化。

目前应对大量分布式光伏接入配电网的大多数做法是先接入然后通过协调控制的方法来提高接入容量，但是过程相对比较复杂，通信要求较高，且建设成本和后期维护费用较高。实际上，在分布式光伏电源接入前根据10 kV线路上的负荷分布情况对分布式光伏电源的位置进行提前规划，即使不对接入的分布式光伏电源进行协调控制，也能通过合理的规划与10 kV线的负荷进行匹配得到较高的接入容量。

为了得到满足电压质量条件下，负荷和分布式光伏电源在沿10 kV线路不同分布的情况下，分布式光伏电源接入的容量范围。本文根据10 kV线路上负荷分布情况与分布式光伏电源接入的容量和位置进行匹配，得到36种典型匹配场景下满足电压质量条件下的分布式光伏电源的可接入容量区域，为分布式光伏电源规划接入中压配电网阶段提供参考依据。

1 理论分析

1.1 含分布式光伏馈线建模

对于正常运行的10 kV线路而言，无论何种接线形式都可等效为一个单电源辐射状接线。由于配电网10 kV主干线长度较短、电压等级较低，在对10 kV线路进行分析过程中，可以略去线路之间的互感和对地分布电容，而只线路本身的自阻抗。在整个分析过程中对于负荷采用恒功率静态模型并假设三相负荷平衡，10 kV母线以上系统等效为无限大功率系统。10 kV母线电压近似为额定电压UN。综合上述的等效分析，建立分布式光伏电源接入10 kV配电网的拓扑模型，如下图1所示。

图1 分布式光伏接入配电网数学模型

对于等效的10 kV线路模型，沿线共设n个节点，并且在每个节点上都等效的装接负荷和分布式光伏电源，如果该节点未有负荷或分布光伏电源接入时，可将相应节点容量等效为零。为了便于分析计算对图1中参数进行定义，如表1所示。

表1 相关参数定义

续表：

根据上述定义，有：

1.2 电压质量分析

分布式光伏电源接入10 kV配电网对电压质量方面的影响主要是电压偏差、电压波动和谐波畸变三个指标，而此三个指标中电压偏差和电压波动又突出的对10 kV配电网影响较大，因此应重点对分布式光伏电源接入引起的电压偏差和电压波动进行研究分析。

1.2.1 电压偏差分析

根据图1所建立模型可知，分布式电源未接入时，节点k的电压偏差可表示为：

分布式光伏电源接入电网后，对10 kV线路上电压具有一定的抬升作用，因此可以得到k节点的电压偏差ΔUk%为：

整理后可得：

将10 kV线路的导线型号近似的认为始终一致，r0+jx0为10 kV线路每公里的等值阻抗，则10 kV线路的抗阻比Kz为：

将10 kV母线以上电源侧的系统阻抗忽略后，距离母线lk处第k个节点的短路容量Slk近似为：

1.2.2 电压波动分析

由于光照的不确定性和随机性，分布式光伏电源通常最大输出功率受外界因素的影响较为明显，在产生电压偏差的同时，还会引起比较明显的电压波动。假设分布式光伏电源波动功率占其额定输出功率的比例为λ，近似的认为同一10 kV线路上的分布式光伏的功率同时波动，则距10 kV母线距离为lk处，单纯由分布式光伏电源引起10 kV线路上第k个节点的电压波动dpv.k%为：

将式（6）代入式（14）中可得：

1.2.2 电压偏差和电压波动综合分析

为了在分析过程能够更加系统并不失一般性的分析10 kV线路的负荷分布情况和分布式光伏在10 kV线路接入的各种分布情况下的电压偏差和电压波动，设沿10 kV线路长度x的负荷有功功率的分布函数为pL(x)，分布式光伏有功功率沿10 kV线路长度x的分布函数为pPV(x)，10 kV线路主干线总长度为L。

由（12）可知，沿10 kV线路负荷和分布式光伏电源任意分布下，10 kV线路上距母线距离为lk处的电压偏差为：

将式（12）和（13）代入（16）有：

又由（15）可知，沿10 kV线路负荷和分布式光伏电源各种分布条件下，10 kV线路上距母线距离为lk处的电压波动为：

将（12）和（13）代入（18）有：

1.3 分布式光伏电源接入容量区域

在匹配现有10 kV线路负荷分布的情况下，满足用户电压质量条件下，分布式光伏电源接入10 kV线路不同位置的允许接入容量必须同时满足以下3个条件：

1）分布式光伏电源正常运行时，整条10 kV线路上的电压偏差不越额定电压的上限；

2）分布式光伏电源退出运行时，整条10 kV线路上的电压偏差不越额定电压的下限；

3）整条10 kV线路上单纯由分布式光伏电源波动引起的电压波动满足国家标准要求。

本节综合上述3个条件从配电网规划角度出发，对分布式电源接入10 kV不同位置下允许接入的分布式光伏电源的容量区域范围进行分析。其中ΔUPV.S%表示电压偏差国家标准值，ΔdPV.S%表示电压波动国家标准值。

在整个分析过程，按照最大分析法，对电压偏差和电压波动最严重的位置进行分析，只要在该位置保证电压偏差和电压波动不越限，则能保证整条10 kV线路上的电压偏差和电压波动都不会越限，通过规划根据10 kV线路上负荷分布情况结合分布式光伏电源接入的容量和位置，则都能够满足电压质量要求。

为了更进一步研究分析分布式光伏电源接入10 kV线路后，电压偏差最严重的位置，对式（17）在0＜lk＜L上进行不等式处理。

其中令：

[tan(arccosφ2)]由式（13）可以得到第k个节点的短路容量Slk与距母线的距离lk成反比，由此Slk＞SL，则有式（20）不等式关系：

当分布式光伏电源投入运行时，电压被抬高，则此时电压偏差在距离10 kV母线lkmax1处最大，电压偏差应保证其上限不越限，必须满足：

对式（21）进行整理分析，得到分布式光伏电源投入运行后电压偏差不越上限，满足条件1）的约束条件：

当分布式电源退出运行后，10 kV线路上距离10 kV母线lk处的电压偏差为：

设分布式光伏退出运行后，由沿10 kV线路分布的现有负荷引起的电压下偏差在距离母线lkmax2处最大，其电压偏差下限必须满足条件2）的约束条件：

设分布式光伏电源投入运行后，单纯由分布式光伏电源产生的电压波动在距离10 kV母线lkmax3处最大，其电压波动必须满足条件3）约束条件：

综合分析，对于10 kV线路负荷和分布式光伏电源沿10 kV线路任意分布的情况下，分布式光伏接入10 kV线路的容量必须同时满足1.3小节中的3个约束条件，于是得到式（22）、（24）和（25）共同围成图2中的阴影部分区域。

图2 分布式光伏电源允许接入的容量范围

2 典型场景分析

2.1 典型分布函数

由于线路上的负荷和分布式光伏接入10 kV线路的情况存在多样性，为了便于分析并不失一般性结合实际中压配电网运行情况，负荷和分布式光伏电源沿10 kV线路分布按照6种典型分布规律进行研究，包括：末端集中、递增分布、均匀分布、递减分布、中间大两头小分布和中间小两头大分布[18]。

2.2 6种典型分布下约束条件

分别将表2中的6种典型分布函数代入到式（22）和（24）中，得到6种典型分布情况下满足电压偏差值不越限的约束条件。采用最大分析法，只要保证10 kV线路上距离10 kV母线引起的最大的电压偏差和电压波动不越限，则可保证整条10 kV线路上的电压偏差和电压波动在分布式光伏电源接入后都不会越限，故在具体分析过程中按照引起电压偏差或电压波动最严重的位置进行计算分析。按照负荷和分布式光伏电源沿10 kV线路分布的6种典型分布，可得到共计36种典型组合。限于篇幅本节分析过程中只取1种典型组合给出具体研究方法，其他35种典型组合可按照此研究方法进行研究分析，在此不再赘述。

表2 典型分布规律的分布函数

B组合：负荷沿10 kV线路递减分布,分布式光伏容量沿10 kV线路递增分布。

则得到B组合下距离10 kV母线lk处的电压偏差为：

即：

则分布式光伏电源按B组合接入的约束条件为：

综合上分析，按B组合规划建设满足电压偏差值不越上限的约束条件为：

当分布式光伏电源退出电网运行后，电压就被拉低将引起低电压，由式（23）可知，按照B组合进行规划建设下的电压偏差为：

同理对式（31）进行引起电压偏差越下限最严重的位置进行分析，则由式（24）则可知，按照B组合进行负荷和分布式光伏电源规划建设都能满足电压偏差不越上限要求，因此得到10 kV线路末端的电压偏差上限的约束：

2.3 6种典型分布下满足电压偏差不越限的约束条件分析

结合分布式光伏电源沿10 kV线路的6种典型接入情况，得到满足电压波动不越限的约束条件。将表2中的分布函数分别代入式(16)中，得到不同典型分布下距离10 kV母线lk处的电压波动，如表3所示。

表3 6种典型分布下单纯由分布式光伏引起的电压波动

对表3中10 kV线路上引起电压波动最严重的位置进行分析，得到6种沿10 kV线路典型分布下由分布式光伏电源单纯引起的电压波动均在末端L处最严重。则得到分布式光伏电源电压波动不越限值的约束条件，如表4所示。

表4 电压波动下的约束条件

3 实例分析

综合上述分析，得到按照B组合进行规划建设（即，负荷沿10 kV线路递减分布，分布光伏电源沿10 kV线路递减分布）满足电压质量要求下的允许接入容量区域如下图3所示，其他35种组合允许入容量区域均可通过上述研究方法类似的得到。

图3 组合A分布式光伏可接入容量区域

根据实际工程建设情况，分析计算10 kV典型参数下按照B组合进行规划建设的分布式光伏电源可接入的具体容量区域。对于大多数10 kV线路的用户低压侧都装设有无功自动补偿装置，则在计算过程中负荷的功率因数取0.95，配变无功损耗的幅值占配变额定容量的比率取均值2.5%。分布式光伏电源属于逆变器型并网，其并网功率因数在-0.95到0.95之间，近似的忽略无功功率对10 kV线路的影响，假设分布式光伏电源的发出有功功率且不参与10 kV线路电压调节。根据分布式光电源实际运行的数据分析，分布式光伏电源输出功率的变化幅度一般不会超过其输出最大功率的一半[6]，即λ=2。电压偏差值和电压波动值分别取国家电能质量标准限值，即ΔUPV.S取下偏差-0.07和上偏差+0.07，ΔdPV.S取0.03[7-8]。

按照规划技术指导原则城镇配电网的供电半径按L=6km考虑，乡镇配电网的供电半径按L=15km考虑。

基于上述数据，分别得到：

YJV-120（r=0.1530 Ω/km,x=0.08 Ω/km）在配变容量比β=75%时；

LJG-120（r=0.1962 Ω/km,x=0.35 Ω/km）在配变容量比β=75%时；

YJLV-120（r=0.2530 Ω/km,x=0.08 Ω/km）在配变容量比β=75%时城镇配电网和乡镇配电网的分布式光伏可接入容量区域如图4～图7所示。

图7 B组合下YJLV-120配变容量比为75%时城镇配电网的允许接入容量区域

根据图4～7可以得出不同线型和不同供电半径在B组合下分布式光伏电源的可接入容量区域。对于不同的分布情况，根据实际需求按照对应组合下的阴影区域进行规划建设，则接入的分布式光伏电源容量则能满足电压质量要求。当接入的分布式光伏电源容量超过对应的组合下的接入容量范围时，可以调整规划思路按照满足要求的接入容量区域范围进行规划建设，保证分布式光伏容量与10 kV线路上的负荷进行优化匹配满足分布式光伏电源接入要求。