低压配电网中新能源接入的影响

2023-11-27甘新

通信电源技术 2023年18期

甘新

（国网重庆市电力公司市北供电分公司，重庆 401100）

0 引言

电力系统是现代社会不可或缺的基础设施，而低压配电网作为电力系统的重要组成部分，直接关系到用户的供电质量。近年来，由于太阳能和风能等新能源具备清洁和可再生的特点，得到了广泛的关注和快速的发展，越来越多的新能源发电设备被接入低压配电网中。然而，与传统的电力发电方式相比，新能源具有明显的不稳定性和不连续性，这给低压配电网带来了很大的技术挑战。如何确保在大量新能源接入的情况下，低压配电网的稳定、安全和高效运行，是当前需要解决的问题。

1 低压配电网的定义和特点

低压配电网通常指工作电压在1 kV 以下的电网，是电力系统的最后一环，直接为终端用户提供电能。根据统计，全球约有80%的电力负载连接在低压配电网上。低压电配电网具有电压等级低、线路短、分布广泛以及用户类型多样等显著特征。由于其接近用户端，容易受到各种负载变化、新能源接入和其他分布式资源的影响。与高电压和中电压电网相比，低压配电网的防护和控制要求更复杂和严格，需要考虑多种因素，如电流谐波、电压偏差和不平衡等[1]。

2 新能源接入的技术挑战

2.1 接入位置与接入容量的选择

新能源接入低压配电网如图1 所示。

图1 新能源接入低压配电网

接入位置与接入容量对于新能源在低压配电网中的稳定运行和整体电网健康有决定性的影响。接入位置不仅决定了电压分布和线损，而且影响着系统的阻抗特性和故障电流大小。若选择接入点在线路末端，可能导致该点电压显著升高，需满足电压约束|Ui|≤Umax；不当的接入位置可能引发电流不平衡和设备过载。

接入容量是描述新能源系统最大输出功率的参数，表达式为

式中：Srated为新能源系统的额定容量；PF为功率因数。过大的Pmax可能超出低压配电网的承载能力，引发电网设备过载和电压质量问题。因此，合理选择接入位置和容量，确保电网内电压、电流和设备均在安全工作范围内，是新能源顺利接入低压配电网的关键[2]。

2.2 电网电压的波动

电网电压的波动在低压配电系统中是一个至关重要的问题，尤其是当新能源，如太阳能和风能被大量接入时。由于新能源的出力具有随机性和间歇性，导致供电功率的快速变化。以太阳能光伏系统为例，其输出功率与太阳辐射密度成正比，而天气条件，如云层的快速移动会使辐射密度瞬间变化，从而引起电压的快速波动。电网电压的瞬时波动可以用电压偏差率来描述。电压偏差率为

式中：U为实际电压；Unom为名义电压。当|ΔU|超过规定的阈值时，可能对电网设备造成损害，并降低用户端的用电质量。为了确保电网的稳定运行，必须采取措施，如控制电压和优化新能源输出，以减小因新能源接入导致的电压波动[3]。

2.3 电流谐波与不平衡问题

在低压配电网中，随着各类非线性电气设备和新能源的广泛接入，电流谐波和电流不平衡问题日益突出。电流谐波产生的原因主要是由于非线性负载如变频器、整流器等设备在工作时，对电流波形造成畸变，导致电网中存在除基波外的高频分量。这些谐波会导致配电网出现设备过热、额外能耗增加、保护设备误动作等问题，并且可能干扰其他敏感设备的正常工作。电流不平衡则主要是由于三相负载不均或电网结构导致的三相电流不等大，这将引发额外的线损，降低设备使用寿命，还可能导致电压不平衡。

3 低压配电网的改进与优化策略

3.1 拓扑结构的优化

低压配电网的拓扑结构优化是确保电网高效、稳定运行的关键环节。传统的放射式结构可能无法满足分布式新能源的接入和变化的负荷需求。针对这一问题，拓扑结构优化的目标是实现电网的灵活性、可靠性与高效性。首先，通过引入集成驱动电子设备（Integrated Drive Electronics，IDE）网状拓扑结构（见图2），提高系统的冗余性，确保单点故障不会影响整个网络的运行。其次，智能开关和断路器的应用可以实现快速的故障隔离和供电恢复。最后，配电网的拓扑结构也应与地理、经济和技术条件相结合，例如根据负荷分布选择合适的接入点、调整线路长度和分支数以减少电损和增加电网弹性。

图2 新能源接入低压配电网拓扑结构优化

3.2 采用先进的电力电子设备

随着电力电子技术的快速发展，采用先进的电力电子设备成为优化低压配电网性能的有效策略。先进的电力电子设备，如柔性交流输电系统（Flexible Alternative Current Transmission Systems，FACTS）、静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）、各种类型的电力变换器等，都可以提供高度的动态调控能力，有效地管理电压、频率和功率流动，确保电网稳定运行。例如，通过应用STATCOM，可以实时调整无功功率，进而实现电压的快速稳定和调控。同时，先进的逆变器技术可确保分布式能源资源如光伏和风电与低压电网的无缝集成，提高能源利用效率并降低电力损失[4]。此外，电力电子设备可以提供优良的调谐与滤波功能，有助于抑制电流谐波和电压波动，保障电力品质。

3.3 智能配网与分布式控制策略

智能配网是指采用先进的通信、自动化和信息技术，实现电网的自我修复、优化、适应以及保护功能的电力配电网络。随着分布式能源资源，如太阳能、风能等在低压配电网中的广泛接入，传统的集中控制策略已难以满足复杂、动态变化的电网运行需求。分布式控制策略应运而生，该策略允许电网中的每个节点或聚合的节点群根据其本地信息做出决策，从而提高电网的运行效率和韧性。该策略可以更好地应对不确定性和故障，确保电网的稳定和可靠运行。通过引入智能传感器、先进的通信技术和大数据分析工具，智能配网能够实时监测、预测和调控电网状态，进而实现需求响应、峰值削减和电能质量管理等高级功能。同时，分布式控制策略为电网提供了更加灵活和自适应的控制手段，可实现故障快速定位、隔离和恢复，增强电网对各种扰动和故障的韧性。

3.4 电能存储系统的应用

电能存储系统（Energy Storage System，ESS）是现代电力系统中的关键技术，它在确保电网稳定、提高可再生能源接入和满足负荷波动中起到至关重要的作用。ESS 通过转化、存储和再次释放电能，能够有效地平衡供需关系，减少供电中断，从而提高电力系统的可靠性和弹性。在大量的可再生能源被并入电网时，其输出的间歇性和不可预测性可能导致电网电压和频率的波动，ESS 可以即时吸收或释放电能，有助于消除这些波动，确保电网的稳定运行。此外，电能存储系统可以参与电价套利，即在电价低时储存电能，在电价高时释放电能，从而实现经济效益[5]。随着电池技术，特别是锂离子电池技术的持续进步，ESS成本持续下降，而寿命和能量密度则持续提高，使其在低压配电网中的应用越来越广泛。

4 实验研究与模拟分析

4.1 实验条件设定

为探索低压配电网在新能源接入下的运行表现并验证所提出的优化策略，设计了一系列实验研究。选取了典型的低压配电网模型，该模型结构包括不同规模的家庭、商业和工业负荷、不同容量和类型的可再生能源发电装置。

实验环境建立在高性能计算平台上，采用MATLAB 软件进行模拟。实验时间跨度设置为1 d，时间步长为1 min，能够捕捉到日常运行中的细微变化。

电网模型参数如电阻、电感、电容等基于真实数据进行设置。新能源的输出模拟基于真实的气象数据，如太阳辐射和风速，以确保模拟结果的真实性。电网负荷数据基于典型的家庭和商业负荷日负荷曲线。

为考察不同情景下电网的表现，实验设定了几种不同的场景，分别为无新能源接入的传统低压配电网、只有太阳能接入、只有风能接入以及太阳能和风能混合接入。

4.2 结果分析与讨论

不同的场景下的实验结果如表1 所示。

表1 实验结果

从表1 可以看出，各个场景下配电网的电压值均维持在合理范围，但新能源接入后的电压波动略有增大，可能是太阳能和风能输出的间歇性和不确定性所致。在只有太阳能接入和只有风能接入的场景中，负荷供应率略有下降，表明新能源接入会对电网的稳定供电能力产生一定影响。且新能源接入后的损耗都有所降低。表明虽然新能源的接入带来了电压和供应的挑战，但是其在提高电网效率方面具有潜在优势，尤其是在太阳能和风能混合接入的场景中，其电能损耗最低，这可能是因为2 种能源的互补性减少了输出的波动。