分布式发电接入村镇配电网络的影响模拟分析

高寒，漆望，张晶

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明650051）

0 前言

在现代配电网中，分布式可再生能源接入特别是分布式光伏的发展速度非常快。新能源分布式发电在配电网中的集成带来了一系列的优势，包括配电网运行的环境效益和技术优势。当电网出现电力供应不足时，大量可再生能源绿色发电可以减少电力短缺造成的损失[1]。因此，这可能会减少对集中发电和对高压输电线路建设的需求，以及传输和配电成本[2]。当可再生能源广泛应用于配电网时，不可避免地会给配电网带来各种干扰，从而导致系统电能质量问题。它包括电压波动、电压闪变和谐波三个方面[3]。在这个研究项目中，我们的研究小组将通过建模仿真的方法，研究分布式可再生能源发电与典型的村镇电网的连接对电压、潮流和带有有载调压变压器等电网设备运行的影响。并将在本文中给出仿真、建模和结果分析的过程。

1 模拟方法及建模

仿真对象为带有有载调压变压器和自动电压控制(AVC) 设备的4节点系统，线路示意图如图1所示：

图1带载调压变压器的四节点系统示意图

本部分基于SIMULINK 中的Simscape PowerSystems™模块建立仿真模型，仿真对象的相应模型图如图2所示。导入24小时时长的村镇变负荷曲线到SIMULINK 库中的动态负荷块中，并且连接到节点4上，以实现变负荷的仿真模拟，如图3所示。此负载具有固定的功率因素以及凌晨低谷，傍晚高峰的特性，其是建立在典型的村镇负荷数据的基础上的。

图2四节点系统的仿真模型

图3村镇24小时负载曲线

模拟是在Simscape的相量模式下进行的，该模式允许对24小时场景进行快速模拟。在本例中，利用Powergui中的系统潮流块可以有效地计算初始潮流。在仿真的第一部分，将变压器的有载调压功能设置为禁用。输出的有功功率和无功功率，以及节点4处的电压都将通过节点4上的视口记录下来，以便进一步分析。根据24小时内记录的电压变化，结果分析部分将讨论在规定电压限制条件下对需求和发电的影响。第二部分将打开变压器的有载调压功能，仿真过程中分接开关位置的改变也将被记录下来，讨论其对整个系统电压稳定起到的作用。在第三部分，用一个峰值功率等于4 MW、以单位功率因子运行的分布式光伏发电单元来取代普通的分布式发电单元，具体模型如图6 所示。

本模拟采用BP-SX10光伏模型，数据表（基准温度辐射条件）如表1。

表1光伏阵列单元数据表（基准温度辐射条件）

现在，可以在每个辐照度和温度条件下确定电压和电流之间的关系，并计算出相应的开路电压和短路电流。于是可以利用下式计算最大输出功率：

光伏模块仿真输出功率如下图4可见：

图4 MATLAB输出的光伏模块功率曲线

所以，一个光伏阵列单元的峰值功率可以计算出为大约14.5 W。因为光伏电站的峰值功率为4 MW，那么MATLAB函数的光伏阵列单元输出值将通过一个增益模块连接到光伏模型，这意味着将2.8万个太阳能电池阵列单元连接在一起，以满足最大的功率需求。

2 模拟结果及分析

2.1 无有载调压功能的系统模拟

在第一部分的模拟中，首先关闭了有载调压功能，得到了系统的初始潮流如下表2：

表2系统的初始潮流(基准温度辐射条件)

通过对系统的初始状态分析，可以看出分布式发电模块向大电网（平衡节点）输出了0.36 MW 的有功功率，同时也供给了负荷有功功率2.6 MW，无功功率1.95 Mvar。然而，分布式发电模块的无功输出并不能满足负荷的要求。因此，电网将供给1 Mvar 无功功率以满足负载。此外，线路和变压器造成了0.04 MW和0.04 Mvar 损耗。应用该模型并运行仿真后，可以在24小时范围内观察到节点4输出的有功功率和无功功率，如图5所示。

与负荷曲线相对比，节点4全天输出有功功率的时段为凌晨0时至下午16时，输出无功功率为凌晨4时至5时。这是由于相应的负荷需求全部由分布式发电单元完全提供，并通过径向馈线和变压器向电网输出了过量的功率。在当天余下的时间内，村镇负载处于高需求期间，分布式发电不能完全满足需求。因此，负荷不得不从电网购得额外的功率作为需求的补充。节点4的电压如图6所示。此外，如果对节点4的电压要求全天保持在标称值的±6%以内，则电压超过限值的周期可以在图6中表示。

图5节点4输出的有功及无功功率

图6节点4的电压及超限情况

经观察，节点4在凌晨4时至6时的低负荷时段中，电压超过上限。在下午16时至17时30分的高负荷时段，电压超过下限。最高峰值为1.121 pu.(标幺值)，高于上限6.1%。与此同时，最低值接近0.933 pu.(标幺值)，比下限低0.67%。在需求侧，低负荷条件下产生的过电压会对家用电器造成危害。首先是对家用电器绝缘子的应力增加，可能会降低绝缘子的使用寿命，甚至造成永久性的损害[4]。特别是一些敏感的电子设备在低负荷条件下可能会被过压损坏，质量较差的设备可能会发生故障，导致短路或火灾事故。此外，过电压会加速电机磁芯的饱和速度，引起过流和过热问题[5]。

对于高负荷时段的欠电压对需求侧的影响，一是会降低家用电器的效率，同时也会对空调、冰箱等含有电机的设备造成损坏。例如，空调的温度控制功能是通过启动和停止压缩机的内部电机来实现的[6]。欠压会降低电机的起动力矩，使电机难以起动。此外，工作电机在欠压状态下定子电流较大，可能导致电机过热甚至烧毁。在发电侧，由于电压升高，过电压会引起发电机转子表面和励磁绕组过热。同时，发电机铁芯及定子元件可能会过热。此外，定子的隔离层也有被击穿的危险。在变压器中，过电压会导致更高的磁通和更高的铁芯损耗，从而降低变压器的效率[7]。欠压时，由于定子过电流引起的过热，也会降低发电机的稳定性和输出功率。

2.2 开启有载调压功能的系统模拟

在第二部分，有载调压功能应设为启用并设置为控制节点4的电压，使其全天保持在标称值的±6%以内。除了有载调压变压器设置的变化外，其他所有参数都保持不变。并且生成变压器分接开关的位置。在应用该模型并运行仿真之前，需要对三相有载调压变压器块中的一些参数进行复位。首先,电压调节器功能应打开，因为节点4的电压需要保持或非常接近1.0，因此死区（基准值）应该设置为0.01。应用该模型并进行仿真后，如图7所示。

图7开启有载调压功能后节点4的电压

由于有载调压变压器能够将电压控制在1.0 pu 左右或非常接近1.0 pu，因此从图8中可以看出，在24 h 内，每当电压在1.0 pu 左右波动时，有载调压变压器都会在有限的范围内调节电压。有载调压的原理是将变压器一次绕组的端子按一定的匝数分开，将电源连接到不同的分接头上。当二次绕组匝数固定时，一次绕组的实际匝数是不同的。这样，不同数量的高压绕组匝数和恒定的低压绕组匝数构成了不同的比例，根据变压器的原理，低压绕组由于与高压绕组连接的分接头不同，会转化为不同的电压。一次绕组输入电压与二次绕组输出电压之比，等于它们的匝数比。该原理应用于节点4的电压控制。一天内的分接开关位置如图12 所示。通过与图对比，当电压升高时，变压器分接开关跳到了更高的位置，匝数比增大，二次侧的电压减小，所以将过电压控制到一个正常水平。同理，反之亦然。

图8有载调压变压器分接开关的位置

2.3 分布式光伏发电单元载调压功能系统模拟

在第三部分，将所设计的分布式光伏阵列单元替代前两部分的分布式发电单元。如前文图4的功率曲线所示，由于凌晨几乎没有太阳辐照，光伏单元基本没有发电。这意味着此时村镇负载需要完全由大电网供给，较大的无功需求也造成了相邻节点的压降。从图10可知，在凌晨3时至6时中的一个负荷低峰值，较低的光伏发电量也足够满足负荷的有功需求，甚至短时间向电网输送了有功功率。在早8时至下午14时，光照辐射较大的时段，光伏单元除了满足了负荷之外，将近有两个小时向电网输送富余电量。在别的时间段，特别是傍晚的用电高峰期，光伏发电量满足不了村镇负荷的用电需求，村镇需要大量向电网购电以满足需要。由图11所示，由于分布式光伏单元是运行在单位功率因素下，无法提供无功功率，所以需要大量的从电网吸收无功功率，这会给各节点造成很大的压降。在这种情况下，在原有的设置中，有载调压变压器很难把节点4的电压全天维持至1.0 pu.的电压，甚至在一段时间内，分接开关的位置可能会达到极限。因此，将有载调压变压器的匝数比设置为1:1.1，且减少了分接开关选择的时间。如图8所示，节点4电压水平标幺值在1.02 pu.到0.98 pu.之间波动，满足了电压稳定性的需要。

图9加入分布式光伏单元后节点4的电压变化情况

图10计及分布式光伏单元后变压器分接开关变化情况

图11计及分布式光伏单元后节点4有功功率变化情况

图12计及分布式光伏单元后节点4无功功率变化情况

由图9及上一部分的图8所示的对应情况的有载调压变压器分接开关的变化曲线可以观察出，其改变位置的曲线与此节点输出的有功功率曲线的形状是大体类似的。这是因为有功功率对一个节点的注入增加会提高电压等级，从而分接开关跳到更高的位置，匝数比增大以控制电压。所以分接开关的升降与节点的功率大小是正相关的。

3 结束语

本文分别在变压器的有载调压功能被禁用和启用的情况下，对一个村镇变负载配电系统进行了仿真，结果表明，有载调压功能可以将电压水平限制在特定条件下。最后，用分布式光伏发电单元接入配电网进行了仿真。研究了分布式光伏的间歇性特点导致的实际供电和需求的差异，将导致所在网络节点电压的显著波动，这就给系统带来了风险，需要有载调压才能保证系统的安全运行。本文中所调试出的SIMULINK 模型成功模拟了所需要观测的数据，具有较高的参考性和扩展性。通过后续研究加入更多的节点，导入更多的真实电网数据，及更多的发电类型如分布式风电，小生物质发电等和SVG 无功补偿等功能单元，这个模型将可以在科研教学和工程应用验证方面，提供出更多有价值的研究结果。