基于越限风险评估的分布式光伏电源接入配电网适应性研究

王 洲, 杨昌海, 彭 婧, 杨婷婷, 白永利

(国网甘肃省电力公司经济技术研究院, 甘肃 兰州 730050)

太阳能是我国重要的可再生能源之一，分布式光伏己经成为太阳能利用的重要途径.近年来，由于分布式光伏发电成本降低、技术成熟及政策利好等原因，使得分布式光伏发电得到较大发展.

随着区域分布式光伏渗透率的不断增大，配电网逐步由传统的无源、潮流单向向有源、潮流双向转变，并对配电网的安全稳定运行造成一定的冲击.特别是在偏远农村光伏扶贫地区，由于配电网自动化水平较低，大规模分布式光伏并网已经给当地配电网带来了巨大的挑战，个别地区甚至出现了电压越限、潮流越限及潮流向上一级电网倒送等一系列问题，因此基于风险评估方法研究分布式光伏接入配电网的适应性，有利于为分布式光伏的安全并网提供科学合理的技术指导和政策支撑.

现有部分研究工作集中于分布式光伏接入配电网引起的电压波动和潮流越限分析.黄炜等[1]建立了分布式电源(DG，distributed generator)引起的电压偏差和电压波动模型，分析了DG可接入电源容量极限；刘健等[2]以城市配电网和农村配电网典型参数为例，建立了DG在各种分布下引起的电压波动数学模型，研究了允许接入的DG准入容量范围；李升[3]建立了DG接入0.4 kV配电网典型仿真模型，分析了在DG接入配电网线路发生故障时，DG出口母线暂态电压的稳定性；郭鹏超等[4]在考虑无功负荷和线路阻抗的情况下，分析了DG不同接入位置对准入容量极限的影响；Abad、Al-Saadi等[5-6]从配电网规划可靠性角度分析了DG接入对配电网的安全稳定运行的影响；李清然等[7]提出了DG的有功/无功综合控制方案，能够在节点电压越限的情况下，利用逆变器吸收感性无功功率，有效避免由DG接入引起的电压越限问题；赵波等[8]建立了合理的光伏渗透率指标群，通过研究DG容量对光伏渗透率指标群的影响来确定DG接入配电网准入容量，为区域配电网分布式光伏电源发展规划提供参考;刘健、李滨等[9-10]在接入点母线电压允许上限的前提下，推导了电压越限临界点对应的允许DG接入最大容量模型.

但是在实际工程中，分布式光伏接入配电网准入容量受并网点线路截面、变电站容量、网架结构等多方面条件的限制.与以上文献采用的电压偏差分析方法不同的是，本文在考虑配电网节点电压和支路潮流风险越限评估，对分布式电源的准入容量进行分析和计算的基础上，还考虑了支路潮流双向流动、分布式光伏可为就近负荷提供备用电源的现实因素,即在对含分布式光伏的配电网风险评估时，在传统的电压偏差评估体系基础上进行了优化改进.通过选取甘肃光伏扶贫重点区域通渭县配电网网架典型案例，验证了基于风险评估方法研究分布式光伏接入配电网适应性的合理性和正确性.

1 分布式光伏电源接网拓扑

1.1 分布式光伏电源接网拓扑

由于分布式光伏电源自身特点，其可以灵活地选择并网方式和并网点，如图1所示.分布式光伏通过电源输出汇总点或升压站高压侧母线节点并入配电网，接入点为电源上网负荷和下网负荷的潮流汇集平衡点，分布式光伏系统通过公共连接点与公用大电网相连，实现电能的双向流通.

通常分布式光伏接入配电网的技术要求与其装机容量密切相关，并网容量需与并网点电压等级相匹配.并网电压等级应根据电网条件，通过技术经济比选论证确定.

1.2 分布式光伏接入配电网典型模式

根据分布式电源接入系统典型设计规范和算例分析区域通渭地区分布式光伏电源接入配电网实际网架，分布式光伏电源在不同电压等级下并网典型接线有3种模式,如图2所示.

2 研究模型建立

2.1 分布式光伏电源建模

根据电子学理论，太阳能光伏电池的等效电路如图3所示.

太阳能光伏电池的发电状态的电流方程为

I=Iph-Id-Ish

(1)

由电子学理论可知，太阳能光伏电池的数学模型可等效为

(2)

式中:I为光伏电池输出电流;V为光伏电池输出电压;Iph为光生电流;I0为二极管饱和电流;Ish为流过二极管的电流;q为电子的电荷量;Rsh为光伏电池的并联电阻;Rs为光伏电池的串联电阻;A为二极管特性因子;K为玻尔兹曼常数;T为光伏电池温度.

本文在光伏电源建模中考虑以下近似条件，在光伏电池中，并联电阻Rsh阻值很大，而串联电阻Rs阻值则非常小，使得(V+RsI)/Rsh远小于光伏电池的电流，通常将该项忽略，则下面两式成立：

此外，还需要考虑光伏电池处于最大功率点和开路状态情况条件下，电压和电流的关系.

1) 处于最大功率点时，V=Vm，I=Im，则

(5)

2) 开路状态下，V=Voc，I=0，则

(6)

综合以上对光伏电池数学模型的分析，可将式(4)简化为

I=Isc[1-C1(eV/(C2Voc)-1)]

(7)

本模型只需要输入太阳电池通常的技术参数Isc、Voc、Im、Vm，就可以根据下式得出C1、C2：

C1=eV/(C2Voc)(1-Im/Ic)

(8)

(9)

最后得出太阳电池的I-V特性曲线.

2.2 网络结构选取

根据上文建立的光伏电源数学模型，在MATLAB/simulink环境下，搭建分布式光伏电源仿真模型，以通渭县配电网网架实际参数进行仿真.分布式光伏电源以图2所示接线模式接入IEEE34标准节点配电网络系统，进行分布式光伏电源接入配电网适应性研究，系统接线如图4所示.

该系统基准电压为24.9 kV，根节点参考电压为1.03 p.u.=25.647 kV，系统基准容量S=1 MVA，厂站端分布式电源按图2模式接入.本文通过调整分布式光伏电源的位置与容量，分别计算配电网系统的电压与潮流的越限概率以及电压与潮流越限的风险值.通过风险值指标，确定分布式电源的规划接入位置与容量.

3 基于电压和潮流越限的风险评估指标模型

建立风险评估指标，通过概率与后果两个因素来综合反应由分布式光伏引起的电压和潮流越限可能性和严重性.本文对分布式光伏接入配电网适应性主要基于电压与潮流越限的风险值指标进行研究.根据不同位置不同容量的光伏电源接入对风险指标的影响来确定分布式光伏接入容量和接入点.

本文主要考虑分布式电源的随机出力扰动和负荷波动给配电网运行带来的风险，建立节点电压越限和支路潮流越限评估指标来定量评价系统的安全风险水平.运用随机潮流计算所得的节点电压和支路潮流的概率分布，求出其概率密度函数和累积分布函数，根据累积分布函数求得各节点电压和支路潮流越限的概率，再通过建立的严重度指标求出越限风险大小.

1) 节点电压越限风险指标

分布式光伏电源接入配电网节点i电压越上限和越下限的概率计算公式如下：

(10)

采用电压偏移量作为风险定义中的严重性后果函数，节点电压越上限和越下限的严重度指标计算如下式：

(11)

式中:Vi表示当前节点i的电压幅值;Vmin、Vmax为节点i所允许的电压幅值的上下限，本文假设其上下限分别为1.05和0. 95；F(V)表示节点电压的累积分布函数.

定义电压越限风险指标为

(12)

2) 支路潮流越限风险指标

分布式光伏电源接入配电网后支路越限概率的计算中只关注到支路潮流是否过载，即考虑支路潮流越上限问题，支路ij潮流越上限和越下限的概率计算公式及潮流过载的严重度函数如下式：

式中：Sij为支路ij的有功潮流;Sij,max为支路ij所允许的有功潮流的上限，假设其上限为正常值的1.3倍，正常值为未接入分布式电源情况下支路的功率期望值;F(Sij,max)表示支路潮流的累积分布函数.

定义支路潮流越限风险指标为

RS=PS(Sij)Sev(Sij)

(15)

4 仿真分析

4.1 节点电压和支路潮流越限分析

基于依据实际典型接线模式建立的分布式光伏模型、节点电压和支路潮流越限风险评估模型及IEEE34标准节点配电网系统，分别在以下两种情况下进行仿真分析.

1) 分布式光伏电源位接入点为第24节点，接入容量分别为0.8、1.2、1.6 MW，IEEE34各节点电压越限概率及越限风险值曲线分别如图5和图6所示，支路潮流越限概率及越限风险值曲线如图7和图8所示.

2) 当容量为0.55 MW的分布式光伏电源在给配电网系统中位置变动，分别接入6节点、10节点、14节点、20节点、25节点及30节点时，对IEEE34系统各节点电压和支路潮流的影响分别如图9和图10所示.

4.2 分布式光伏电源接入配电网准入容量分析

当配电网系统中共有22个节点，每个节点的有功负荷为0.02 MW，且位于同一条支路上时，其配电网系统连接如图11a所示.该系统基准容量为1 MVA，基准电压为24.9 kV，每段支路的电阻为0.002 Ω，电抗为0.000 9 Ω.经本文建立的节点电压和支路潮流越限风险评估模型分析，在电压和潮流均不越限的情况下，不同位置接入分布式光伏电源的允许最大容量见表1.

当系统参数不变，22节点均匀分布于多条支路上时，其系统结构如图11b所示，同样在电压和潮流均不越限的情况下，不同位置接入分布式光伏电源的允许最大容量见表1.

22节点场景1和场景2的系统仿真结果表明，当系统中节点负荷参数一定时，支路长度越长允许接入的分布式电源容量越大；同时，越靠近支路末端允许接入的分布式电源容量越小.

表1 分布式光伏电源准入容量

5 结论

本文对分布式光伏电源接入配电网典型结构进行了讨论，通过分析建立分布式光伏电源数学模型，在MATLAB/Simulink环境下搭建了用于分析分布式光伏电源接入配电网适应性研究的标准节点配电网模型，运用随机潮流下节点电压和支路潮流的概率分布，重点建立了节点电压和支路潮流越限风险评估指标模型，通过在具有实际参数配电网模型不同场景下的仿真研究，验证了本文建立的风险评估指标模型的合理性与正确性，对研究分布式光伏电源接入配电网适应性具有一定的参考作用.