地区电网分布式光伏接纳能力校验

张逸婕，周晨曦，祁 明，马骏毅

(国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司，江苏 镇江 212000)

0 引言

2016年，江苏扬中获批高比例新能源示范城市，大力发展以光伏为主的分布式绿色能源发电。规划到2020年，分布式光伏发电的总装机容量将达到400 MW，渗透率达100 %。高比例分布式电源接入将分布于用户侧的220 V～10 kV低电压等级，分散区域广、单个电源容量小等特点将造成末端电压大幅波动、电网谐波等问题，给电网安全稳定运行、经济调度、电网规划带来巨大挑战。为了构建安全可靠、智能互动的现代配电网，亟需开展地区电网高比例分布式光伏接纳能力研究。

以下提出一种新型的分布式光伏接纳能力校验策略，以扬中电网110 kV某分区为算例，分别从供电安全水平、负载能力等方面展开校验，在高负荷强日照、高负荷弱日照、低负荷强日照和低负荷弱日照4种运行场景下计算电压偏差和电压波动，提出相应的治理措施，多角度验证分布式光伏接纳能力校验策略的正确性。

1 光伏发电功率输出特性

光伏电站受天气和季节影响具有很强的不确定性，电站功率输出呈现较为明显的波动性、随机性和间歇性特点，出力范围主要集中在20 %～80 %的装机容量。

因电力用户的作息和生产生活习惯的不同，电力需求呈现明显的峰谷差。电源和负荷均呈现波动性，电网运行方式多变，但总是在高负荷强光照、高负荷弱光照、低负荷强光照和低负荷弱光照4种极端运行场景范围内变化。分析分布式光伏接纳能力时，只需要研究上述4种特殊情况，按光伏电站强光照时输出100 %额定功率、弱光照时输出20 %额定功率进行校验计算。

2 电网接纳能力校验原则

在电网接纳新能源能力方面，主要考虑供电安全水平、负载能力、短路电流、电能质量等因素。文中主要就以下方面进行研究。

(1) 利用N-1分析对光伏电站的上级变压器及线路进行校验，检查系统中是否有电流过载、越限情况，分析光伏接入系统后电网安全水平的影响程度。

(2) 计算电网在高负荷弱光照、高负荷强光照、低负荷强光照、低负荷弱光照等4种典型特征情境下光伏电站上级变压器与线路的负载情况，研究局部电网对光伏接入的承载能力。

(3) 计算分布式光伏接入系统后造成的重要节点或母线电压偏差，研究光伏电力并入系统后可能出现的电压问题。

2.1 光伏电力接入系统供电安全水平校验

2.1.1 变压器N-1 校验

主变负载率即变压器的最高负荷(一般近似为最高负荷的有功功率)与额定容量的比值。主变负载率通常能够反映变压器的运行状态，以从侧面反映其经济运行水平，评估系统运行的安全稳定性。其计算公式为：

式中，ηT为主变的负载率；SN为变压器的额定容量；pmax为变压器的最高负荷功率。

2.1.2 变压器出线N-1校验

线路负载率即线路的最高负荷电流与额定载流量之比。线路负载率计算公式为：

式中，ηL为线路的负载率；IN为线路的额定载流量；lmax为线路的最高负荷电流。

2.2 光伏发电接入配电网负载率校验

在光伏发电的功率输出中，通常可以忽略无功功率的影响，仅用有功功率参加负载率的计算。

式中，β为变压器或线路的负载率；pL为变压器或线路的负荷；pPV为光伏接入后的有功出力；Pn为主变或线路的额定容量。

如图1所示，变压器和输电线路负载率的大小随着光伏发电功率输出的增加表现为分段线性变化，斜率为PN的倒数。设定某时刻的负荷为PL，光伏发电输出功率PPV小于负荷PL时，光伏发电功率输出的增加有助于降低负载率；当光伏功率输出等于负荷PL时，负载率减小为0 (B点);当光伏发电输出功率大于负荷PL且小于2倍的PL时，随着光伏发电功率输出的增加负载率增大；当光伏发电功率大于2PL时，负载率将超过光伏未并网时的负载率。根据负载率特性，光伏发电宜采用分布式布局和就地负荷消纳，有助于降低变压器和输电线路的负载率，同时降低光伏发电功率输出对电网硬件的要求，节省电网投资。

图1 光伏功率输出对负载率的影响

3 算例分析

3.1 仿真计算

选取扬中电网某110 kV变电站为算例，在潮流仿真平台搭建实际网架模型，结合2020年预测数据进行仿真计算，参数如下：2台主变均为三绕组变压器，其中:1号主变压器容量为31.5 MVA，2号主变压器容量为40 MVA，2台主变变比均为 (110±8×1.25 %)/(37±2×2.5 %)/10.5;1 号主变压器高、中、低压侧间的阻抗电压分别为10.55 %，7.2 %，17.49 %，2 号主变压器高、中、低压侧间的阻抗电压分别为 10.35 %，6.51 %，18.7 %;1号、2号主变所接110 kV线路分别为出线一、出线二。计划在1号主变压器10 kV母线接入光伏发电22.8 MW，2号主变压器10 kV母线接入光伏发电1 MW。该110 kV变电站的短路容量为 1 239.2 MVA。

3.2 仿真分析

3.2.1 主变及出线N-1校验

根据变压器N-1校验结果和出线N-1校验结果分析发现光伏接入系统供电安全水平校验存在下列规律。

(1) 如果主变和变压器出线的核载容量大，现有负载率较低，那么当光伏电力接入后，主变和变压器出线将依然能够满足N-1校验准则，系统中不会出现电压越限和过电流等现象。

(2) 在高负荷弱光照的情况下，主变和变压器出线的负载率最高，与光伏是否并网无关，较大的系统负荷将从电网中吸收大量的有功功率，且光伏发电出力较小，不能满足本地高负荷的功率需求。

(3) 在低负荷强光照的情况下，当光伏发电功率输出大于本地负荷功率时，在光伏并网前主变和变压器出线的负载率较低，在光伏并网后主变和变压器出线的负载率升高，主变和变压器出线出现功率倒送现象。

3.2.2 配电线路负载率校验

对该110 kV变电区域光伏发电输配电网在高负荷、低负荷运行模式下的负载率校验、分析和对比，总结得到以下3点结论。

(1) 该区域内负载率较低，对分布式光伏电功率的并网接入能力较强，不会出现过负荷和功率越限的情况。

(2) 在负荷较高的区域，适宜建立较大规模的分布式光伏电站，光伏功率的并网能够明显降低该区域的负载率，且有较高的社会和经济效益。

(3) 在负荷较低的区域，不宜建立较大规模的分布式光伏电站，光伏功率的并网可能会导致该区域的输变电设备的负载率增加，会增加电网运行成本，威胁输配电网安全稳定运行。

3.2.3 电压幅值偏差校验

光伏电力并网后，对原输变电设备的电能质量有一定影响。分别对该110 kV变电站在高负荷及低负荷运行模式下，光伏并网前后的10 kV各母线电压按照光伏并网前、强光照光伏并网后、弱光照光伏并网后3种情况予以同时采样，得到的各母线位置的电能质量偏差的校验情况如表1，2所示。

表1 高负荷运行模式下母线电压偏差校验情况 p.u.

表2 低负荷运行模式下母线电压偏差校验情况 p.u.

经分析，对比表1，2中各种情况下的母线电压偏差，总结以下4点规律。

(1) 光伏电力并网前，高、低负荷模式下各母线位置电压与该处额定电压的偏差均在±7 %以内；并网后，弱光照下的各母线电压均在正常电压范围内，强光照下的各母线电压大部分在正常电压范围内，小部分大容量光伏并网处电压升高明显，出现电压越限。

(2) 光伏电力并网后，并网处负荷可由光伏电力提供，减少了输变电设备对该负荷的供电，根据输电线路电压降落公式(4)，可知输电线路末端的并网处电压升高。

式中，ΔU为输电线路电压降落的横分量；U为末端电压；P，Q分别为末端的有功、无功功率；R，X分别为线路的电阻和电抗。

(3) 强光照下的大容量光伏电力并网，其不仅就地供负荷消纳，还会出现较强的有功功率倒送的现象，进一步抬高了并网处的电压，当足够大的有功和无功功率倒送，使小部分表1，2中的母线电压越限，超出正常电压范围。

(4) 高负荷运行模式下各母线节点的电压变化较大，高负荷输电线路的末端电压较低，在额定值以下。光伏发电并网提高了高负荷输电线路的末端电压，特别是强光照下末端电压明显提高。低负荷运行模式下各母线节点的电压变化较小，低负荷输电线路的末端电压维持在额定电压的较高水平，强光照和弱光照下的光伏发电并网均提高了低负荷输电线路的末端电压。

4 结束语

以扬中电网110 kV某分区为算例，提出一种新型的分布式光伏接纳能力校验策略，该校验策略分别从供电安全水平、负载能力、电能质量因素等方面展开验证。

文中提出电网接纳能力的校验原则，从变压器N-1校验、线路N-1校验两个方面进行分布式光伏供电安全水平校验，从高负荷、低负荷两种运行方式分别进行负载率及电压偏差校验。该分析策略具有较强的适用性，可为后续制定分布式光伏接入电网规划方案及电能质量治理提供依据。