基于电压稳定的分布式电源最大允许接入容量分析

徐杰，郁家麟，李春，赵扉，刘伟

(国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴314000)

0 引言

能源结构清洁化转型是实现“碳达峰”的关键所在，加大清洁能源开发力度是能源结构清洁化转型的必然要求，可以预见清洁能源分布式发电将得到更大的发展空间[1－2]。配电网作为分布式电源接入的承载平台，一方面要保障分布式电源可以广泛的“即插即用”，另一方面也要保证配电网自身的安全稳定运行。未来广泛的分布式电源接入所带来的不稳定性给配电网的规划设计带来了巨大的困难和挑战[3－6]。

目前，分布式电源接入对配电网的影响研究主要集中在分布式电源不稳定性对配电网电压波动和短路电流的影响等方面[7－9]，提出的符合清洁能源发展要求且具有实际应用意义的解决措施和方案不多。文献[10]提出了分布式电源对配网供电电压质量影响的分析方法，但未考虑无功潮流对分布式电源接入时的电压波动影响。文献[11]基于逆功率限制分析分布式电源接入对配电网电压和短路电流的影响，但《分布式电源接入配电网技术导则》已经取消了对逆功率的限制要求，其研究结论不能适应未来分布式电源接入配电网的情形。文献[12]基于配电网环网运行提出提高短路容量以降低分布式电源接入对配电网电压的影响，但未考虑配电网环网运行后可能出现短路电流超限的问题。

基于以上问题，本文分析分布式电源接入对配电网电压稳定的影响因素，提出利用分布式电源功率因数调节、无功补偿和储能设施等手段解决电压稳定问题，提升分布式电源允许接入容量。

1 无辅助措施时最大允许接入容量分析

分布式电源对并入点的冲击是巨大的[10]，为便于分析，仅考虑分布式电源接入点处的电压波动。将接入了分布式电源的配电网简化为如图1所示的等效图。

图1 分布式电源接入配电网接线图

当分布式电源接入配电网后，在不考虑无功补偿的前提下进行分析。假定分布式电源出力发生改变时，线路上电流变化量为ΔI，则分布式电源接入点的电压变化值为:

式中，ΔSn为分布式电源的出力变化；SK为分布式电源接入处的短路容量；ZS为配电网的等效阻抗；ΔI为线路电流变化量；θ为分布式电源的功角；φ为配电网的阻抗角；U为分布式电源接入点电压。

一般来说，配电网线路不长，线路两端的相位变化不大，为简化分析过程，忽略电压垂直变化分量，则:

电压波动率为:

以上分析可知，电压波动率与分布式电源出力变化值、接入点的短路容量、配电网阻抗角以及分布式电源功角相关。

分布式电源出力变化最大值即为其投入前至全容量投入时，等于其额定容量Se。GB/T 12325《电能质量 供电电压偏差》中对电压波动率允许范围做了相应规定，此处定义电压波动率为d，则可得知最大允许接入容量为:

在实际运行中系统阻抗角为确定值，分布式电源功率因数在不考虑无功输出调节时可取1，因此最大允许接入容量由电压波动允许范围、接入点的短路容量确定。

在保证电压波动率满足相关规定要求的条件下，分布式电源允许最大接入容量直接受短路容量限制，而短路电流需满足限制要求，且短路容量受运行方式影响较大，因此从安全角度考虑，规划设计中只能按照短路容量较小值计算。文献[3]提出的通过配电网闭环运行提高短路容量的方法在实际中难以实施。

综上所述，在不考虑辅助措施的条件下，分布式电源的允许接入容量直接受接入点短路容量限制。因此在实际中，分布式电源的接入点和接入容量的选择尤其重要。此时允许最大接入容量为:

以10 kV接入的分布式电源为例，假定接入点短路容量为100 MVA，配电网功率因素为0·96，GB/T 12325《电能质量 供电电压偏差》规定10 kV配电网电压波动率应不超过±7%[13]，则该接入点最大允许接入容量为:

即不考虑辅助措施时，该接入点最大允许接入分布式电源容量为7·29 MVA。

2 考虑分布式电源自身功率因数调节的最大允许接入容量分析

随着并网容量的提升，分布式电源接入点出现电网电压可能越限问题。若以电压波动不越限为边界调节，分布式电源自身调节输出功率因数，使其在向电网输入有功功率的同时输入(或吸收)一定量的感性无功功率，则可以在不增加附加装置的前提下提高分布式电源的接入点电压稳定性。

同样以10 kV接入的分布式电源接入为例，假定接入点短路容量为100 MVA，配电网功率因素为0·96，按照《分布式电源接入配电网技术规定》的要求，同步电机类分布式电源并网点功率因素在0·95(超前)～0·95(滞后)[14]，则该接入点最大允许接入容量为:

若接入变流型分布式电源(如分布式光伏)，按照《分布式电源接入配电网技术规定》的要求，变流型分布式电源并网点功率因素在0·98(超前)～0·98(滞后)[14]，则该接入点最大允许接入容量为:

显然，通过分布式电源自身的功率因数调节，可一定范围内提高电压稳定性，提高接入点的最大允许接入容量，提高幅度直接与分布式电源的功率因数调节范围有关。但分布式电源一般要以考虑发电效益为先，因此分布式电源的功率因数调节范围不大，且受限制于当前规范要求。因此通过分布式电源自身功率因数调节，可以提高分布式电源的可接入容量，但提升幅度较小。

3 有附加设施的最大允许接入容量分析

通过前述分析，分布式电源自身功率因数调节可以在一定范围内提高分布式电源的最大允许接入容量。但未来分布式电源技术发展，其接入功率超过一定范围后，自身功率因数调节亦不能保证电压稳定。此时，可以通过增加无功补偿或储能装置来抑制电压波动[15]，进而提高分布式电源最大允许接入容量。

3.1 加入无功补偿的最大允许接入容量

同样以图1进行分析，将分布式电源换成无功补偿装置，此时无功补偿装置输入配电网的电流没有横向分量，因此无功补偿装置投入后产生的电压变化为:

式中，ΔSL为无功补偿容量，X为配电网的阻抗垂直分量；U为分布式电源接入点电压；SK为接入点短路容量。

则加入无功补偿后(不考虑分布式电源自身功率因素调节)，分布式电源出力变化引起的电压波动为:

则整体电压波动率为:

此时分布式电源的最大允许接入容量为:

对比式(5)和式(12)可知，增加容量为ΔSL的无功补偿装置，可提高分布式电源的最大允许接入容量为

同样以前述假定条件计算，假定需接入的分布式电源容量为100 MVA，显然此时仅通过分布式电源自身的功率因数调节已经无法满足电压稳定的要求。式(6)已计算得知，不考虑辅助措施时，最大接入容量仅7·29 MVA，在分布式电源不参与功率因数调节时，需增加无功补偿容量:

3.2 加入储能装置的最大允许接入容量

考虑分布式电源配套储能装置时，有两种方式降低分布式电源出力波动时的电压波动。

其一是在分布式电源出力波动或投入时，通过储能装置吸收部分出力，通过稳定分布式电源波动容量降低电压波动率，显然此时储能配置容量应等于分布式电源超出最大允许接入容量。

其二是利用虚拟同步机技术，使储能装置发挥无功补偿的作用，此时储能装置相当于无功补偿装置，其分析方法与加入无功补偿的分析方法相同。

4 应用算例

以浙江嘉兴某厂区10 kV光伏接入为例。该厂区共计安装有6 MVA分布式光伏，其附近有110 kV变电站一座，其10 kV母线在最小运行方式下的短路电流均为9·32 kA，功率因数为0·95～0·98；母线上已经接入分布式电源容量为7·2 MVA。

在不考虑辅助措施时，10 kV母线处可接入的分布式电源最大允许接入容量为:

显然，前期接入了7·2 MVA分布式电源，剩余可供接的容量为11·89－7·2＝4·69 MVA。如直接将该分布式光伏项目接入该母线，存在电压超限的风险。

1)方案一。为了分布式光伏项目能接入该变电站母线，可以考虑采用调节分布式光伏的功率因数:

可求得:cosθ＝0·967。

因此为确保该光伏项目接入变电站10 kV母线后电压稳定，光伏发电的功率因数应根据实际运行情况调节，功率因数在0·967(超前)～0·967(滞后)。

2)方案二。光伏功率因数不调节，可通过增设无功补偿装置维持电压稳定。其补偿容量应为:

3)方案三。增加储能装置，其容量为:

最终经过技术经济比较分析，通过调节光伏发电功率因数，功率因数在0·967(超前)～0·967(滞后)，对发电效率影响可忽略，技术经济性最优秀，因此选用方案一。

5 结论

本文分析了分布式电源接入配电网时引起电压波动的具体因素，以电压稳定为边界条件分析分布式电源的最大允许接入容量，分析了不考虑辅助措施、考虑分布式电源自身功率因数调节、加入无功补偿装置和加入储能设施等四种情况下的最大接入容量。主要结论如下:

1)分布式电源接入配电网引起的电压波动范围主要取决于接入点短路容量、分布式电源出力波动量。

2)在现实情况中，接入点选择往往受到客观条件限制，接入点的短路容量难以改变，分布式接入容量在不考虑辅助措施时将受到限制，难以满足未来分布式电源发展要求。

3)分布式电源通过自身功率因数调节，有利于电压稳定，在一定范围内可以提高分布式电源接入容量。

4)增加无功补偿装置和储能装置是抑制分布式电源出力波动时电压波动的有效手段，可以较大幅度提高分布式电源最大允许接入容量。