大规模分布式光伏接入对城市配电网的影响

夏敏浩，赵万剑，王 乐，叶诚明

(1.国网上海市电力公司经济技术研究院，上海 200233； 2.国网上海市电力公司松江供电公司，上海 201600；3.上海电力设计院有限公司，上海 200025)

城市土地相对稀缺，大规模风电建设难以实现，因此分布式光伏发电成为了城市绿色能源发展的首选。分布式光伏发电是指在用户场地附近建设，运行方式以用户侧自发自用为主、多余电量上网，并且在配电系统平衡调节为特征的光伏发电设施。分布式光伏发电在城市中建设的主要形式有屋顶光伏或建筑一体化光伏(BIPV)。

随着分布式光伏接入容量的增加，大规模光伏接入对城市配电网潮流、电压、短路电流、电能质量、保护配置等均会造成不同程度的影响[1-4]。分布式光伏还未大规模发展，针对分布式光伏接入对配电网影响的研究大多仍以理论研究为主。文献[5]以节点电压越限和线路潮流越限为风险评估指标，建立了配电网运行风险评估模型，给出了大规模分布式光伏接入配电网风险评估的具体实施步骤，提出针对性的风险应对措施。文献[6]对冀北地区大规模分布式光伏发电系统并网对配电网诸多方面的影响及对策进行了一定深度的阐述。文献[7]介绍了分布式光伏接入方式及运行特点，并从电压分布、继电保护、配电网运行监控、配电网规划和配电网运行经济性等方面分析了分布式光伏发电对配电网的影响。文献[8]从潮流、电能质量和保护方面分析了分布式光伏并网对配电网的影响。文献[9]分析了分布式光伏并网对配电网潮流和网损的影响，并提出了相应的对策措施。文献[10]通过对配电网进行一年的时序全过程模拟分析了分布式光伏接入和调压对中压主动配电网电压的影响，以及低压配电网中负荷对接纳分布式光伏和调压方式的影响。本文重点分析大规模分布式光伏接入对城市配电网的影响。

1 分布式光伏接入对城市配电网的影响

1.1 电网潮流

分布式光伏接入城市配电网后，配电网的电源结构发生了很大变化，由原先的单向潮流转变为双向潮流。当分布式光伏功率超出所在区域配电网负荷时，全年当中某些时段的光伏发电功率会超过区域配电网的负荷需求，配电网中净负荷为负值，多余的光伏发电功率将会倒送至上一级电网[11]。

以上海某商业广场典型负荷曲线为例，当分布式光伏渗透率超过60%时，配电网就会出现潮流倒送情况。此时净负荷功率如下：

Pnetload=Pload-PPV<0

(1)

式中Pload——配电网负荷功率；PPV——光伏发电功率。

对于380 V电压等级，接入的分布式光伏容量上限PPV,max受台区配电变压器容量Ptrans和台区日间最低负载率rmin的限制，有如下关系：

PPV,max=Ptrans×(1-rmin)

(2)

1.2 节点电压

通常情况下，分布式光伏发电以定功率因数控制模式运行。以接入低压配电网的分布式光伏为例，分析分布式光伏接入对节点电压的影响，如图1所示。

图1 分布式光伏接入低压配电网示意图

假设电网侧电压UN不变，光伏接入点的电压UL与线路路径上的潮流有关，当分布式光伏发电功率大于负荷功率时，供电线路上将发生功率倒送，并抬高配电网末端光伏并网点的电压，造成配电网末端电压偏高。

为了解决光伏接入造成的电压过高问题，需要调节光伏输出的无功功率。

1.3 短路电流

分布式光伏采用逆变器接入电网，分布式光伏并网逆变器的主电路普遍采用基于脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)控制技术的电压源逆变器(Voltage Source Inverter，简称VSI)结构。该结构可等效为一个频率上与电网电压同步、幅值上连续可控的电压源，此电压源经过滤波电抗器可以等效为一个幅值和相位连续可调的电流源[12]。

在电网发生短路故障时，逆变器会限制分布式光伏系统提供的短路电流。根据GB/T 19939—2005《光伏系统并网技术要求》，配电网发生短路时由光伏系统提供的短路电流不超过其额定电流的1.5倍。在光照强度较低时，分布式光伏系统提供的短路电流更小。因此可按照额定电流的1.5倍计算分布式光伏系统提供的额定电流。

1.4 电能质量

分布式光伏发电系统采用逆变器为电力电子设备，该装置在并网运行时会向电网注入谐波，引起谐波污染。

通常光伏电源可等效为内阻无穷大的谐波电流源，大规模分布式光伏接入配电网的不同节点中相当于在配电网中加入了大量的谐波电流源。配电网谐波等效电路如图2所示。

图2 分布式光伏接入对电网谐波影响示意图

该等效电路中除分布式光伏逆变器以外不考虑其他谐波源。

分布式光伏接入配电网后，注入的n次谐波电流为IS，ZLa为分布式光伏接入点(POC)前负荷的n次谐波等效阻抗，ZLb为分布式光伏接入点(POC)后负荷的n次谐波等效阻抗，Zeq为负荷接入点(POL)与公共连接点(PCC)间的n次谐波等效阻抗。

则在POC点有：

IS-ILa-ILb=0

(3)

(Zeq//ZLa)ILa=ZLbILb

(4)

在POL点有：

ILa-Ieq-IL=0

(5)

ZeqIeq=ZLaILa

(6)

可以得到：

(7)

由式(7)可知，流入PCC点的谐波电流Ieq由Zeq、ZLa、ZLb共同决定。由于Zeq通常远小于ZLa和ZLb，因此分布式光伏注入的谐波电流IS大部分流入PCC点。

2 分布式光伏接入城市配电网模型构建

2.1 配电网模型构建

采用DIgSILENT Powerfactory电力系统仿真软件对分布式光伏接入城市配电网典型场景进行建模。

以城市电网中典型的三分段多联络架空线路中压配电网和开关站电缆单环网接线作为配电网典型案例，分析分布式光伏接入对城市配电网的影响，如图3和图4所示。

图3中，以2个分段开关分将架空线为三个分段，每个分段线路长1.5 km。线路高峰负荷4 MW，日间低谷负荷按照2 MW计算。每个分段中通过1回0.5 km接入一组分布式光伏电源，光伏通过升压变以10 kV接入配电网。其中PV1和PV2配置在支线上，PV3配置在主干线路末端。首端节点电压设为10 kV。

图3 架空线三分段多联络接线

图4中，变电站10 kV侧通过2个开关站形成单环网接线。每一段电缆线路长2 km，开关站每段母线接入负荷1 MW。单环网高峰负荷4 MW，日间低谷负荷按照2 MW计算。开关站每段母线通过1回0.5 km接入一组分布式光伏电源，光伏通过升压变以10 kV接入配电网。4处分布式光伏分别接入两座开关站的不同段母线。首端节点电压设为10 kV。

图4 电缆开关站单环网接线

2.2 分布式光伏模型构建

分布式光伏采用DIgSILENT中光伏系统模型建模，采用全功率变换光伏模型，光伏出力控制采用衡功率因数控制，功率因数设为0.95。光伏短路电流为1.5倍额定电流。光伏逆变器各次谐波电流如表1所示。

表1 光伏逆变器谐波

3 算例分析

3.1 电网潮流分析

为研究分布式光伏接入对不同类型用户负荷叠加的影响，研究光伏渗透率分别为50%、75%、100%、150%的情况下，不同类型用户的净负荷。

其中光伏渗透率定义为光伏装机容量与峰值负荷的比值：

(8)

本文选取制造业用户为例进行分析，制造业用户四季典型负荷曲线见图5，可见制造业四季负荷较为一致，其中夏、冬季的负荷略高于春、秋季的负荷。

图5 制造业用户的负荷曲线

不同光伏渗透率下负荷叠加光伏出力后的净负荷曲线如图6所示。

图6 制造业用户不同光伏渗透率下的净负荷曲线

由图6可以看出，对于制造业用户，分布式光伏渗透率达到150%时出现反向潮流，最大反向潮流仅为正向潮流的25%。由此可见，由于制造业用户负荷较稳定，分布式光伏接入对制造业用户潮流的影响较小。

3.2 节点电压分析

通过仿真建模对分布式电源接入后配电网线路末端的节点电压进行分析，结果见表2。由计算结果可见，随着分布式光伏出力的逐步增加，配电网线路末端电压显著升高。当分布式光伏出力大于线路上负荷时，会造成线路末端电压高于首端电压。

表2 典型接线分布式光伏对节点电压的影响

3.3 短路电流分析

模拟配电网在变电站出线处发生短路，在分布式光伏接入前短路电流为11.6 kA，在分布式光伏接入后，短路电流见表3。由表3可见，随着分布式光伏接入容量的增加，配电网短路电流逐步增大，但由于分布式光伏提供的短路电流仅为其额定电流的1.5倍，因此分布式光伏接入提供的短路电流较小，对配电网短路电流的影响有限，仅短路电流接近极限的区域在建设分布式光伏时需要注意校核短路电流是否超标。

表3 典型接线分布式光伏对节点短路电流的影响

3.4 谐波电流分析

根据GB/T 24337—2009《电能质量公共电网谐波》规定，分布式光伏发电系统接入电网后向电网公共连接点注入的谐波电流应符合标准要求，如表4所示。

表4 分布式光伏接入架空网对电网公共连接点各次谐波

根据谐波潮流计算结果，变电站出线处谐波畸变率如图7和图8所示。各节点接入分布式光伏容量1～3 MW时，变电站出线各次谐波电流见表5和表6。可见大规模分布式光伏接入虽然会带来新的谐波源，但对配电网谐波影响较小，只有在背景谐波接近限值时才有可能导致谐波电流超过允许值。

表5 分布式光伏接入架空网对电网公共连接点的各次谐波及谐波电流

表6 分布式光伏接入开关站单环网对电网公共连接点的各次谐波及谐波电流

4 结语

本文针对大规模分布式光伏接入城市电网进行了仿真计算，分析了分布式光伏接入对电网潮流、节点电压、短路电流和电能质量的影响。

(1)分布式光伏接入后对配电网潮流造成很大影响，可能造成线路轻载甚至潮流倒送的情况。当配电网线路潮流较轻时接入大量分布式光伏可能造成配电变压器过载。

图7 分布式光伏接入架空网对电网公共连接点谐波畸变率

图8 分布式光伏接入开关站单环网对电网公共连接点谐波畸变率

(2)大规模分布式光伏接入会造成接入点电压升高。尤其是对于电缆网为主的城市电网，会进一步加剧线路轻载时线路末端电压过高的问题。必要时需要对分布式光伏逆变器输出无功进行控制。

(3)分布式光伏接入会增加配电网的短路电流，但增加幅度很小。短路电流大小的变化可能影响保护整定，大规模分布式光伏接入后需要对保护进行重新整定。

(4)分布式光伏作为谐波源接入电网后会带来一定的谐波污染，但是合格的逆变器造成的谐波影响有限，不会对配电网的谐波造成很大影响。