高分布式发电渗透率对配电网电压的影响

赵青宇

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510000）

随着分布式光伏发电、风力发电等清洁能源的逐渐普及，分布式发电（DG）系统对配电网产生的影响逐渐引起了人们的关注。其中，高渗透率分布式发电系统对配电网电压稳定性的影响是一项关键问题。

当分布式发电系统的渗透率较低时，其对配电网的影响较小，电压稳定性不受明显影响。但是当分布式发电系统的渗透率较高时，由于分布式发电系统的电源特点，其向配电网注入的电能将对电网的电压造成影响。

对于低压配电网而言，高渗透率分布式发电系统的接入会导致电压升高，这将会对用户的终端设备造成损害，同时也会增加电网管理的难度。因此，在接入高渗透率分布式发电系统前，需要对低压配电网进行相应的升级和配电设备的优化，以保证电压稳定。

对于高压配电网而言，高渗透率分布式发电系统的接入会导致电压下降。虽然应用降压变压器可以缓解这种电压下降，但需要注意的是，短期内大量降压变压器的投入使用会增加配电网系统的复杂性，增加运行成本，同时也会增加设备的损耗。

1 技术分析

针对高渗透率分布式发电系统对配电网电压稳定性的影响，可以采取以下措施：加强配电网设备的监测和维护，及时发现和修复电网设备故障，保证电网的稳定运行；通过分段调节降压变压器的输出电压，对接入分布式发电系统的区域进行有针对性的电压调节；建立高效的电能管理机制，推广一些新技术，如等效注入电量控制技术、自适应电压控制技术等，有助于提高电网的电能质量和电压稳定性；推广并利用分布式储能技术，增加分布式发电系统的可调度性，减轻分布式系统给配电网带来的电压波动。

在传统意义上，配电系统的设计目的是将电力从发电厂及变电站输送到客户，然而，随着DG融入配电系统的趋势越来越明显，配电系统的现状也随之演变。一般而言，将分布式发电集成到配电系统中，以优化分布式发电的布局，有利于配电系统向客户提供电力的可靠性，减少输电系统的损耗，并在一定程度上改善了电压状况［1-2］。由于需要从电网输入的电力较少，线路和电力变压器的损耗也可以降低。

DG 集成对配电网的技术影响之一是故障级别的增加。DG 与配电系统的连接决定了故障级的增加，故障级的增加主要是由同步或异步电机引起的［3-5］。此外，分布式发电集成也可能影响配电网电压的波动。主要稳压设施包括变电站负荷分接开关、线路调节器、自动稳压设备等。

综合国内外研究成果，随着分布式发电系统渗透率的不断增加，对配电网电压稳定性的影响也会逐渐凸显出来。只有通过加强设备维护、调节变压器、应用新技术和储能技术等多种手段，才能有效地应对分布式发电对配电网电压稳定性的影响，提高电网运行的安全性和可靠性。

2 分析框架

2.1 配电网络

配电网络的电压值由35kV 和10kV 组成，并与输电系统的110kV 电压电平相连接。配电网有2 个主要进入口，分别为110／10kV 变电站和110／35kV变电站。110／10kV 配电网通过2x30MVA 变压器与110kV 输电系统连接，有14 个配电馈线。所有的馈线最终连接到10kV 变电站中压-低压互联。同时，110／35／10kV 配电网通过2x90MVA 变压器与110kV输电系统连接，并通过35／10kV 变电站分布。

2.2 光伏发电

模拟的太阳能光伏剖面是使用太阳能资源数据站点生成的。光伏年发电量公式为：

式中，HA是单位面积太阳能年辐射总量，S 是组件面积，K1是组件转换效率，K2是系统综合效率。组件转换效率K1一般取值为0.14-0.2，系统综合效率K2一般取值为0.8±0.01。本文研究使用的光伏模型来自仿真系统的一个425kW 光伏系统的一年太阳能发电总量，并将其作为模拟研究的输入。

2.3 场景模拟

针对110／10kV主进站、10kV 开关站和10／0.38kV配电站的DG 接线情况，进行了仿真分析。考虑了两个DG 地点，以了解DG 融入中压配电网的影响，即在每个馈线的开始和结束。对每种情况进行模拟，DG渗透从基本情况（无DG 连接）、25%、50%、75%、100%、150%和200%最大负荷分别分析配电网络。

图1 显示了在高DG 和低负荷情况下，网络中的总有功负荷和网络中DG 的总有功发电量。图形显示负荷为13.99 兆瓦。而DG 发电量由5.99MW增加到47.91MW，DG 渗透率由25%增加到200%。

图1 各渗透率下DG 发电量

3 仿真及结果分析

3.1 分布式发电影响

本文基于三相交流系统故障电流计算方法进行了短路分析，分析了在研究的配电网中提高DG穿透水平的效果。集成到配电网中的每个光伏的DG 短路电流效应被设置为光伏最大电流的1.4倍。在图2 中，可以看到，在基本情况下，初始故障水平测量的10kV 母线的相应变电站电流已超过20kA 的24.3%。本文分析了变压器阻抗由14%提高到18%的效果。在基本情况下可以观察到，增加变压器阻抗后，故障电流由20kA 降至19.42kA。在所有情况下，DG渗透增加随之而来的故障水平也增加。研究分析表明，每增加25%的DG 渗透率，故障水平将增加约2.2%。

图2 变压器短路14%、18%时故障电流

当DG 位于每个馈线的开始和结束时，配电网络损耗图如图3 所示。在这两种情况下，网络损耗都会随着DG 渗透率增加到50%而减少，因为DG生成更接近负载，从而减少了从电网的导入。然而，随着分布式发电渗透率持续上升至200%，由于分布式发电产生的更多电力需要转移到主要的变电站，因此网络损耗反应到图上即增加。由图可以观察到，在相同的DG 渗透水平下，当馈线末端没有反向电源时，DG 连接的网络损耗较低，这受到DG 所连接负荷的影响。然而，当DG 渗透水平超过50%，从而发生反向潮流的电网，定位在馈线末端的DG 将导致更高的网络损耗，这是由于需要通过输电线路向主变电站输送更高的电力。另一方面，变压器损耗较少的情况下，DG 在每个馈线处结束，由于较高的功率损耗在网络上，因此发生较少的反向功率。

图3 配电网络损耗

3.2 提高故障水平缓解措施

提高故障缓解水平主要有以下措施：设置母线连接处的故障限流电抗器（FCLR）；设置进线馈线上的故障限流电抗器；使用分流母线。

母线连接处安装FCLR 示意图如图4 所示，在110／10kV 配电网络上安装了FCLR。可以看出，阻抗为0.759 欧姆的FCLR 能有效地将短路电流从24.846 kA 降低到18kA。

在图5 中，安装在母线接头上的FCLR 被认为是最小化DG 渗透。然而，当DG 渗透率增加到200%时，缓解后的故障级别超过20kA。据观察，每增加25%的DG 渗透率，故障水平将增加约20kA的1.4%。

进线及馈线处安装FCLR 示意图如图6 所示，在所分析的110／10kV 配电网络上母线接线处安装了FCLR。可以看出，阻抗为0.2148欧姆的FCLR 能有效地将短路电流从24.846kA 降低到18.02kA。

图6 进线及馈线处安装FCLR 示意图

在图7 中，安装在进线馈线上的FCLR 在最小化故障级别增加的影响效果不如安装在母线接头上的FCLR 有效。然而，与在总线接头上的安装相比，在进线上只需安装较小的FCLR。据观察图形可得，每增加25%的DG 渗透率，故障水平将增加约2.1%。

3.3 分流母线

图8 显示了分流母线的110／10kV 网络。由于主备母线分离，短路电流只能通过一个变压器供电。

图9 显示在故障水平显著降低后，母线分流被认为是非常有效能减少故障水平的方法。由图可知DG 渗透和故障电流增加不明显。

4 结论

本文提出了一个模拟分析框架，以评估配电网电压水平受分布式发电高渗透水平的影响，并在实际110／35／10kV 配电网模型的基础上进行了仿真研究。研究了DG 渗透率4 个主要影响因素，即对故障水平的影响、对配电网电压的影响、对网损的影响以及对线路负荷的影响。本文仿真研究表明，增加变压器阻抗、安装FCLR、设置分流母线等是有效的解决办法，可以有效减轻故障影响水平。今后的工作将涉及智能逆变器特性的实际研究和测试，以期找到能缓解配电网DG 渗透率对电网影响的新方法。