分布式光伏接入的低压配电网网格规划

梁尚达

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司）

0 引言

分布式光伏接入的低压配电网网格规划过程中应充分考虑光伏消纳能力， 在需求指标下做好光伏接入方式的设计和光伏并网保护的优化， 使其能够始终处于安全、 稳定、 高效、 经济运行状态。研究围绕多目标粒子群优化算法， 以电流总谐波畸变率、 电压偏差、 电压波动为目标， 设计分布式光伏并网模型。同时， 结合低压配电网运行现状， 调整电压等级、 加强线路管理、 定期检修维护， 为分布式光伏并网管控提供了有效参考， 现具体内容如下。

1 分布式光伏接入对低压配电网的影响

从供电方式来看， 我国光伏发电系统可以划分为独立用户型、 并网型和复合型。其中， 独立用户型配电网体系主要借助太阳能光伏整体系统控制电压实现， 即运用太阳能光伏发电技术进行电压源参数的调整和控制； 并网型配电网体系主要借助控制设备控制电流实现， 即运用UPS、 太阳能光伏发电机等对电压源电流参数进行调整和控制； 复合型是将两者结合，通过PⅤ和UPS 融合完成电压、 电流控制的转换， 从而实现光伏发电系统的控制。

现阶段我国低压配电网主要为复合型分布式光伏系统， 其采用PⅤ和UPS 接入环节很容易产生电能损耗或系统扰动， 在一定程度上影响了配电网运行的安全性、 可靠性和稳定性， 其具体表现在：

（1） 电压波动。分布式光伏并网过程中会改变原低压配电网的辐射结构， 导致负荷多源化。此时， 电压等级存在明显波动， 尤其是在大规模接入时， 其线路有功功率和无功功率差异较大， 很容易出现由接入电压波动、 负荷不匹配等造成的电压失衡。长此以往， 低压配电网中光伏接点区域电流逐渐加大， 线路线路有功损耗和无功损耗骤增， 严重制约了其运行经济效益。

（2） 谐波振动。分布式光伏并网过程中会使配电网的短路电容加大， 进而引起潮流波动。尤其是在非线性装置使用的过程中， 会导致逆变电流波动， 严重时甚至在配电网运行过程中产生多次谐波电流， 造成并网后功率不均衡、 过电压损耗加剧， 加大了低压配电网的隐蔽风险。

（3） 保护方式。分布式光伏并网过程中会使配电网保护方式转变。一般光伏并网时对电流监测要求较为严格， 需根据电流异常情况展开三段式保护。即在光伏接入点处设置瞬时速断、 时限速断， 以最大短路电流进行整定， 开启接入区域的过电流控制及相关后备保护， 以降低电压波动、 谐波振动等对配电网及其设备的影响。

2 分布式光伏接入的低压配电网规划方案

2.1 总体规划

分布式光伏接入低压配电网时应充分考虑电压质量及电能效益。总体规划环节可采用TCP/ⅠPZ总线形成上下两层拓扑。其中， 上层拓扑由UPS 供电， 通过检测机、 监控机及打印机进行分布式光伏并网中电力数据的采集， 确定其整体情况并进行规划调控； 下层拓扑由人机界面、 通信服务器和通信网关构成， 工控面板中可直接显示配电网环境信息、 抄表数据、 设备状态等， 如图1所示。

2.2 关键要素

（1） 接入判定。分布式光伏并网时应先对接入情况进行评估， 考虑约定光伏发电容量、 配电网电能质量等， 确定分布式发电接入量， 从而使其能够顺利为线路供电， 如图2所示。

图2 分布式光伏并网接入判定

为保证低压配电网的运行效益， 在分布式光伏并网时首先应进行容量预测及接入评估。即依照约定的光伏发电接入容量进行综合分析， 通过判断接入后配电网的电能质量决定是否接入电网， 判定良好可以直接进行接入， 判定一般需要进行高压供电， 判定较差进入分析阶段。若电流总谐波率异常， 则应适当改变接入位置， 以减少畸变率； 若电压出现明显偏差， 则可能是由于配电网功率因数异常导致， 应增加响应的无功补偿装置； 若为存在轻微电压电流， 则可能是由于潮流波动造成了相间短路， 应更换新的装置并进行检查， 以保证接入判定科学、 合理、 高效。

（2） 接点选择。分布式光伏并网接点选择时可通过等效电路模型找到最佳方案。即利用简化后的矢量分析图确定配电网谐波电压Upo与输出侧汇合电流值It之间的关系， 通过优化接入点的位置和接入点的数量， 使其系统等效阻抗对谐波电压影响最小， 达到抑制谐波扰动的效果。

在确定光伏并网容量且允许接入后， 应充分考虑配电网中的有源系统， 依照接入点情况对配电线路进行简化， 形成矢量分析图。一般有源系统中， 配电网等效谐波阻抗与接入点的等效组织和输出侧回合电流值呈负相关。按照基尔霍夫定律进行等效接点转换，可确定配电网的谐波电压为：

式中，k表示分布式光伏电源接入位置；n表示接入点数量；RC表示母线节点线路等效阻抗；PL表示负荷间的等效阻抗。

（3） 并网方式。分布式光伏并网方法的不同对配电网电压的影响存在明显差异。因此， 必须要做好接入点的选择， 按照负荷分布情况、 电源接入后的影响等找到最优接入点。必要时还可以控制分布式光伏等级， 以保证就地消纳， 降低系统能耗， 如图3所示。

图3 分布式光伏并网方式

上述光伏接入时可通过专线并网模式或T接功用线路并网模式实现， 前者主要是将接入点选在配电网的低压台区母线侧， 通过并网点直接接入， 其稳定性差、 成本较高； 后者主要是将接入点选在配电网双回线上， 以T 接方式增加并网开关， 从而使负荷干线能够按要求供配电， 有效缓解了用电紧张问题。

3 分布式光伏接入的低压配电网运行优化

3.1 加强用电规划， 控制电压波动

分布式光伏接入到低压配电网中后， 应全面把控用电需求， 做好负荷预测和用电规划。一般可通过日负荷曲线、 月负荷曲线、 年负荷曲线等， 确定分布式光伏并网接入量， 形成对应等级的电压系数。如可在负荷曲线中分析用电峰谷平情况， 计算单位时间内的平均负荷、 有功负荷、 无功负荷等。根据负荷指标和总供电量确定缺口情况调整光伏发电量， 使在新能源消纳能力范围内。

此外， 在分布式光伏并网过程中还需要根据电压波动情况做好计算和处理。如可通过电压波动模型分析电压变化趋势， 确定光伏电站接入后电压的波动值、 波动频次和波动时间段等； 利用半步变量潮流推算法确定分布式光伏电站接入后系统的潮流波动情况等。确定上述关键数据后， 应选用配套SⅤC装置进行负反馈调节， 从根本上消除由配电网波动引起的负荷损失， 提升分布式光伏并网的安全性、 稳定性和经济性。

3.2 明确管理规范， 做好并网管控

分布式光伏并网后会对配电网结构产生明显冲击， 引起电压偏差、 谐波振动等。因此， 在配电网管理过程中应根据分布式并网接入的管理标准， 对关键量进行严格控制， 保证其在安全阈值内， 从而增强配电网的安全性能和可靠系数， 如表2所示。

表2 分布式光伏并网接入的管理标准

在上述过程中必须加强配电网结构的管控， 继续深化分布式光伏电站接入后的电压规划和潮流规划，并按照实际情况设置保护装置， 如馈线保护、 继电保护等自动化保护系统， 从而保证分布式光伏并网后的安全性、 稳定性和可靠性。

3.3 定期检修维护， 消除安全隐患

分布式光伏并网过程中必须做好日常维护和故障检修。维护过程中应注意对分布式光伏并网中的设备、 组件等进行检查， 确定其是否存在绝缘缺陷及异常损坏， 对其进行清理、 维护或更换。

故障检修过程中应注意排查消缺， 在不停电作业基础上做好全面检查， 重点测量电压波动、 潮流谐波等， 针对隐患缺陷开展对应处理， 以保证分布式光伏并网接入的安全效益和经济效益。如谐波处理中可增加有源电力滤波器， 通过滤波器补偿有效解决电压波动， 或在逆变器逆变过程中增加虚拟阻抗回路； 继电保护时可在接入点后方安装整定装置， 避免过电流造成的并网异常； 孤岛保护动作应在2s 内可靠动作， 快速切断供电， 以保障配电网设备的安全效益等。

4 结束语

光伏发电效率高、 清洁环保， 在我国电力系统供配电环节应用前景广阔， 值得深入研究和挖掘。分布式光伏接入低压配电网时应做好总体规划， 从管理系统和监测系统出发， 构建分布式光伏并网的管控拓扑； 运用网格模型和节点模型， 确定分布式光伏接入对低压配电网的影响情况， 合理评估并网效果， 科学选择接入点、 并网方式、 电压参数等， 使光伏发电能够全面消纳， 从根本上推动我国清洁配网建设和发展进程。