2022配電網(wǎng)對分布式光伏的接納能力分析

配電網(wǎng)對分布式光伏的接納能力分析引言在常規(guī)能源逐漸枯竭、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的情況下，世界各國積極開發(fā)、利用可再生能源，并將光伏發(fā)電視為重要發(fā)展領(lǐng)域。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，現(xiàn)有的電力系統(tǒng)不斷向高效、清潔、靈活的方向發(fā)展，整個社會的能源利用效率有所提高。然而，分布式光伏接入后配電網(wǎng)由無源網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橛性淳W(wǎng)絡(luò)，可能出現(xiàn)電壓越限、繼電保護裝置誤動或拒動等問題，需要對此進(jìn)行定量分析，并得出分布式光伏的最大接入容量。目前，分布式光伏接入對配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的研究主要集中在電壓偏差與電壓波動方面。文獻(xiàn)[1][2345][67]本文針對配電網(wǎng)對分布式光伏的接納能力，首先采用恒功率分布式光伏與負(fù)荷模型，推導(dǎo)了分布式光伏接入對配電網(wǎng)電壓偏差的影響，分析了分布式光伏對配電網(wǎng)電壓諧波的影響；其次分析了分布式光伏接入后對故障電流的影響情況。利用某區(qū)域?qū)嶋H配電網(wǎng)算例，計算并得出在電能質(zhì)量約束以及不改變現(xiàn)有電流保護整定值的條件下，分布式光伏的最大接入容量。分布式光伏接入對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分布式光伏接入后對配電網(wǎng)的電壓偏差的影響考慮如1LN個節(jié)n個節(jié)點的電壓是，線路始端電壓是，線路標(biāo)準(zhǔn)電壓是VNV0,ii相對線路始端節(jié)ZRjX；配電網(wǎng)i處的分布式光伏系統(tǒng)容量jQpv表示。不考慮分布式光伏接入時，配電網(wǎng)在節(jié)點i處的電壓偏差Ui表達(dá)式如下所示：Figure1.Multinodeconstantpowerdistributionnetwork圖1.多節(jié)點恒功率配電網(wǎng)絡(luò)iUViVNV0V0,iVNiVN VNV0i2Ni1PlRQlX1

(1)V 2 V2N N當(dāng)單獨考慮分布式光伏系統(tǒng)作用于配電網(wǎng)時，先將配電網(wǎng)的系統(tǒng)電源側(cè)短路，配電網(wǎng)線路中的阻抗相對于負(fù)荷而言比較小，故分布式光伏系統(tǒng)對電壓偏差的作用主要表現(xiàn)在分布式光伏系統(tǒng)到系統(tǒng)電源這iii點后的各點電壓偏差，故j的電壓降落Vpvj為：Vpvj

jpvQpv VipvQpv

,ji

(2)

,ji1,N利用電路疊加定理：VjV0,jVpvj，得到配電網(wǎng)中任意一點j處同時在系統(tǒng)電源和分布式光伏系統(tǒng)作用下的電壓降：j2Nj1RPXQ

jpvQpv l l

,j1,i 2 VN VNVj

(3)j2Nj1

ipvQpv

,ji1,N 2 VN VN由前面可知，此配電網(wǎng)的線路端電壓是V0，則線路中任意一點j的電壓是： j2Nj1 RP

jpvQpv l l

,j1,iVj

2j2Nj1

VNRPXQ

VNipvQpv

(4) l l

,ji1,N 2 VN VNj則，含分布式光伏系統(tǒng)的配電網(wǎng)在節(jié)點j處的電壓偏差Uj

表達(dá)式如下所示：V j2Nj1

RPXQ

jpvQpv0 l l 1,jiV 2 V2 V2jj2Nj1jj2Nj1RPXQipvQpv

(5)0 l l 1,ji1,NV 2 V2 V2N N N由方程式(5)可知，分布式光伏系統(tǒng)的接入容量、接入位置均會影響到配電網(wǎng)節(jié)點的電壓偏差。新能源系統(tǒng)接入對諧波電壓畸變量的影響Gkm處接入非線性模型的分布式光伏系統(tǒng)。諧波分析時分布式光伏系統(tǒng)采用諧hIpvspec,hIpv的百分比表h次諧波電流相角為pvspec,h。接入分布式光伏系統(tǒng)的簡化諧波網(wǎng)絡(luò)圖，如2所示。分布式光伏系統(tǒng)接入容量對諧波電壓畸變量的影響PpvPpvVpvdpfpvIpv

(6)r2h2x2r2r2h2x2r2h2x2Vh

Vh,2

Vh,1

I

pvh

GIlh

LL

Ilh

(7)r2h2x2*I

pvh

G0

h

分別為分布式光伏接入前與接入后的h次諧波電壓I

為h次諧波注入電流幅值，G是變壓器低壓側(cè)到分布式光伏系統(tǒng)的距離；L是變壓器低壓側(cè)到負(fù)荷的距離。當(dāng)分布式光伏系統(tǒng)采用電壓控制的運行模式，則Vpv基本保持不變；當(dāng)Ppv增大時，由方程式(6)可知，I

變大。Ppv越大，VhVh,2Vh,1越大，即諧波電壓畸變水平升高得越高。分布式光伏系統(tǒng)接入位置對諧波電壓畸變量的影響假設(shè)分布式光伏系統(tǒng)分別接入配電網(wǎng)線路的G1和G2處，且有G1G2。比較兩種接入情況下，即考慮線路Z處于兩種不同位置(ZG1和ZG2)時，諧波電壓畸變水平的變化差異。r2h2x2分布式光伏系統(tǒng)接入線路ZZr2h2x2VhrjhxZI

pvhIlhZ

pvh

。由于分布式光伏系統(tǒng)采用電壓控制的運行模式，則Vpv基本保持不變，Ppv不變時，由方程式(2)可知，在分布式光伏系統(tǒng)的接入節(jié)點分別為G1和G2時，Ipvh幾乎相同。而G越大，線路末端節(jié)點電壓V就越高，在分布式光伏系統(tǒng)的接入節(jié)點為G2時的Ilh

比接入節(jié)點為G1時的Ilh諧波電壓幅值Vh

G的增大，分布式光伏系統(tǒng)接入點ZZ位置的減小，諧波電壓畸變水平降低。r2h2x2分布式光伏系統(tǒng)接入線路ZZr2h2x2入位置為G時，V

GI IZG

；當(dāng)分布式光伏系統(tǒng)接入位置為G1 hG1

1 pvh

1 lh 2Figure2.Distributionnetworkforharmonicanalysis圖2.用于諧波分析的配電網(wǎng)絡(luò)時，V

GI

IZGI

兩式相減得V

GGI

0，hG2

2 pvh lh

2 lh

hG1

hG2

1 2 pvhr2h2x21Vh(Gr2h2x21

VhG；因此，隨著接入位置G的增大，分布式光伏系統(tǒng)接入點G2之后Z處的諧波電壓Vh變2大，諧波電壓畸變水平升高。2分布式光伏接入對配電網(wǎng)電流保護的影響分布式光伏對配電網(wǎng)電流保護的主要影響是向短路點提供故障電流。當(dāng)不改變分布式光伏接入位置與容量時，短路點位置也會影響分布式光伏提供的短路電流，因此需要考慮在線路不同位置發(fā)生短路故障時，分布式光伏能夠提供的故障電流量；此外，當(dāng)線路相同位置發(fā)生短路故障的情況下，隨著分布式光伏接入位置和接入容量的改變，配電網(wǎng)中分布式光伏提供的短路電流同樣有著較大的改變。分布式光伏的容量增加，所能提供的故障電流增加；因此本節(jié)主要研究配電網(wǎng)中短路點位置與分布式光伏接入位置的相對關(guān)系對故障注入電流的影響。以3所示的配電網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行繼電保護分析。3f1R1R243ZL表示，Z12為節(jié)12aZ12Z23。此時流過保護R1的短路電流是：Ik,R1

EsaZ12

(8)根據(jù)圖4，利用節(jié)點電壓法可以得到分布式光伏端電壓U的表達(dá)式：1 1 S

(9)Z aZ Z

UL 23 s SPjQP；另外假定圖4E0。s Figure3.Distributionnetworkforrelayingprotectionanalysis圖3.用于繼電保護分析的配電網(wǎng)絡(luò)Figure4.Equivalentcircuitdiagramforshortcircuitatf1圖4.f1點發(fā)生短路時的等效電路圖故由方程式(9)并進(jìn)一步展開可以得到：ZLZL1aZ12Z231

U2PZcos

(10) L 由此即可解出分布式光伏端電壓U的大小以及流過保護R2的短路電流：PRL1PRL1aZ23aZ23ZLPRL1aZPRL1aZ23Z 2Z1aZL23ZUaZ23

(12)R1R2有可能檢測到故障電流而先動作，從而使分布式光伏右側(cè)形成孤島運行狀態(tài)。當(dāng)f2、f3與f4點發(fā)生短路時，分析的方法與f1點發(fā)生短路時一致，具體推導(dǎo)過程在此不再贅述。算例分析采用52條支路，6個節(jié)點，每個節(jié)點末端都帶有一定功率的負(fù)荷，其中分布式光伏系統(tǒng)主要通過支路節(jié)點末端接入配電網(wǎng)。110kVxs0.1260.0004H；110kV主變的容量選擇是63110/10.50.95，110kV1.0，110V母線電壓基準(zhǔn)值取110kV10V線路電壓基準(zhǔn)值取10.5V10V公用配變的容量選擇是0.8MV，10/0.40.125/km0.08/km2S×10?6/km，每段1km。各節(jié)點的負(fù)荷情況如下：節(jié)點2、節(jié)點3和節(jié)點4處的負(fù)荷值均為2.23MW，節(jié)點5負(fù)荷取10kV公用配變的極限容量0.8MW6用于模擬110V變電站其余10V12.02MW。考慮電能質(zhì)量的分布式光伏準(zhǔn)入容量電壓偏差100WMMW和11中可以看出，當(dāng)線路潮流方向不發(fā)生變化時，隨著分布式光伏接入容量的增加，減小了配電6.69MW選取節(jié)點2、節(jié)點3和節(jié)點4作為分布式光伏的接入位置，分布式光伏接入容量設(shè)定為13.38MW。通過2可知，隨著分布式光伏接入位置越靠近線路末端，配電網(wǎng)節(jié)點電壓偏差越大，當(dāng)分布式光413.38MW4GB/T《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》規(guī)定的±7%410.41MW。電壓諧波采用同樣的方式針對電壓諧波總畸變率展開研究，光伏接入容量變化時各節(jié)點電壓諧波總畸變率如3所示。由3可知，配電網(wǎng)節(jié)點電壓諧波總畸變率與光伏接入容量正相關(guān)，隨著光伏接入容量的增Figure5.Atypicaldistributionnetwork圖5.典型配電網(wǎng)絡(luò)Table1.NodevoltagedeviationwhenthePVcapacitychanges表1.光伏接入容量變化時節(jié)點電壓偏差光伏接入容量節(jié)點號12340.669MW?0.41%?5.01%?8.00%?9.69%3.345MW?0.40%?3.23%?4.48%?6.11%6.69MW?0.39%?1.27%?0.57%?2.14%10.035MW?0.40%0.50%2.99%1.48%13.38MW?0.41%2.12%6.28%4.82%Table2.NodevoltagedeviationwhenthePVlocationchanges表2.光伏接入位置變化時各節(jié)點電壓偏差光伏接入位置節(jié)點號1234節(jié)點2?0.40%2.33%?0.78%?2.35%節(jié)點3?0.41%2.12%6.28%4.82%節(jié)點4?0.43%1.71%5.49%10.87%Table3.NodevoltagedeviationwhenthePVcapacitychanges表3.光伏接入容量變化時各節(jié)點電壓諧波總畸變率光伏接入容量節(jié)點號12340.669MW0.20.320.3370.3293.345MW0.2000.6010.8850.6436.69MW0.2000.8031.5710.88710.035MW2.3533.1663.4363.30113.38MW3.074.1544.5154.33413.38MW2、34GB/T±4%的311.78MW。當(dāng)分布式光伏接入位置變化時，各節(jié)點電壓諧波總畸變率情況如表4所示。通過4可知，分布式光伏接入點的電壓諧波總畸變率與分布式光伏接入位置無關(guān)，僅與分布式光伏的接入容量有關(guān)；且分布式光伏接入位置越靠近線路末端，分布式光伏諧波傳播的距離越遠(yuǎn)，諧波衰23和節(jié)413.38MW234GB/T14549-2008±4%234的分布式光伏的最大接入容量是11.78MW。通過對比3和4可知，含分布式光伏的配電網(wǎng)節(jié)點電壓偏差越限時對應(yīng)的分布式光伏的最大接入容量，小于含分布式光伏的配電網(wǎng)節(jié)點電壓諧波總畸變率越限時對應(yīng)的分布式光伏的最大接入容量。因此，當(dāng)含分布式光伏光伏的配電網(wǎng)節(jié)點電壓偏差和節(jié)點電壓諧波總畸變率同時越限時，應(yīng)該優(yōu)先考慮節(jié)點電壓偏差越限問題。考慮電流保護的分布式光伏準(zhǔn)入容量本文以分布式光伏接入前配電網(wǎng)的電流保護整定值為約束，分析該條件下分布式光伏接入的最大容R1R2R3R4電流速斷保護的整定應(yīng)按躲開下級線路保護母線側(cè)短路時可I段可靠性系數(shù)取為1.2II段可靠系數(shù)取為1.1III段可靠系數(shù)取為1.15、1.30.851~4的整定計算結(jié)果如5所示。6為結(jié)合5和6f310.35MWR2的故障電流(15.244)(15.27)2的二段保護無法作為3的遠(yuǎn)310.01MW。結(jié)合5和7f313.38MWR2的故障電流(17.703kA)小于其限時電流速斷整定值(17.151kA)R2R3同時動作切除故障而失212.96MW。Table4.NodevoltagedeviationwhenthePVlocationchanges表4.光伏接入位置變化時各節(jié)點電壓諧波總畸變率光伏接入位置節(jié)點號1234節(jié)點23.3374.5154.3194.221節(jié)點33.074.1544.5154.334節(jié)點42.5593.7634.0644.515Table5.Feedercurrentprotectionsettingvaluewithoutconsideringdistri-butedPV表5.不考慮分布式光伏接入的饋線電流保護整定值(kA)接入位置瞬時電流速斷整定值Iset.I限時電流速斷整定值Iset.II130.19021.066217.15115.27313.883——430.190——Table6.ShortcircuitcurrenteffectivevalueofeachprotectionwhenthePVcapacitychanges表6.光伏接入容量變化時各保護流過的短路電流有效值(kA)光伏接入容量保護名稱R1R2R3R40.669MW17.70315.80015.1870.7223.345MW17.24215.647