國網(wǎng)北京市電力公司 師恩潔

國網(wǎng)北京市電力公司 丁冬

專利局專利審查協(xié)作北京中心 劉勇

1 引言

本文首先根據(jù)接入配電網(wǎng)的分布式電源的V-P關(guān)系，確定了過電壓是引起一系列問題的根源，然后本文中采用了DG運行在超前功率因數(shù)狀態(tài)下，通過吸收無功功率防止系統(tǒng)過電壓，以及消除可能產(chǎn)生的系統(tǒng)波動和電壓崩潰。

本文指出在系統(tǒng)負(fù)載最小和發(fā)電功率最大的情況下，系統(tǒng)過電壓最嚴(yán)重。這與傳統(tǒng)的負(fù)載功率和發(fā)電功率之間的關(guān)系正好相反[1]。本文提出了一種配電網(wǎng)電壓的系統(tǒng)分析方法，提出了一種適于實際應(yīng)用的分布式電源容量確定方法，使饋線電壓和電壓波動在可接受的范圍內(nèi)的同時，使接入的多個分布式電源的容量最大，對變電站中的其他設(shè)備影響最小。與其他方法相比，本方案簡單可靠。

2 電壓-功率關(guān)系 V-P關(guān)系

2.1 傳統(tǒng)的配電網(wǎng)V-P關(guān)系

一個典型的變電站為12路或者8路饋線，這些饋線輻射到多個配電變壓器。許多輸電線需要長距離供電，我國多采用35kV以下配電網(wǎng)，典型的10kV輸電線輸電距離約為10km，輸送功率200～300kW典型的20kV輸電線輸電距離超過20km，輸送功率500～800kW。假定最小負(fù)載為峰值負(fù)載的30%，整個輸電線路上的電壓值保持在0.94～1.06p.u.[2]。當(dāng)輸電線路上的電壓在正常運行范圍內(nèi)時，配電網(wǎng)中的電路元件可以認(rèn)為線性阻抗元件。因此，在配電網(wǎng)側(cè)V-P關(guān)系可以由一個戴維南等效電路來研究。

圖1表示在接入DG的配電網(wǎng)戴維南等效電路，V-P關(guān)系曲線可以由下面的式1表示。

圖2表示傳統(tǒng)的沒有分布式發(fā)電設(shè)備，僅有負(fù)載接入公共點的典型V-P關(guān)系曲線。此時，當(dāng)負(fù)載增加時，由于其功率因數(shù)滯后，負(fù)載吸收無功，公共點處的電壓下降。這種情況下，電壓控制非常簡單，僅需要饋線功率增加時，保持母線電壓不下降即可。實際上，一般含有電容補償設(shè)備的變電站低壓側(cè)母線電壓一般保持在1.035～1.055p.u.之內(nèi)。

圖1 分布式發(fā)電設(shè)備戴維南等效電路

但是，當(dāng)配電網(wǎng)側(cè)接入分布式發(fā)電設(shè)備，其發(fā)電功率超過用電功率時（即，產(chǎn)生了一個反向的潮流），分布式發(fā)電設(shè)備輸出功率增加時，饋線電壓增大。由于在最小負(fù)載時，典型的饋線電壓保持在電壓上限下0.005p.u.，因此可以接入的DG將非常有限。但是不能為了能夠使饋線接入更多的DG，而降低變電站低壓側(cè)母線電壓，因為其他很多出線側(cè)沒有接入DG，他們與接入DG的饋線接在相同的變電站母線上[3-4]。

圖2 傳統(tǒng)輸電線路V-P關(guān)系曲線

為了在最小負(fù)載工況下接入更多的DG而不至于使電壓越限，分布式發(fā)電設(shè)備需要在超前功率因數(shù)下運行，即吸收無功，保持電壓穩(wěn)定[5-6]。但是這樣的運行方式容易產(chǎn)生電壓跌落和比較大的電壓波動，下面的部分重點介紹這部分內(nèi)容。

2.2 DG在單位功率因數(shù)下運行

一般分布式電源多為電力電子接口的發(fā)電設(shè)備，其多采用固定功率因數(shù)運行[3]。公式1中的V-P關(guān)系與傳統(tǒng)輸電系統(tǒng)中的關(guān)系類似，但是有兩點不同。首先，配電網(wǎng)絡(luò)中電抗與電阻的比例范圍在1～5之間，但是在高壓輸電系統(tǒng)中，這個比例高達(dá)10～30。因此，在分析電壓問題時，高壓輸電系統(tǒng)中的經(jīng)常被忽視的電阻分量在配電系統(tǒng)中不能忽略。其次，配單網(wǎng)多為輻射型，其比輸電網(wǎng)絡(luò)相比更脆弱，因此配電網(wǎng)與DG的公共節(jié)點處的電壓受DG輸出功率影響很大[4]。這兩個難題是含有DG配電網(wǎng)很難保持電壓穩(wěn)定的主要原因。

圖3表示在距離35kV變電站20km的公共節(jié)點處的P-V曲線，假設(shè)變電站的容量為800MVA。由圖3可以看出，單位功率運行時，PCC處的電壓隨著功率增加到一定值后開始下降，電壓的變化可以由式(2)表示。其中下標(biāo)0表示運行點。

等式表示了PCC處電壓與注入功率的關(guān)系，在單位功率因數(shù)下，注入無功ΔQ為0，電壓變化僅僅與輸入有功功率ΔP相關(guān)。在配網(wǎng)中θ0很小，因此為數(shù)，恒定功率P下，等效阻抗中電阻的比例越大，電壓變化越快。當(dāng)時，運行電壓達(dá)到最大值。

圖3 單位功率因數(shù)運行DG的PCC處V-P關(guān)系曲線

2.3 DG非單位功率因數(shù)運行

在圖3中，DG的戴維南等效電路的開路電壓V1被設(shè)置是為1p.u.，實際配電系統(tǒng)中的V1在1.035～1.055p.u.之間，由此可見，圖2表示了在DG運行在單位功率因數(shù)時，母線電壓很容易產(chǎn)生過電壓問題。因而，在許多情況下，分布式電源必須工作在超前功率因數(shù)運行方式，來避免系統(tǒng)過電壓。

由公式2可知，在DG不在單位功率因數(shù)下運行時，ΔQ不再是0，PCC處的電壓與ΔQ和ΔP均相關(guān)。當(dāng)功率角θ0為正時，由于因此PCC處的電壓對ΔQ更加敏感。功率因數(shù)的一個輕微變化會引起ΔQ的巨大變化，因此嚴(yán)重影響到PCC處的電壓水平。

圖4表示了DG工作在不同的功率因數(shù)下V-P關(guān)系。由圖可以看出，DG可以工作在超前功率因數(shù)的模式下，來避免系統(tǒng)過電壓，但是這種工作模式可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓過低，或者電壓不穩(wěn)定。

圖4 功率因數(shù)不同時PCC處V-P關(guān)系曲線

3 其他影響PCC處電壓的因素

3.1 負(fù)荷水平對PCC處電壓的影響

圖5表示了在負(fù)荷水平PL=0、PL=2.5MW和PL=5.0MW時的V-P曲線圖，其中藍(lán)線表示單位功率因數(shù)運行下的電壓變化，紅線表示功率因數(shù)為-0.99時的電壓變化。

由圖5可以看出：1、DG滯后功率因數(shù)運行時，負(fù)荷增加PCC處下降；2、當(dāng)DG以較大的功率因數(shù)運行時，PCC處的電壓會隨著DG功率增大升高到一個高點；3、當(dāng)DG超前功率因數(shù)運行時，DG輸出功率增加引起的電壓下降與負(fù)荷增加引起的電壓下降疊加在一起；4、最大電壓點與分布式電源的功率因數(shù)有關(guān)。

由于DG輸出功率增加引起的電壓下降與負(fù)荷增加引起的電壓下降疊加在一起，因此DG運行工況下的功率因數(shù)必須慎重選擇。

3.2 變電站短路容量的影響

在高壓輸電系統(tǒng)中，線路主要是感性的，阻性分量可以本忽略。但是當(dāng)變電站短路容量較小時，在PCC處較小的X/R就會對系統(tǒng)電壓產(chǎn)生更大的影響。圖6所示的系統(tǒng)中變電站短路容量減少為200MVA，其余參數(shù)與圖5中的相同，圖中可以看出，當(dāng)DG以超前功率因數(shù)運行時，其輸出容量不足20MW時便出現(xiàn)了電壓跌落現(xiàn)象。

圖5 DG單位功率因數(shù)和非單位功率因數(shù)運行下V-P關(guān)系曲線（其中X/R=4.0）

圖6 配電網(wǎng)不同負(fù)荷水平下PCC處V-P曲線關(guān)系(其中變電站短路容量200MVA)

4 電壓管理的方法

在接入DG的配電網(wǎng)中，盡管IEEE1547標(biāo)準(zhǔn)[7]建議DG不要主動改變PCC處的電壓，但由于大容量的DG接入產(chǎn)生了電壓波動問題，因此需要采取合適的電壓管理措施。例如，當(dāng)DG對下級電壓進行主動調(diào)節(jié)，可能導(dǎo)致上級配電網(wǎng)不能根據(jù)負(fù)載的變化進行主動控制。如前所述，為了避免系統(tǒng)電壓跌落，DG應(yīng)該采用接近單位功率因數(shù)運行；為了防止系統(tǒng)過電壓，DG應(yīng)該采用超前功率因數(shù)運行，為了保持二者的平衡，同時保證系統(tǒng)接入的DG容量最大，應(yīng)該采取以下方法。

1）接入配電網(wǎng)的所有DG應(yīng)該進行固定功率因數(shù)運行，通過對配電系統(tǒng)的分析，確定一個合理的功率因數(shù)值。

2）所有接入配電網(wǎng)的DG容量應(yīng)小于變電站短路容量的20%。

3）當(dāng)接入配電網(wǎng)饋線的DG固定功率因數(shù)運行時，饋線電壓上升應(yīng)小于3%。

4）當(dāng)DG超前功率因數(shù)運行時，其吸收無功功率，其功率因數(shù)應(yīng)該不大于0.95。

為了限制短期的電壓波動、功率波動和過電壓問題，通過測量PCC處的V-P曲線來確定合適的DG輸出功率水平，進而確定其運行狀態(tài)下的功率因數(shù)。

5 結(jié)論

通過比較PCC處V-P關(guān)系曲線，本文分析了影響配電網(wǎng)饋線電壓水平的主要因素。然而配電網(wǎng)接入DG以后，為了解決饋線過電壓問題而采取的一些措施，容易引起電壓跌落和波動。本文系統(tǒng)分析了影響母線電壓的因素，給出了在保持電壓在合格的要求下，使接入DG容量最大的方法。

1）DG單位功率因數(shù)運行時，由于配電網(wǎng)饋線的電抗與電阻之比較低，PCC處電壓迅速增加，引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；

2）當(dāng)DG采用超前功率因數(shù)運行時，可以在一定程度上避免PCC處的過電壓，但是當(dāng)接入DG容量過大時，當(dāng)負(fù)載增加引起的系統(tǒng)電壓降低時，存在系統(tǒng)電壓崩潰的危險；

3）為了解決電壓崩潰問題，可以采用V-P分析的方法確定PCC處電壓在正常范圍內(nèi)時，DG需要的最佳運行功率因數(shù)；

4）所有接入配電網(wǎng)的DG容量應(yīng)小于變電站短路容量的20%，當(dāng)DG超前功率因數(shù)運行時，其功率因數(shù)應(yīng)該不大于0.95。

[1]Masters,C.L,Voltage rise: the big issue when connecting embedded generation to long 11kV overheadlines, Power engineering Journal Vol.16 Issue 2002.(1), pp.5-12 .

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[4]李晶.分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的無功控制策略[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2011,01:155-159.

[5]Ayres, H.M.; Freitas, W.; De Almeida, M.C.; Method for determining the maximum allowable penetration level of distributed generation without steady-state voltage violations, Generation, Transmission & Distribution, IET, Vol. 4, 2010 (4),pp.495-508.

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