李勝男，吳水軍，何廷一，高瑞林，鄭子萱

(1.云南電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

基于隨機(jī)情景法的配電饋線(xiàn)光伏電源承載能力分析

李勝男1，吳水軍1，何廷一1，高瑞林2，鄭子萱2

(1.云南電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

隨分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在配電網(wǎng)的不斷接入，受過(guò)電壓、電壓穩(wěn)態(tài)變化、三相不平衡等因素影響，配電網(wǎng)安全可靠性將下降。提出一種基于隨機(jī)情景法的配電饋線(xiàn)PV承載能力分析方法，以過(guò)電壓、電壓變化、三相不平衡等為約束指標(biāo)，研究了光伏電源接入方式給不同電壓指標(biāo)造成的影響，并根據(jù)影響結(jié)果篩選恰當(dāng)?shù)碾妷杭s束條件。采用OpenDSS配電網(wǎng)仿真軟件分析IEEE 123節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)模型和Ckt-5配電網(wǎng)，結(jié)果驗(yàn)證了以電壓為約束指標(biāo)的配電網(wǎng)光伏電源隨機(jī)情景承載能力分析法的有效性和正確性。

配電饋線(xiàn)；光伏電源承載能力；電壓約束；隨機(jī)情景法

隨著資源與環(huán)境問(wèn)題日益突出，光伏、太陽(yáng)能等清潔能源利用已成為發(fā)展趨勢(shì)[1]。大量光伏發(fā)電裝置接入配電網(wǎng)可有效改進(jìn)電源支撐能力，滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的負(fù)荷需求和可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題，因此，國(guó)家明確規(guī)定，5 MW及以下容量光伏發(fā)電裝置可無(wú)條件接入電網(wǎng)。但光伏等清潔能源依賴(lài)于風(fēng)力、日照等自然環(huán)境，其固有的間歇性、波動(dòng)性、不可控性等影響配電網(wǎng)承載能力的問(wèn)題成為了必須考慮的重要課題[2-6]。配電網(wǎng)中供電質(zhì)量、供電可靠性是必須關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，而電壓是配電網(wǎng)中最主要的電能質(zhì)量問(wèn)題，供電可靠性考察的是長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷，因此，考慮電壓約束、研究配電網(wǎng)對(duì)光伏發(fā)電的承載能力具有重要理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

承載能力是21世紀(jì)以來(lái)以歐洲國(guó)家為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家用于評(píng)價(jià)未來(lái)電網(wǎng)特性的一種方法，其中，承載能力作為一個(gè)定性概念，具有一定的開(kāi)放性，通常根據(jù)所研究問(wèn)題采用不同的指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)。為此，國(guó)內(nèi)外對(duì)承載能力問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，尤其是針對(duì)分布式光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電接入配電網(wǎng)，對(duì)配電饋線(xiàn)的分布式電源承載能力開(kāi)展了大量研究。文獻(xiàn)[2]考慮現(xiàn)有配電網(wǎng)保護(hù)配置，以不出現(xiàn)反向潮流為原則，對(duì)最小負(fù)荷限制進(jìn)行了研究，從容量滲透率角度對(duì)光伏接納能力進(jìn)行了評(píng)估，從能量滲透率角度對(duì)提升接納能力的幾種措施進(jìn)行了比較；文獻(xiàn)[3-4]假設(shè)光伏布點(diǎn)與負(fù)荷呈同分布，以電壓波動(dòng)與電壓偏差為約束，分6種情況推導(dǎo)出了可接入光伏容量的最大值，以10 kV典型配電網(wǎng)為例進(jìn)行了實(shí)際研究；文獻(xiàn)[5]結(jié)合配電網(wǎng)元件參數(shù)建立了典型配電網(wǎng)模型，考慮10 kV綜合電壓偏移、功率因數(shù)、諧波電流限值制，研究了光伏接入容量的邊界；文獻(xiàn)[6]考慮過(guò)電壓限制，通過(guò)簡(jiǎn)化模型分析了配電饋線(xiàn)的阻抗比、上級(jí)配電網(wǎng)電壓和負(fù)荷分配對(duì)分布式光伏電源接入點(diǎn)處電壓的影響；文獻(xiàn)[7]使用Digsilent/Power Factory搭建IEEE 33節(jié)點(diǎn)模型，研究了分布式光伏接入位置對(duì)電能質(zhì)量的影響，并選取4條配電饋線(xiàn)研究了不同電能質(zhì)量指標(biāo)限制下接入容量的極值，建立了基于電流注入法的三相極限峰值功率模型，用IEEE 33節(jié)點(diǎn)模型研究了單節(jié)點(diǎn)和多節(jié)點(diǎn)光伏接入極限容量；文獻(xiàn)[8]對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器造成的配電網(wǎng)諧波影響進(jìn)行了研究，結(jié)合熵值法提出了多節(jié)點(diǎn)分布式光伏接入容量確定方法，提出了分布式或集中式光伏發(fā)電裝置接入電網(wǎng)的建議。事實(shí)上，研究光伏等清潔能源接入電網(wǎng)，除了被動(dòng)地研究可能造成的電能質(zhì)量問(wèn)題和電網(wǎng)的影響外，主動(dòng)研究電網(wǎng)對(duì)光伏等清潔能源的承載能力，并通過(guò)對(duì)承載能力的深入理解， 尋找清潔能源與電網(wǎng)、用戶(hù)協(xié)同發(fā)展的科學(xué)規(guī)律、科學(xué)方法、有效措施是當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)的重要課題。

配電網(wǎng)的光伏承載能力不僅與光伏發(fā)電容量、數(shù)量和接入位置有關(guān)，還與配電網(wǎng)和配電饋線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、元件參數(shù)等有關(guān)，從配電網(wǎng)中最突出的電壓?jiǎn)栴}角度看，還必須考慮配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償和調(diào)壓措施。文獻(xiàn)[2-7]對(duì)于儲(chǔ)能元件配置、配電饋線(xiàn)類(lèi)型對(duì)于承載能力的影響進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[9-10]提出了基于隨機(jī)情景法的配電網(wǎng)接入的分析框架，結(jié)合多情景光伏接入的穩(wěn)態(tài)分析，提出了滿(mǎn)足一定約束的配電網(wǎng)承載能力分析方法；文獻(xiàn)[11]在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上，以4條實(shí)際饋線(xiàn)為例，對(duì)中壓?jiǎn)吸c(diǎn)光伏接入的承載能力進(jìn)行了研究，基于饋線(xiàn)并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(FIRST)理論提出了饋線(xiàn)各點(diǎn)承載能力分區(qū)方法?，F(xiàn)有研究均基于一定限制開(kāi)展研究，能反映電網(wǎng)承載能力，但需要大量數(shù)據(jù)，評(píng)估成本高，僅適合于光伏等小規(guī)模接入。為此，文獻(xiàn)[11]提出了考慮電壓越限和熱穩(wěn)越限的承載能力快速評(píng)估方法；文獻(xiàn)[13]提出了結(jié)合中低壓雙層電網(wǎng)的綜合承載能力評(píng)估方法；文獻(xiàn)[14]基于承載能力概念對(duì)多種分布式電源接入時(shí)配電網(wǎng)的承載能力進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[15]采用數(shù)據(jù)聚類(lèi)技術(shù)，用8項(xiàng)系統(tǒng)特征對(duì)美國(guó)加利福尼亞7929例饋線(xiàn)進(jìn)行特征分類(lèi)，并對(duì)饋線(xiàn)承載能力進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；文獻(xiàn)[16]等還對(duì)承載能力提升問(wèn)題進(jìn)行了探索。遺憾的是，針對(duì)配電饋線(xiàn)光伏承載能力的研究深度還不足，現(xiàn)有方法較復(fù)雜，難以滿(mǎn)足工程應(yīng)用需要。

筆者利用OpenDSS配電網(wǎng)仿真工具，基于隨機(jī)情景法研究配電網(wǎng)承載能力評(píng)估方法?？紤]實(shí)際配電網(wǎng)運(yùn)行中最關(guān)注的過(guò)電壓、電壓變化、三相電壓不平衡等電壓約束，提出承載能力評(píng)估中的電壓約束選取方法和配電饋線(xiàn)光伏發(fā)電裝置接入敏感點(diǎn)分析方法；對(duì)不同容量光伏接入時(shí)配電饋線(xiàn)的承載能力進(jìn)行詳細(xì)研究，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證提出方法的有效性和正確性。

1 配電饋線(xiàn)承載能力與電壓約束

1.1 配電網(wǎng)承載能力

承載能力概念是由歐洲電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商提出，用于評(píng)估未來(lái)配電網(wǎng)性能，并作為預(yù)判未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展新形勢(shì)的技術(shù)路線(xiàn)[17]。分布式光伏接入使配電網(wǎng)逐漸演變?yōu)橹鲃?dòng)配電網(wǎng)，這樣的電網(wǎng)可通過(guò)計(jì)算承載能力可接入光伏發(fā)電容量及其對(duì)電網(wǎng)的影響。

如圖1所示，分布式光伏接入時(shí)，承載能力定義為配電網(wǎng)性能指標(biāo)下降至電網(wǎng)不可承受限值時(shí)分布式光伏能源的接入容量。滲透(接入)容量超過(guò)配電網(wǎng)承載能力時(shí)，負(fù)面影響累積到危害電網(wǎng)運(yùn)行不可接受程度。承載能力的大小與電網(wǎng)性能指標(biāo)的變化規(guī)律、所選擇的衡量標(biāo)準(zhǔn)等有關(guān)。配電網(wǎng)原有運(yùn)行狀態(tài)越好，對(duì)光電的承載能力越強(qiáng)。但承載能力評(píng)價(jià)時(shí)，所選標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所得評(píng)價(jià)結(jié)果影響較大，為了真實(shí)反應(yīng)配電網(wǎng)的承載能力，需綜合多種可能標(biāo)準(zhǔn)，并篩選出最恰當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。

圖1 承載能力

如果度量承載能力的標(biāo)準(zhǔn)為單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，可用特性指標(biāo)函數(shù)表示，并由此得出評(píng)價(jià)指標(biāo)與滲透容量間的關(guān)系，如圖2所示。基于隨機(jī)情景法，以電壓偏差為評(píng)價(jià)指標(biāo)，指標(biāo)約束為0.03 p.u.，可進(jìn)行簡(jiǎn)要分區(qū)，其中，區(qū)間A沒(méi)有越限，光伏接入的影響在可承受范圍內(nèi)，區(qū)間B的起始點(diǎn)出現(xiàn)了電壓越限，相應(yīng)的滲透容量為配網(wǎng)最小承載能力，區(qū)間C中全部情景均越限，此時(shí)的光伏容量配電網(wǎng)不可承受，電網(wǎng)的電壓質(zhì)量與運(yùn)行安全無(wú)保證。

圖2 最小承載能力與最大承載能力

在配網(wǎng)調(diào)度規(guī)劃時(shí)，最小承載能力反映電網(wǎng)度接入光伏的最嚴(yán)限制，是規(guī)劃光伏接入時(shí)的約束性指標(biāo)；最大承載能力反映電網(wǎng)對(duì)接入光伏的絕對(duì)限制，超過(guò)該限制，系統(tǒng)運(yùn)行不安全。承載能力邊界可定義為越限節(jié)點(diǎn)占比，如圖3所示，限制條件若為20%節(jié)點(diǎn)越限，承載能力是指首個(gè)越限節(jié)點(diǎn)接入的光伏發(fā)電容量超過(guò)20%，能從整體上反映配電網(wǎng)光伏承載能力。

1.2 承載能力的算法與電壓約束

承載能力的算法[17]：

1)選取符合分布式光伏接入的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和所對(duì)應(yīng)的特性指標(biāo)；

2)依標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定特性指標(biāo)的約束條件；

3)按評(píng)價(jià)指標(biāo)列出對(duì)應(yīng)性能指標(biāo)與接入光伏容量間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算承載能力；

4)完成計(jì)算，得出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的承載能力。

承載能力計(jì)算的核心和難點(diǎn)是選取適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)應(yīng)的約束條件。分布式光伏接入配電網(wǎng)的不利影響體現(xiàn)在多方面，合理選擇評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，避免不必要的數(shù)據(jù)處理，對(duì)于實(shí)際工程中承載能力評(píng)估具有重要意義。

理想情況下，配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)運(yùn)行在標(biāo)稱(chēng)電壓條件下。光伏電源接入配網(wǎng)的電壓約束有過(guò)電壓、穩(wěn)態(tài)電壓變化、電壓三相平衡等，三者對(duì)于系統(tǒng)電壓的限制角度不同，選取的基準(zhǔn)值有差異。過(guò)電壓是系統(tǒng)運(yùn)行的首要關(guān)注點(diǎn)，該限制針對(duì)系統(tǒng)電壓的幅值進(jìn)行衡量，選取系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓作為基準(zhǔn)值。在光伏機(jī)組(photovotaic，PV)滿(mǎn)出力時(shí)，不考慮光照強(qiáng)度和傾斜角變化時(shí)，文獻(xiàn)[18]、[19]對(duì)PV引起的電壓偏差作出了限制。節(jié)點(diǎn)電壓變化則將負(fù)載變化與分布式能源出力波動(dòng)納入考量，選取節(jié)點(diǎn)光伏接入前電壓作為基準(zhǔn)。IEC 61000—3.3[20]對(duì)云暫態(tài)效應(yīng)引起PV出力波動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓變化做出了定義，并給出了約束建議。節(jié)點(diǎn)三相不平衡的約束條件則對(duì)三相電壓之間的不對(duì)稱(chēng)進(jìn)行限制，文獻(xiàn)[21-23]針對(duì)PV接入引起三相不平衡給出了不平衡度算法和限制值。PV接入時(shí)的電壓約束如表1所示。

表1 配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓監(jiān)測(cè)指標(biāo)以及約束條件

注：GB/T 12325—2008允許的電壓偏差范圍按照電壓等級(jí)進(jìn)行了區(qū)分，這里選用10 kV電壓等級(jí)的電壓偏差范圍作為示范

2 配電饋線(xiàn)PV承載能力分析

2.1 單點(diǎn)接入PV的配電饋線(xiàn)承載能力

PV接入配電網(wǎng)饋線(xiàn)帶來(lái)的影響受接入位置、容量等因素影響。計(jì)算配電饋線(xiàn)不同位置接入PV時(shí)的承載能力是評(píng)價(jià)配電網(wǎng)整體承載能力的基礎(chǔ)，由此篩選配電網(wǎng)中對(duì)PV最敏感的接入點(diǎn)。配電饋線(xiàn)上PV不同接入點(diǎn)的承載能力分析流程如圖4所示。

圖4 計(jì)算單點(diǎn)接入容量流程

通過(guò)各三相節(jié)點(diǎn)容量迭代計(jì)算確定不同接入點(diǎn)的越限情況和數(shù)據(jù)，其結(jié)果是評(píng)價(jià)饋線(xiàn)承載能力的依據(jù)。受光伏影響嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)可為敏感點(diǎn)評(píng)價(jià)提供支撐。

2.2 基于隨機(jī)情景法的多點(diǎn)接入承載能力

根據(jù)光伏電源接入容量、接入電壓等級(jí)，可將PV接入分為小規(guī)模接入和大容量接入情景。研究配電網(wǎng)光伏承載能力，需要考慮基于空間分布的PV接入位置和容量組合?？紤]的情景越多，越具有典型性，越能反映實(shí)際，評(píng)估結(jié)果也越準(zhǔn)確。因此，可利用隨機(jī)情景法進(jìn)行多情景分析，但缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理量大。

采用隨機(jī)情景法時(shí)，PV接入點(diǎn)隨機(jī)選擇，根據(jù)滲透容量，對(duì)隨機(jī)情景進(jìn)行有序分層，在起始場(chǎng)景基礎(chǔ)上逐層添加新的PV，簡(jiǎn)化情景布置流程，使光伏布置場(chǎng)景排列有序，避免復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。在大容量PV隨機(jī)布置情景中，接入點(diǎn)一般選擇中壓三相配電節(jié)點(diǎn)。滲透容量每次增加500 kW并隨機(jī)接入電網(wǎng)時(shí)，滲透容量通常僅需分析到10 MW。滲透容量增加量與接入位置有關(guān)，所有已接入PV均應(yīng)考慮。小容量PV接入情景中，PV接入點(diǎn)一般為低壓配電網(wǎng)，PV容量受接入支路用戶(hù)負(fù)荷峰值和配電變壓器容量約束，需盡量避免出現(xiàn)反向潮流，因此，可用峰值負(fù)荷作為最大可接入容量的估計(jì)值，配電變壓器容量是PV容量的嚴(yán)格約束。

與大容量PV接入類(lèi)似，滲透容量增加對(duì)應(yīng)于已有PV基礎(chǔ)上添加新的PV電源，PV容量增長(zhǎng)隨所有可接入位置考慮完畢而停止，光伏情景布置如圖5所示。大規(guī)模與小規(guī)模PV接入情景的差別僅在于接入位置和容量。隨機(jī)接入小容量PV時(shí)，需按實(shí)際負(fù)荷點(diǎn)確定用戶(hù)真實(shí)需求，無(wú)負(fù)載或低負(fù)載節(jié)點(diǎn)，由于潮流反向與需求小等原因，應(yīng)盡量避免接入分布式PV。同時(shí)，考慮大容量和小容量PV接入情景，能較全面地反映配電網(wǎng)對(duì)分布式PV的承載能力。

圖5 光伏情景布置

3 仿真與案例

采用美國(guó)電科院(EPRI)OpenDSS開(kāi)源三相配電網(wǎng)潮流仿真軟件進(jìn)行仿真。該系統(tǒng)元件定義簡(jiǎn)單，元件模型多樣性好，對(duì)分布式電源和PV模型搭建提供了專(zhuān)門(mén)語(yǔ)句，適合于該課題研究。利用OpenDSS為MATLAB提供的COM接口，可通過(guò)MATLAB實(shí)現(xiàn)OpenDSS仿真控制和數(shù)據(jù)處理，便于實(shí)現(xiàn)隨機(jī)情景法。

對(duì)IEEE 123節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)和Ckt-5配電網(wǎng)進(jìn)行仿真，結(jié)構(gòu)如圖6，7所示。圖6中，IEEE 123節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)電壓等級(jí)為4.16 kV，作為工業(yè)用戶(hù)供電電壓等級(jí)，模型中有4組調(diào)壓器，4組并聯(lián)電容補(bǔ)償器，系統(tǒng)總有功負(fù)荷為3.35 MW，無(wú)功負(fù)荷為1.925 MVar，三相負(fù)荷不平衡，三相節(jié)點(diǎn)數(shù)64個(gè)，帶負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù)95個(gè)。圖7中，Ckt-5配電網(wǎng)模型的中壓為12.47 kV，上級(jí)電壓為115 kV，是主電源。模型中有4組并聯(lián)電容補(bǔ)償器，補(bǔ)償容量為1 950 kVar，用戶(hù)數(shù)為1 379，負(fù)荷為1.631 MV·A，居民用戶(hù)占比96%。最大負(fù)荷運(yùn)行方式下，負(fù)載率<30%的輕載變壓器281臺(tái)，負(fù)載率>80%的重載變壓器100臺(tái)，過(guò)載變壓器47臺(tái)。在Ckt-5配電網(wǎng)情景分析時(shí)，選取60%峰值負(fù)荷情景進(jìn)行分析。

圖6 IEEE 123節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)模型

圖7 Ckt-5配電網(wǎng)模型

為了分析極端條件下的承載能力，假設(shè)：①PV系統(tǒng)采用整數(shù)功率因數(shù)控制；②PV滿(mǎn)出力且不考慮光照和傾斜角影響；③三相線(xiàn)路節(jié)點(diǎn)單點(diǎn)接入容量不受限；④負(fù)荷節(jié)點(diǎn)接入PV容量與負(fù)荷成比例，非主干饋線(xiàn)節(jié)點(diǎn)不接入PV。

3.1 單節(jié)點(diǎn)承載能力

選取IEEE 123節(jié)點(diǎn)模型作為單節(jié)點(diǎn)承載能力仿真模型進(jìn)行仿真，所得單點(diǎn)承載能力計(jì)算結(jié)果如表2所示，對(duì)于末端節(jié)點(diǎn)承載能力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示；單點(diǎn)承載能力分析結(jié)果如圖8，9所示。

表2 不同評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)的單點(diǎn)承載能力

表3 不同限制條件下末端點(diǎn)單點(diǎn)承載能力

圖8 考慮過(guò)電壓因素的各點(diǎn)承載能力分布

圖9 考慮電壓變化因素的各點(diǎn)承載能力分布

由表2 與圖8、9結(jié)果可知，IEEE 123模型面臨的首要問(wèn)題是末端PV單點(diǎn)接入引起的過(guò)電壓；其中，節(jié)點(diǎn)83有最小承載能力，僅為100 kW。實(shí)際中，三相集中式光伏電站接入容量常以500 kW為單位，根據(jù)單點(diǎn)承載能力計(jì)算結(jié)果考量，62.5%的節(jié)點(diǎn)承載能力小于500 kW，饋線(xiàn)單點(diǎn)承載能力的中值為200 kW，饋線(xiàn)PV接入受過(guò)電壓影響嚴(yán)重。對(duì)比表4中Ckt-5算例結(jié)果，Ckt-5網(wǎng)絡(luò)過(guò)電壓限制下承載能力明顯強(qiáng)于IEEE 123網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)架構(gòu)以及原始運(yùn)行狀態(tài)都會(huì)對(duì)承載能力產(chǎn)生影響。

相對(duì)過(guò)電壓限制而言，穩(wěn)態(tài)電壓變化對(duì)單點(diǎn)接入容量的限制較寬松。由表2可知，單點(diǎn)承載能力最小值為1 050 kW，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)66處于線(xiàn)路末端，但與節(jié)點(diǎn)83接入并聯(lián)電容器的情況存在差異。2種指標(biāo)衡量配電網(wǎng)承載能力評(píng)估方面不同，饋線(xiàn)末端面臨的主要問(wèn)題也因饋線(xiàn)結(jié)構(gòu)與裝置配置出現(xiàn)差異。

表4 不同限制條件下單點(diǎn)承載能力

圖8，9給出了IEEE 123節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)單點(diǎn)承載能力，圖中，按節(jié)點(diǎn)顏色由深及淺的規(guī)律，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)承載能力增加。圖8中，承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)為過(guò)電壓；圖9中評(píng)價(jià)指標(biāo)為節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電壓變化量。2種評(píng)價(jià)指標(biāo)下饋線(xiàn)首端靠近上級(jí)電源點(diǎn)的承載能力明顯強(qiáng)于以穩(wěn)態(tài)電壓變化量為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，饋線(xiàn)末端節(jié)點(diǎn)66對(duì)于PV接入最敏感，其單點(diǎn)承載能力對(duì)應(yīng)整體最小值1 050 kW。以過(guò)電壓作為評(píng)價(jià)指標(biāo)類(lèi)似，線(xiàn)路首端節(jié)點(diǎn)的PV承載能力明顯強(qiáng)于末端節(jié)點(diǎn)，而并聯(lián)電容器接入節(jié)點(diǎn)承載能力明顯弱于其他節(jié)點(diǎn)；因此，應(yīng)避免在末端無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)接入PV。

3.2 基于隨機(jī)情景法的饋線(xiàn)承載能力

1)大容量PV接入時(shí)的饋線(xiàn)承載能力。

PV大容量接入IEEE 123節(jié)點(diǎn)與Ckt-5配電網(wǎng)的饋線(xiàn)承載能力仿真結(jié)果如表5所示。以IEEE 123節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)為例，大容量PV隨機(jī)接入時(shí)的節(jié)點(diǎn)電壓最大值、節(jié)點(diǎn)電壓變化最大值與接入容量間的關(guān)系如圖10,11所示。觀察整體最大值分布可知，評(píng)價(jià)指標(biāo)雖有波動(dòng)，但總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；相同滲透容量下由于PV接入位置的隨機(jī)性，最大值分布不同；隨滲透容量增長(zhǎng)，最大值分布范圍逐步增大。與限制條件對(duì)比可見(jiàn)，滲透容量達(dá)500 kW時(shí)，電壓越限；容量達(dá)1 500 kW時(shí)，穩(wěn)態(tài)電壓變化量越限。

表5 不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)下大容量光伏接入饋線(xiàn)承載能力

圖10 大容量接入節(jié)點(diǎn)電壓最大值

圖11 大容量接入節(jié)點(diǎn)電壓變化最大值

2)小容量PV接入時(shí)的饋線(xiàn)承載能力。

小容量PV接入點(diǎn)一般位于用戶(hù)接入點(diǎn)，該文為反映用戶(hù)需求，將接入點(diǎn)限制在負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。IEEE 123節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù)為95，單相負(fù)荷節(jié)點(diǎn)接入PV可能導(dǎo)致三相電壓不平衡。分布式PV接入容量按用戶(hù)負(fù)荷比例分配，接入原則：以1 kW為最小容量單位，以用戶(hù)負(fù)荷容量為PV接入容量上界。根據(jù)用戶(hù)對(duì)PV的接納程度，定義光伏負(fù)荷占比，假設(shè)用戶(hù)安裝分布式PV容量以用戶(hù)意愿與負(fù)荷比例確定，按光伏負(fù)荷占比為50%，70%，90%3種情況進(jìn)行分析。引入變異系數(shù)(CV)概念，用于評(píng)估承載能力離散程度。按不同承載能力定義，根據(jù)仿真結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出2種評(píng)價(jià)體系下配電網(wǎng)承載能力和承載能力離散程度，如表6所示，其中，節(jié)點(diǎn)越限占比為20%。由表6可見(jiàn)，不同PV接納程度下，以過(guò)電壓為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，各項(xiàng)承載能力變異系數(shù)均<10%，離散程度較小，可認(rèn)為承載能力與光伏負(fù)荷占比無(wú)關(guān)。以電壓變化量為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，由于數(shù)據(jù)點(diǎn)少，最小承載能力與最大承載能力受邊界光伏接入方式影響大，離散程度大，且中間承載能力變異系數(shù)為2.67%，此時(shí)，應(yīng)以中間承載能力作為配電網(wǎng)承載能力評(píng)估指標(biāo)。

在Ckt-5配電模型中，低壓配電網(wǎng)通過(guò)配電變壓器連接中壓配電網(wǎng)，電壓等級(jí)為240 V，負(fù)載情況不同，限制條件僅需滿(mǎn)足變壓器不過(guò)載。對(duì)光伏負(fù)荷占比分別為70%，90%，100%，110%進(jìn)行分析，初始光伏布置情景數(shù)為40，總數(shù)為55 160，結(jié)果如表7，8所示。由于節(jié)點(diǎn)越限指標(biāo)取20%時(shí)數(shù)據(jù)過(guò)少，因此，以5%作節(jié)點(diǎn)越限占比。由表7,8可見(jiàn)，各承載能力變異系數(shù)均<10%，說(shuō)明承載能力為確定值，與光伏負(fù)荷占比無(wú)關(guān)。IEEE 123節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)PV接入容量與評(píng)價(jià)指標(biāo)最大值間的關(guān)系如圖12,13所示。

表6 不同限制條件下小容量接入饋線(xiàn)承載能力

表7 Ckt-5模型不同限制條件下小容量接入饋線(xiàn)承載能力

表8 Ckt-5配電網(wǎng)模型不同限制條件下小容量光伏接入考慮節(jié)點(diǎn)越限占比的饋線(xiàn)承載能力

圖12 IEEE 123節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)光伏負(fù)荷占比50%時(shí)小容量光伏接入節(jié)點(diǎn)電壓最大值分布

圖13 IEEE 123節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)光伏負(fù)荷占比90%時(shí)小容量光伏接入節(jié)點(diǎn)電壓變化最大值分布

分析三相不平衡時(shí)，計(jì)算配電網(wǎng)中壓主干節(jié)點(diǎn)三相不平衡度，IEEE 123節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)三相不平衡度與接入容量的關(guān)系如圖14所示?？紤]多光伏布置情景，三相不平衡度最大值接近0.028，未超過(guò)3%約束，因此，IEEE 123節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)不存在三相不平衡越限問(wèn)題；同理對(duì)Ckt-5模型的三相不平衡度進(jìn)行，結(jié)果與IEEE 123模型類(lèi)似，可見(jiàn)三相不平衡度總體趨勢(shì)為趨于變小。雖然三相不平衡在算例中無(wú)越限情況，但實(shí)際中如果在輕負(fù)荷相接入PV，可能引起三相不平衡度越限，因此，在進(jìn)行承載能力分析時(shí)，三相不平衡仍應(yīng)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖14 IEEE 123節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)光伏負(fù)荷占比90%時(shí)小容量光伏接入節(jié)點(diǎn)三相電壓不平衡度最大值分布

4 結(jié)語(yǔ)

隨機(jī)情景法能對(duì)配電饋線(xiàn)PV承載能力進(jìn)行有效分析，通過(guò)多情景分析，可真實(shí)反映實(shí)際配電網(wǎng)運(yùn)行中PV隨機(jī)接入情況。在評(píng)價(jià)以電壓為約束的配電饋線(xiàn)PV承載能力時(shí)，過(guò)電壓、電壓變化、三相不平衡是評(píng)價(jià)配電饋線(xiàn)PV承載能力的3個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，并構(gòu)成配電饋線(xiàn)承載能力評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系。通過(guò)全網(wǎng)單點(diǎn)承載能力計(jì)算確定PV接入的敏感點(diǎn)及其分布，利用光伏負(fù)荷占比和變異系數(shù)進(jìn)行離散程度評(píng)估，能對(duì)配電饋線(xiàn)的PV承載能力做出合理評(píng)價(jià)，對(duì)2個(gè)仿真模型的分析結(jié)果證明了該文方法的有效性和正確性。

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PV hosting capacity analysis method of distribution feeder based on stochastic scene

LI Sheng-nan1, WU Shui-jun1, HE Ting-yi1, GAO Rui-ling2, ZHENG Zi-xuan2*

(1. Yunnan Electric Power Research Institute, Kunming 650217,China; 2. College of Electrical Engineering and Information Technology, Sichuan University, Chengdu 610065,China)

With the increasing penetration of distributed PV, distribution networks are influenced by overvoltage, voltage fluctuation and voltage imbalance, resulting in low safety and reliability. A PV hosting capacity analysis method based on stochastic scene was introduced in this paper. Over-voltage, voltage change and voltage imbalance were selected as constrains to study the effect of PV. Then using suitable constraints on evaluation indicators, hosting capacity of actual distribution network was analyzed. Open DSS based simulation results show that the hosting capacity analysis method of distribution feeder based on stochastic scene is effective and accurate.

distribution feeder; PV hosting capacity; voltage constrains; stochastic scene method

2016-10-30

中國(guó)南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(YNKJQQ00000279)

鄭子萱(1990-)，男，博士研究生，主要從事優(yōu)質(zhì)電力、可再生能源并網(wǎng)與承載能力的研究；E-mail: 472277716@qq.com

TM715

A

1673-9140(2016)04-0026-10