孫一凡，張蕾瓊，劉 達(dá)

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

農(nóng)村地區(qū)分布式光伏接入消納能力研究

孫一凡，張蕾瓊，劉 達(dá)

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

大量的分布式光伏接入農(nóng)村配電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行、電能質(zhì)量、系統(tǒng)保護(hù)等都會(huì)產(chǎn)生較大影響，通過(guò)理論分析模型，數(shù)學(xué)建模以及案例實(shí)際計(jì)算的方法，來(lái)分析研究農(nóng)村配電網(wǎng)對(duì)分布式光伏接入的消納能力，為優(yōu)化選取接入方案，合理安排配電網(wǎng)改造，提供相應(yīng)的理論支持。

分布式光伏；農(nóng)村配電網(wǎng)；消納能力；數(shù)學(xué)建模

0 引言

隨著光伏技術(shù)的不斷發(fā)展以及環(huán)境資源的制約，光伏發(fā)展重心從前幾年的大型光伏電站向分布式光伏、居民光伏傾斜。如浙江省提出的百萬(wàn)居民光伏計(jì)劃，在“十三五”末將在全省范圍內(nèi)建成一百萬(wàn)戶(hù)居民光伏發(fā)電。隨著大量分布式光伏接入配電網(wǎng)，光伏滲透率的不斷提高會(huì)對(duì)配電網(wǎng)（特別是農(nóng)村配電網(wǎng)）的穩(wěn)定運(yùn)行、系統(tǒng)保護(hù)、電能質(zhì)量和可靠性等方面產(chǎn)生較大影響。為此，研究在保證光伏發(fā)電接入系統(tǒng)以后，系統(tǒng)仍然能安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定地運(yùn)行的前提下，對(duì)光伏發(fā)電最大可接入容量，即允許的光伏發(fā)電注入電網(wǎng)的功率量，也就是配電網(wǎng)分布式光伏發(fā)電消納能力進(jìn)行分析，則顯得十分必要。

1 最小負(fù)荷限制下的光伏滲透率極限分析

1.1 理論分析模型簡(jiǎn)介

受光資源時(shí)間分布不均衡和氣象變化的影響，光伏電源的輸出具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性的特點(diǎn)，因此其可調(diào)可控性較差，屬于不可調(diào)度的發(fā)電機(jī)組。傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)能力主要從電力平衡的穩(wěn)態(tài)要求出發(fā)，要求發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷跟隨能力對(duì)光伏滲透率極限的限制。以下從配電網(wǎng)的角度考慮，分析配電網(wǎng)內(nèi)部的限制因素，對(duì)配電網(wǎng)的最小允許負(fù)荷進(jìn)行評(píng)估，并計(jì)算配電網(wǎng)中的光伏滲透率極限。

在配電網(wǎng)中，需通過(guò)短期與長(zhǎng)期的負(fù)荷分析與預(yù)測(cè)對(duì)機(jī)組開(kāi)機(jī)方式進(jìn)行合理安排，以此進(jìn)行電源規(guī)劃。當(dāng)光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后，因?yàn)楣夥l(fā)電具有不可調(diào)節(jié)性，故通常將其視為一種特殊的負(fù)荷。系統(tǒng)的凈負(fù)荷就是由傳統(tǒng)負(fù)荷減去該負(fù)荷得到。本次理論分析模型是通過(guò)分析凈負(fù)荷標(biāo)幺值變化情況，判斷光伏滲透率對(duì)配電網(wǎng)影響。

目前農(nóng)村配電網(wǎng)仍然是以無(wú)源放射網(wǎng)絡(luò)為主，今后新增分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)方式均為就地消納余量上網(wǎng)形式，基于上述2個(gè)條件，分布式光伏并網(wǎng)后，首先系統(tǒng)凈負(fù)荷標(biāo)幺值不應(yīng)小于零，出現(xiàn)負(fù)荷倒送情況；其次作為常規(guī)能源的補(bǔ)充與完善，理想狀態(tài)為分布式光伏并網(wǎng)后最大程度平抑系統(tǒng)負(fù)荷峰值，在分布式光伏正常出力時(shí)凈負(fù)荷標(biāo)幺值處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，不易出現(xiàn)凈負(fù)荷逆向波動(dòng)，如圖1所示。

圖1 理論模型研究原則示意

分析模型中將分布式光伏電站出現(xiàn)輸出（6∶00）時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷與輸出消失（19∶00）時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷間連線（系統(tǒng)凈負(fù)荷與系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷相等的2個(gè)節(jié)點(diǎn)間連線）作為基準(zhǔn)曲線，系統(tǒng)負(fù)荷在基準(zhǔn)曲線之上時(shí)表示系統(tǒng)負(fù)荷出現(xiàn)正向波動(dòng)，系統(tǒng)負(fù)荷在基準(zhǔn)曲線之下時(shí)表示系統(tǒng)負(fù)荷出現(xiàn)逆向波動(dòng)。

分析模型認(rèn)為系統(tǒng)凈負(fù)荷和標(biāo)準(zhǔn)曲線重合時(shí)，分布式光伏出力最優(yōu)，此時(shí)光伏滲透率為推薦值的上限，出現(xiàn)逆向波動(dòng)表示分布式光伏出力大，其他能源機(jī)組輸出下降，當(dāng)逆向波動(dòng)峰值（標(biāo)幺值）出現(xiàn)負(fù)值時(shí)，表示出力倒送，此時(shí)光伏滲透率為極限值。其中：極限值計(jì)算方式為分析曲線午間（11∶00—14∶00）凈負(fù)荷為零時(shí)對(duì)應(yīng)的滲透率， 以此作為極限值。

推薦值上限計(jì)算采用離散度分析方法，計(jì)算不同滲透率曲線與基準(zhǔn)曲線不同時(shí)刻凈負(fù)荷差值，將其形成1個(gè)若干集合，每個(gè)集合對(duì)應(yīng)1個(gè)滲透率，然后進(jìn)行離散度分析，即計(jì)算SD（標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)差），標(biāo)準(zhǔn)差最小對(duì)應(yīng)的滲透率為推薦值上限。計(jì)算公式如下：

假設(shè)有一組數(shù)值x1，…，xN（皆為實(shí)數(shù)），其平均值為：

此組數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差為：

分析模型通過(guò)反復(fù)迭代計(jì)算，找出推薦值上限和極限值。

1.2 不同時(shí)間段光伏滲透率與系統(tǒng)凈負(fù)荷關(guān)系研究

隨著系統(tǒng)中光伏接入容量的不斷增加，凈負(fù)荷可能降到零值以下風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致配電網(wǎng)中出現(xiàn)功率倒送，這將打破現(xiàn)有輻射型配電網(wǎng)保護(hù)配置的原則，并引發(fā)電壓調(diào)節(jié)和繼電保護(hù)的很多問(wèn)題。

以浙江麗水某主供農(nóng)村區(qū)域的10 kV線路2015年典型日負(fù)荷為基礎(chǔ)，對(duì)四季典型日不同滲透率下系統(tǒng)凈負(fù)荷變化情況進(jìn)行分析，如圖2所示（CP為光伏滲透率）。

根據(jù)典型區(qū)域2016年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)凈負(fù)荷，春季光伏滲透率超過(guò)67%、秋季光伏滲透率超過(guò)62%時(shí)，午間系統(tǒng)最小凈負(fù)荷小于0，夏季光伏滲透率超過(guò)78%、冬季中光伏滲透率超過(guò)76%時(shí)，系統(tǒng)凈負(fù)荷小于0。

對(duì)各曲線變化情況可以看出，典型區(qū)域春季滲透率為21%、秋季滲透率為27%和冬季光伏滲透率為37%時(shí)，對(duì)系統(tǒng)日間峰荷平抑效果明顯，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差值為當(dāng)日最小；夏季峰荷主要出現(xiàn)在晚間，加之光伏出力有限，光伏滲透率對(duì)峰荷抑制作用較為有限，系統(tǒng)凈負(fù)荷波動(dòng)較大。

由于夏季系統(tǒng)負(fù)荷較高、光伏電站輸出降低，高滲透率對(duì)凈負(fù)荷影響有限，而春季為系統(tǒng)負(fù)荷最低、光伏電站輸出最高時(shí)期，此時(shí)光伏滲透率對(duì)系統(tǒng)凈負(fù)荷的影響可以作為區(qū)域光伏滲透率極限值的參考之一。

2 光伏消納能力分析計(jì)算

2.1 消納能力分析數(shù)學(xué)建模

中壓配電網(wǎng)單條中壓饋線分布式電源消納能力研究可以描述為在滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)電壓和支路功率等運(yùn)行約束條件下，充分考慮負(fù)荷波動(dòng)、光資源情況、負(fù)荷與分布式電源在饋線中的分布情況，求取單條中壓饋線所能接入的最大DG（分布式光伏）裝機(jī)容量。約束條件主要包括如下內(nèi)容：功率平衡約束，節(jié)點(diǎn)電壓約束，變電站母線電壓范圍約束，線路容量約束。DG消納能力問(wèn)題建立的模型如下：

圖2 四季不同光伏滲透率下日凈負(fù)荷變化

式中：NDG為分布式光伏個(gè)數(shù)；PDG，i為分布式光伏有功功率；Pgi，Qgi為注入節(jié)點(diǎn)i的有功功率和無(wú)功功率；Pli，Qli為節(jié)點(diǎn)i負(fù)荷的有功功率和無(wú)功功率；pij，qij為連接節(jié)點(diǎn)i與j的線路有功功率和無(wú)功功率；Ωi代表與節(jié)點(diǎn)i相連的節(jié)點(diǎn)集合。分別為節(jié)點(diǎn)i的電壓值、最小允許值和最大允許值分別為變電站母線i電壓最小允許值和最大允許值；為變電站母線i的電壓值。為連接節(jié)點(diǎn)的線路最大有功功率允許值。

其中約束條件式（6）是從節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量角度考慮，按照相關(guān)導(dǎo)則規(guī)定，節(jié)點(diǎn)電壓范圍為0.93～1.07 p.u.。約束條件式（7）是從無(wú)功電壓控制的角度考慮，由于變電站低壓側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償裝置采用分組投切的方法調(diào)整母線電壓，這是一種離散控制方法，同時(shí)考慮無(wú)功補(bǔ)償裝置一定的響應(yīng)延遲，變電站低壓側(cè)母線電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，在該約束條件下，對(duì)配電網(wǎng)中接入的分布式光伏采用“fit and forget”原則，即分布式電源接入后供電公司不對(duì)其加以控制，完全由用戶(hù)自主控制其運(yùn)行。

目前，限制分布式電源接入的主要影響因素為節(jié)點(diǎn)電壓約束。分布式光伏電源的配電網(wǎng)的電壓分析模型如圖3所示，設(shè)某條輻射式接線共有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均接有負(fù)荷和光伏電源，若某節(jié)點(diǎn)不存在光伏電源或負(fù)荷時(shí)，將其功率設(shè)為零即可。值得指出，光伏的有功潮流與負(fù)荷的有功潮流方向相反。對(duì)于圖3所示配電網(wǎng)中壓饋線，第k個(gè)節(jié)點(diǎn)到配電母線處的電壓損失ΔUk%和第k條支路電流Ik（忽略網(wǎng)損影響）如下所示：

由式（9）可以看出，引起光伏接入節(jié)點(diǎn)過(guò)電壓的主要原因?yàn)榫€路的電阻和光伏輸出功率的乘積。該式可以為提出降低光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電壓影響的措施提供理論依據(jù)。

圖3 接有分布式光伏的輻射式配電網(wǎng)模型

2.2 案例計(jì)算分析

2.2.1 項(xiàng)目概況

選取嘉興市沙家浜社區(qū)作為計(jì)算案例。該社區(qū)共200戶(hù)居民住宅屋頂安裝分布式家庭光伏發(fā)電項(xiàng)目。每戶(hù)建設(shè)規(guī)模為2 kWp，安裝光伏組件屋頂面積約20 m2，鋪設(shè)8塊，每塊容量為250 Wp的光伏板，項(xiàng)目合計(jì)裝機(jī)規(guī)模400 kWp。本項(xiàng)目所有光伏居民單元均采用用戶(hù)側(cè)發(fā)電，自發(fā)自用余電上網(wǎng)的方式。

沙家浜1號(hào)臺(tái)區(qū)有用電戶(hù)數(shù)37戶(hù)，2015年變壓器最大負(fù)荷約為140 kW，最小負(fù)荷約為35 kW。沙家浜社區(qū)1號(hào)臺(tái)區(qū)低壓電網(wǎng)及光伏分布情況見(jiàn)圖4。為分析計(jì)算方便，將其進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的分析計(jì)算模型如圖5所示。

圖4 沙家浜1號(hào)臺(tái)區(qū)低壓電網(wǎng)及光伏接入分布

圖5 沙家浜1號(hào)臺(tái)區(qū)簡(jiǎn)化計(jì)算

簡(jiǎn)化后的并網(wǎng)點(diǎn)3個(gè)，節(jié)點(diǎn)2相當(dāng)于電纜分接箱DF3，將接入的用戶(hù)9家視作一個(gè)整體，目前實(shí)際安裝光伏的用戶(hù)5家，9家用戶(hù)的用電負(fù)荷即為用戶(hù)負(fù)荷9號(hào)；節(jié)點(diǎn)3相當(dāng)于電纜分接箱DF2，將接入的用戶(hù)共計(jì)13家看作一個(gè)整體，目前實(shí)際安裝光伏的用戶(hù)10家，13家用戶(hù)的用電負(fù)荷即為用戶(hù)負(fù)荷13號(hào)；節(jié)點(diǎn)4相當(dāng)于電纜分接箱DF1，將接入的用戶(hù)共計(jì)15家看作一個(gè)整體，目前實(shí)際安裝光伏的用戶(hù)12家，15家用戶(hù)的用電負(fù)荷即為用戶(hù)負(fù)荷15號(hào)。

2.2.2 計(jì)算方案及結(jié)果

（1）對(duì)選定案例分為滲透率不斷增加6種方案進(jìn)行計(jì)算，具體方案見(jiàn)表1。

（2）分別對(duì)該6種方案進(jìn)行潮流計(jì)算，計(jì)算其潮流走向以及4個(gè)節(jié)點(diǎn)處電壓是否出現(xiàn)越限現(xiàn)象，結(jié)果見(jiàn)表2。

（3）以方案3的光伏容量為例，開(kāi)展不同用戶(hù)用電負(fù)荷情況下潮流與電壓越限計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

（4）以方案3的光伏容量為例，開(kāi)展不同臺(tái)變?nèi)萘壳闆r下潮流與電壓越限計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

表2為潮流計(jì)算結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析可以看出：

（1）光伏出力一旦大于系統(tǒng)最小負(fù)荷，則將會(huì)出現(xiàn)潮流倒送。

（2）不限制潮流倒送的情況下，光伏的安裝容量在70%以下，光伏接入點(diǎn)的電壓都在允許范圍來(lái)。

（3）光伏接入后，勢(shì)必會(huì)抬升接入點(diǎn)的電壓值，且隨著光伏發(fā)電注入容量的增大而增加。

通過(guò)表3可以看出，用戶(hù)的負(fù)荷特性也會(huì)有較大影響，用戶(hù)的日最小負(fù)荷越小，可安裝的光伏容量越受到限制；相反，用戶(hù)的日最小負(fù)荷越大，則允許安裝的光伏容量越大。

通過(guò)表4可以看出，臺(tái)區(qū)配變?nèi)萘康拇笮?duì)潮流分布也有定影響，配變?nèi)萘吭叫?，同樣的光伏注入容量情況下，臺(tái)區(qū)低壓母線的電壓值越高，光伏接入點(diǎn)的電壓抬升越明顯，因此，光伏接入的容量也受到配變臺(tái)區(qū)容量大小的限制。

3 結(jié)論

從典型區(qū)域負(fù)荷特性看，不同時(shí)間段分布式光伏滲透率對(duì)配電網(wǎng)影響差異較大，對(duì)于范圍較小的典型供電區(qū)來(lái)說(shuō)，具體研究結(jié)論如下：

（1）不同時(shí)段分布式光伏滲透率對(duì)配電網(wǎng)影響差異較大，對(duì)于范圍較小的典型供電區(qū)來(lái)說(shuō)，考慮最小負(fù)荷的限制，則農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)分布式光伏滲透率推薦值在20%～30%之間，以合理控制發(fā)電成本，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)光伏的就地消納。

（2）典型10 kV線路及配變臺(tái)區(qū)光伏消納能力計(jì)算結(jié)果表明：分布式光伏發(fā)電的接入會(huì)明顯抬高公共母線及光伏接入點(diǎn)位置的電壓值；接入的位置越靠近線路末端，對(duì)電壓的抬升越明顯；光伏的出力與系統(tǒng)同一時(shí)刻的負(fù)荷比值越大，影響越為明顯。

表1 沙家浜臺(tái)區(qū)計(jì)算方案說(shuō)明

表2 沙家浜臺(tái)區(qū)潮流計(jì)算結(jié)果列表

表3 改變用戶(hù)負(fù)荷大小的計(jì)算結(jié)果（方案三為例）

表4 改變配變臺(tái)區(qū)容量大小的計(jì)算結(jié)果（方案三為例）

因此針對(duì)不同容量大小的光伏項(xiàng)目，需要合理考慮其合理的接入位置、接入方式，以最大程度的提高農(nóng)村配電網(wǎng)對(duì)光伏的消納。

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2017-09-22

孫一凡（1986），男，工程師，從事光伏接入設(shè)計(jì)及規(guī)劃技術(shù)研究工作。

（本文編輯：陸 瑩）

Research on the Consumption Capability of Distributed Photovoltaic Access in Rural Areas

SUN Yifan， ZHANG Leiqiong， LIU Da
（State Grid Jiaxing Power Supply Company， Jiaxing Zhejiang 314000， China）

With the large-scale access of distributed photovoltaic in rural distribution networks，operation stability of power grid，power quality and system protection are significantly affected.Through theoretical analysis model，mathematical modeling and real case calculation method,consumption capability of distributed photovoltaic access in rural distribution networks is analyzed to provide theoretical support for optimal access scheme selection and reasonable arrangement of distribution network innovation.

distributed PV；rural distribution networks；consumption capability；mathematical modeling

10.19585/j.zjdl.201711008

1007-1881（2017）11-0045-06

TM615

A