李玉笑

廊坊新奧光伏集成有限公司 河北廊坊 065001

近年來，隨著分布式光伏發(fā)電（Distributed photovoltaic power generation，以下簡(jiǎn)稱PV）技術(shù)的迅猛發(fā)展以及國(guó)家新能源優(yōu)先調(diào)度政策的執(zhí)行，大量PV系統(tǒng)接入配電網(wǎng)，使配電系統(tǒng)從放射狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，電網(wǎng)潮流和短路電流的大小、方向和分布特性均發(fā)生改變。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)沒有旋轉(zhuǎn)慣量、調(diào)速器及勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不具備調(diào)壓、調(diào)頻以及調(diào)峰能力。受其發(fā)電特性影響，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后不會(huì)向配電網(wǎng)系統(tǒng)注入短路電流，線路保護(hù)的靈敏度下降，導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，相鄰線路的瞬時(shí)速斷保護(hù)失去選擇性等。因此，原有保護(hù)方案不能滿足接入PV系統(tǒng)后配電網(wǎng)繼電保護(hù)要求，必須評(píng)估PV系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，研究新的保護(hù)策略。

1 電壓波動(dòng)理論分析

1.1 配電網(wǎng)電壓波動(dòng)原理分析

配電網(wǎng)中的電壓受到潮流分布的影響，當(dāng)電網(wǎng)中的負(fù)荷以及電源輸送的功率發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)中母線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生電壓波動(dòng)。分布式光伏PV并入配電網(wǎng)后，除了上述傳統(tǒng)的因素外，由于光照強(qiáng)度與溫度不斷發(fā)生變化導(dǎo)致光伏PV的功率發(fā)生了變化，從而引起了電壓的波動(dòng)。一般情況下，光伏系統(tǒng)對(duì)于配電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)（Point of Common Coupling，PCC）沖擊最大。其中分布式 PV發(fā)電逆變器的功率因數(shù)主要區(qū)間為（-0．95，0．95），為了簡(jiǎn)化計(jì)算并更好地分析問題，在分析過程中忽略無功功率的影響，即將接入配電網(wǎng)中的光伏電源等效為電流源。

1.2 環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中電壓波動(dòng)分析

通過分析可以得出光伏電源接入配電網(wǎng)中的容量以及短路容量的大小是影響配電網(wǎng)中電壓波動(dòng)的關(guān)鍵因素。由于光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，不能通過降低發(fā)電量來抑制配電網(wǎng)中電壓的波動(dòng)，因此，從短路容量的角度抑制電壓波動(dòng)。由于環(huán)網(wǎng)中增大了短路容量，有助于抑制波動(dòng)。為此做出以下分析。

2 計(jì)及分布式光伏接入的配電網(wǎng)無功補(bǔ)償模型

2.1 無功補(bǔ)償優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

無功補(bǔ)償優(yōu)化問題從數(shù)學(xué)的角度看可以這樣理解：在給出確定的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電力負(fù)荷參數(shù)的情況下，找出適合的控制變量，根據(jù)實(shí)際情況列出各種等式和不等式作為約束條件，然后求出以系統(tǒng)的運(yùn)行成本為最佳目標(biāo)函數(shù)的解。其數(shù)學(xué)模型可以由下面公式共同組成：式中，f表示目標(biāo)函數(shù)，s．t．g函數(shù)表示等式約束條件，h函數(shù)表示不等式約束條件，u為選擇的控制變量（主要包括電機(jī)兩端的電壓、變壓器裝置變比、用于無功功率補(bǔ)償?shù)难b置容量等），x表示狀態(tài)變量（主要包括節(jié)點(diǎn)電壓）。

2.2 優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)

為了優(yōu)化無功補(bǔ)償目標(biāo)函數(shù)，選擇罰函數(shù)法對(duì)狀態(tài)標(biāo)量進(jìn)行約束的條件。即當(dāng)狀態(tài)標(biāo)量處于超過界限的情況下，附加上懲罰項(xiàng)約束的條件，從而在原先的目標(biāo)函數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化處理，使得變量均能符合該數(shù)學(xué)模型的約束條件，最終求得配電網(wǎng)系統(tǒng)中無功補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)解壓為所允許的極限值時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓超過電壓所允許的最大值，取電壓值上限；當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓超過電壓所允許的最小值時(shí)，取電壓值下限；否則取的值。λ表示罰系數(shù)，N表示母線的總數(shù)，式中，表示節(jié)點(diǎn)電表示為最大年損耗的小時(shí)數(shù)，ΔP為有功損耗，α為無功補(bǔ)償系數(shù)，Qc為無功補(bǔ)償容量。

2.3 配電網(wǎng)繼電保護(hù)變化

我國(guó)放射狀配電網(wǎng)上的故障80%是瞬時(shí)性故障，通常采用三段式電流保護(hù)無需設(shè)置方向元件即可有效地保護(hù)線路全長(zhǎng)。PV系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后，網(wǎng)絡(luò)潮流方向變復(fù)雜，功率分點(diǎn)不確定性增加，致使原網(wǎng)絡(luò)配置的繼電保護(hù)受到影響，具體表現(xiàn)為保護(hù)誤動(dòng)作、重合閘不成功、保護(hù)范圍縮小等。深入研究了PV系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的路徑位置和光伏發(fā)電裝機(jī)總量對(duì)放射狀配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)選擇性和靈敏性的影響[1]。

2.4 基于方向元件的配電網(wǎng)繼電保護(hù)的改進(jìn)

受逆變裝置的影響，配電網(wǎng)接入PV系統(tǒng)后方向元件的判據(jù)與非接入PV系統(tǒng)方向元件的判據(jù)不同。經(jīng)過仿真研究確定，PV系統(tǒng)采用非低電壓穿越控制時(shí)，配電網(wǎng)電源側(cè)和PV系統(tǒng)側(cè)保護(hù)方向元件的動(dòng)作判據(jù)分別為-80°≤σ≤105°和-75°≤σ≤100°；PV系統(tǒng)采用低電壓穿越控制時(shí)，配電網(wǎng)電源側(cè)和PV系統(tǒng)側(cè)保護(hù)方向元件的動(dòng)作判據(jù)分別為-10°≤σ≤105°和-75°≤σ≤170°（σ為保護(hù)安裝點(diǎn)電壓和正序電流之間的向量夾角）。如圖1所示，配電網(wǎng)保護(hù)裝置R1、R2、R4動(dòng)作于配電網(wǎng)絡(luò)電源提供的正向短路電流，保護(hù)裝置R3、R5動(dòng)作于PV系統(tǒng)提供的正向短路電流，二者不存在配合關(guān)系[2]。提出的電流保護(hù)整定原則，故障點(diǎn)出現(xiàn)在PV系統(tǒng)的上游、下游或相鄰饋電線路上時(shí)，保護(hù)裝置均能夠按照設(shè)計(jì)的選擇性進(jìn)行動(dòng)作，切除故障部分，不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作情況。

圖1 PV系統(tǒng)接入配電網(wǎng)保護(hù)示意圖

3 結(jié)語

在分布式光伏接入的配電網(wǎng)中，光伏發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化方面研究具有重要意義。對(duì)比分析不同的無功補(bǔ)償優(yōu)化技術(shù)，選擇最佳的優(yōu)化方案。本文具體分析了分布式光伏接入后，對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，結(jié)合其對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)的影響，同時(shí)考慮無功補(bǔ)償避免的功率損耗費(fèi)用與購置無功補(bǔ)償裝置所需的費(fèi)用，建立起配電網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，將粒子群算法與無功補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型相聯(lián)系[3]，并通過軟件進(jìn)行優(yōu)化，從而建立合適的模型。該優(yōu)化方法具有易于建模、計(jì)算效率高、考慮全局得出最優(yōu)解的特點(diǎn)。