收稿日期：2022-01-29

基金項目：國家電網有限公司科技項目（5100-202111025A-0-0-00）

通信作者：王海云（1988—），女，碩士、高級工程師，主要從事大電網仿真分析方面對應安檢方面的研究。helenhappy@139.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0135 文章編號：0254-0096（2023）06-0260-05

摘 要：為準確評估大型城市電網對分布式光伏的承載能力，該文在開展電網運行特性、電源裝機構成、短路電流、電能質量、電壓偏差及損耗和繼電保護等6方面影響因素分析的基礎上，提出考慮大型城市電網特性的分布式光伏承載力計算評估方法，并以大型城市電網為例，驗證其可行性和實用性。算例結果表明，該方法能精準評估出電網10～220 kV母線可新增分布式光伏接入容量，為分布式光伏接入大型城市電網的規(guī)劃、建設、運行分析提供有力指導。

關鍵詞：分布式光伏；承載力評估；靜態(tài)安全分析；短路校核；諧波分析

中圖分類號：TM744 "" 文獻標志碼：A

0 引 言

分布式光伏建設是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的重要措施，近年分布式光伏呈快速增長的趨勢，國家電網有限公司經營區(qū)域分布式光伏裝機容量已達8210.8萬kW，預計到2025年，分布式新能源裝機將達到1.8億kW以上，2030年達到3.5億kW以上［1-2］，那么到2035年將基本建成新型電力系統(tǒng)。

分布式光伏承載力是衡量電力系統(tǒng)可新增分布式光伏接入容量的重要指標。隨著新能源容量逐漸增大，大型城市電網主要面臨以下問題：1）高電壓等級并網需求增多，大電網晚間高峰保供和午間低谷深調保消納的矛盾將愈發(fā)凸顯［3-4］，因此需開展主配網全電壓等級分布式光伏承載力分析；2）大型城市電網重要用戶多，重要會事和賽事供電保障等級高，大量分布式光伏接入將導致電網諧波污染，嚴重影響重要用戶的供電可靠性，因此需結合諧波影響程度進行評估；3）大型城市電網短路電流水平逐年攀升，局部高密度接入的分布式光伏對短路電流的影響不能忽視［5］。因此，亟需開展電網分布式光伏承載力分析，有助于控制新能源并網帶來的影響，對保障新能源并網系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行意義重大。

目前，國內外學者對新能源規(guī)劃和承載力計算進行了大量研究，文獻［6］提出利用新能源消納系數(shù)計算新能源利用率的消納系數(shù)法，但適用于電站級的新能源分析，不適用于分布式電源；文獻［7］提出主動配電網內分布式資源的雙層規(guī)劃模型，但欠缺考慮電網安全性的分析；文獻［8］提出新能源接入后系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的分析方法，但該方法僅適用于含大型風場的電網；文獻［9］提出采用多種遺傳算法的分布式光伏接入配電網規(guī)劃模型，但缺乏短路校核分析；文獻［10］提出以相似度最優(yōu)和新能源消納量最大為目標的兩階段優(yōu)化評估模型，模型準確度受相似度指標影響大；文獻［11］提出考慮有功網損、投資成本以及電網穩(wěn)定等因素的分布式電源并網階段優(yōu)化方法，但缺乏從主配網整體角度的分析；文獻［12］提出在頻率穩(wěn)定約束條件下電網可再生能源承載力的評估方法，但因同步機組等值簡化，準確性有待提高；文獻［13］提出可再生能源承載力評估的線性規(guī)劃模型，但未考慮諧波對電網的影響。

本文在上述研究的基礎上，首先分析分布式光伏承載力的影響因素，然后以靜態(tài)安全分析、短路電流水平和諧波電流為約束條件，提出適用于大型城市電網準確實用的分布式光伏承載力評估方法，并以某大型城市為例，準確得出電網10～220 kV母線可新增分布式光伏的接入容量，實現(xiàn)對大型城市電網分布式光伏承載力的評估。

1 分布式光伏承載力的影響因素分析

限制分布式光伏接入容量大小的因素主要包括運行特性、電源裝機構成、短路電流、電能質量、電壓偏差及損耗和繼電保護等方面。

1.1 運行特性

分布式光伏受輻照的影響，光伏有功出力的平滑可控性較差，主要表現(xiàn)為白天發(fā)電，夜間停發(fā)，在夜間負荷高峰時不能提供電量，同時云彩的遮擋會導致光伏出力急劇下降，秒級最大降幅可達50%以上。隨著分布式光伏接入電網，從高電壓等級下送的潮流變輕，有可能出現(xiàn)潮流返送的情況，導致網供負荷特性發(fā)生變化。

1.2 電源裝機構成

分布式光伏不具備適應電網頻率波動的調節(jié)能力，且不提供轉動慣量，隨著分布式電源裝機容量的增加、網內常規(guī)電源機組比例的下降，電力系統(tǒng)的調頻能力將逐步呈現(xiàn)下降趨勢。分布式光伏出力受地理位置、氣象條件、地形地勢、季節(jié)、大氣質量以及政策等影響存在不確定性，且其發(fā)電出力預測難度較大，給中長期電量平衡安全帶來困難，因此電力系統(tǒng)需預留出較多的備用容量。

1.3 短路電流

隨著分布式光伏接入容量的增加，配電網從單電源輻射狀網絡結構逐漸演化成多電源網格化結構，從而改變了電網短路電流的大小、方向及持續(xù)時間。針對變流器型新能源短路電流為1.2～1.5倍的額定電流，持續(xù)時間取決于相應控制裝置。

1.4 電能質量

分布式光伏常通過逆變器等電力電子元件接入電網，電壓總諧波畸變率在諧波源點產生的不確定性最強，當諧波源增多，多個諧波疊加將進一步增加電網的諧波污染程度；分布式光伏的投切控制或出力波動可能導致電網電壓的波動或閃變發(fā)生；分布式光伏如果單相接入低壓配電網，會導致電網三相不平衡等電能質量問題。

1.5 電壓偏差及損耗

隨著分布式光伏接入容量的增加，線路電壓可能會出現(xiàn)一直降低、先降低再升高再降低、先升高再降低等情況，如果分布式光伏接入線路最末端，還將出現(xiàn)持續(xù)升高的情況。當分布式光伏接入容量較大時，在分布式光伏接入點會出現(xiàn)局部電壓甚至饋線電壓最大值，損耗主要呈現(xiàn)U型曲線模式。

1.6 繼電保護

因分布式光伏大量接入電網，使得電網潮流反向疊加分布式光伏提供的故障電流，易造成過電流保護整定困難，也易導致不帶方向元件的過電流保護誤動作，且故障切除不及時易造成線路重合閘、備自投、主變壓器間隙保護等不正確動作的情況發(fā)生，對電網安全穩(wěn)定運行產生不利影響。

2 分布式光伏承載力評估方法

分布式光伏承載力是指在設備持續(xù)不過載和短路電流、諧波不超標的條件下電網接納分布式光伏電源的最大容量?；陔娏ο到y(tǒng)現(xiàn)狀和規(guī)劃，從總體到局部、從高壓到低壓，按供電區(qū)域和電壓等級開展；承載力計算范圍包括分布式光伏消納范圍內的各電壓等級電網；在靜態(tài)安全校核分析的基礎上進行短路電流和諧波電流等校核，確定供電區(qū)域的可新增分布式光伏容量。分布式光伏評估流程如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)準備

以分布式光伏并網數(shù)據(jù)、電網設備參數(shù)、電網安全運行邊界數(shù)據(jù)等為基礎開展分析，并結合在建及已批復電源和電網基改建等相關項目。數(shù)據(jù)應來源于歷史運行數(shù)據(jù)、運行設備參數(shù)、電網實測數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)，并考慮地理位置、電網結構、運行方式、負荷類型、負荷水平、時間尺度等因素。數(shù)據(jù)需求詳見表1。

2.2 評估方法

2.2.1 靜態(tài)安全校核

選取用電負荷需求最低且最有可能發(fā)生電網潮流反送的斷面開展靜態(tài)安全校核，當本地負荷需求大于本地集中式電源和分布式電源出力總和時，判定此區(qū)域可繼續(xù)接入新的分布式電源，在220 kV變壓器不出現(xiàn)功率返送的條件下，最大可新增分布式電源容量為主變壓器有功與集中式電源有功出力之和。網架結構示意圖如圖2所示。

分布式電源反向負載率為：

[λ=PD-PLS×100%]"" （1）

式中：[λ]——反向負載率，%；[PD]——分布式電源出力，MW；[PL]——等效負荷，MW，去除分布式電源以外的其他電源出力；[S]——電網變壓器額定容量，MW。

評估區(qū)域可新增分布式電源容量為：

[Pm=min[（1-λmax）×S×k，PT+PG]] （2）

式中：[Pm]——評估區(qū)域可新增分布式電源容量，MW；[λmax]——最大反向負載率，%；[k]——設備運行裕度系數(shù)，按電網運行準則，一般取0.6～0.8；[PT]——電網變壓器實際運行的容量；[PG]——集中式電源出力，MW；。

2.2.2 短路電流校核

短路電流校核應在高負荷運行方式下首先計算母線短路電流[Imax]，即三相短路電流和單相短路電流取最大值。在第1節(jié)分析中，針對變流器型新能源短路電流為1.2～1.5倍的額定電流，作為比例系數(shù)[KI]。短路電流為：

[Isc=Imax+KI×Pm3UN]""" （3）

式中：[KI]——短路電流比例系數(shù)；[UN]——各級母線額定電壓，kV。分布式光伏產生的短路電流不應超過額定遮斷容量。

2.2.3 諧波電流校核

根據(jù)分布式光伏采用的逆變器諧波參數(shù)及其接入方案，計算接入點母線的諧波電流及其限值，分布式光伏產生的各次諧波電流注入應滿足國家標準的要求。接入點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量不能超過《電能質量公用電網諧波》（GB/T 14549—1993［14］）中規(guī)定的允許值。對于公共連接點處第[i]個分布式光伏的第[h]次諧波電流允許值為：

[Ihi=Sk1Sk2×Ihp/SiSe1a]""" （4）

式中：[Sk1]——公共連接點的最小短路容量；[Sk2]——基準短路容量；[Ihp]——第[h]次諧波電流允許值［14］；[Si]——用電協(xié)議容量；[Se]——供電設備容量；[a]——相位疊加系數(shù)。

并網點多個分布式光伏諧波電流為：

[Ih∑=β×i=1NwtIh，iniβ]"" （5）

式中：[Ih∑]——公共連接點的h階諧波電流畸變；[Nwt]——接入公共連接點的設備數(shù)量；[Ih，i]——第[i]個設備[h]次諧波電流畸變；[ni]——第[i]個設備變壓器的變比；[β]——裕度系數(shù)，根據(jù)電力工程電氣設計手冊，當h小于等于5則取1，當[h]介于5～10之間則取1.4，當[h]大于等于10則取2。

3 算例分析

3.1 計算邊界

以大型城市電網為例，開展2022年分布式電源電網承載力評估，選取2021年5月1日作為典型日，此日用電負荷需求最低，是最有可能發(fā)生電網潮流反送的時段。以此日作為典型日計算出的分布式光伏容量是全年分布式電源電網承載力的最小值，滿足一年中所有負荷情況的電網接納分布式光伏的最大容量。城市電網承載力分析邊界條件見表2。

3.2 分布式光伏承載力評估結果

在220 kV變壓器不出現(xiàn)功率返送的條件下評估10～220 kV各電壓等級允許接入的分布式光伏容量。利用式（1）進行反向負載力計算，計算結果如表3所示。

由算例可知，電網共185臺220 kV變壓器，其中185臺無反送電，全部220 kV變壓器的反向負載率小于0；共950臺110 kV變壓器，其中949臺無反送電，1臺出現(xiàn)反送電，全部110 kV變壓器的反向負載率小于80%；共84臺35 kV變壓器，其中84臺無反送電，全部35 kV變壓器的反向負載率小于0。

根據(jù)式（2）計算得出可新增分布式電源容量，通過式（3）和式（4）進行短路水平校核和諧波電流校核。經計算，2492條10 kV及以上母線短路電流、諧波校核均通過。電網分布式光伏可新增容量計算結果如表4所示。

由表4可知，各電壓等級母線接入分布式光伏可新增容量并非線性累加關系。110 kV及以下電網多為輻射網結構，同一輻射線路上低電壓等級母線的分布式光伏承載力小于高電壓等級母線的分布式光伏承載力，35 kV和10 kV母線總可新增分布式光伏容量均小于110 kV母線；220 kV及以上為環(huán)網結構，受靜態(tài)安全和短路電流影響，分布式光伏總可新增容量有所降低。

4 結 論

針對大型城市無法準確評估電網對分布式光伏承載能力的問題，本文提出一種針對大型城市電網未來分布式光伏承載力評估分析方法，并利用典型城市電網對其進行驗證，得到如下主要結論：

1）針對大型城市電網重要用戶供電可靠性需求高和短路電流水平高的特點，提出以靜態(tài)安全分析、短路電流水平和諧波電流影響為約束條件進行評估，有助于大型城市電網控制新能源有序合理接入。

2）考慮大型城市電網特性的分布式光伏承載力評估方法能準確評估全電壓等級的分布式光伏可接入容量，指導區(qū)域電網分布式光伏的規(guī)劃和運行分析，具有較強實用性。

3）由分布式光伏可新增容量結果看，各電壓等級母線接入分布式光伏可新增容量并非線性累加關系，同一輻射線路上低電壓等級母線的分布式光伏承載力小于高電壓等級母線的分布式光伏承載力。

［參考文獻］

［1］" 中華人民共和國國務院新聞辦公室. 新時代的中國能源發(fā)展白皮書［R］. 北京， 2021.

［2］" 國家電網有限公司. 國家電網公司發(fā)布“碳達峰、碳中和”行動方案［N］. 國家電網報， 2021-03-02．

［3］" 裴哲義， 丁杰， 李晨， 等. 分布式光伏并網問題分析與建議［J］. 中國電力， 2018， 51（10）： 80-87.

PEI Z Y， DING J， LI C， et al. Analysis and suggestion for distributed" photovoltaic" generation［J］." Electric" power， 2018， 51（10）： 80-87.

［4］" 遲永寧， 湯海雁， 石文輝， 等. 新能源發(fā)電建模及接入電網分析［M］. 北京： 中國電力出版社， 2019： 6-8.

CHI Y N， TANG H Y， SHI W H， et al. New energy generation modeling and grid access analysis［M］. Beijing： China Electric Power Press， 2019： 6-8.

［5］" 王偉勝， 何國慶， 李光輝， 等. 分布式新能源發(fā)電規(guī)劃與運行技術［M］. 北京： 中國電力出版社， 2019： 3-7.

WANG W S， HE G Q， LI G H， et al. Distributed new energy generation planning and operation technology［M］. Beijing： China Electric Power Press， 2019： 3-7.

［6］" 張振宇， 王文倬， 張小奇， 等. 基于電力系統(tǒng)承載力指標的新能源裝機規(guī)劃方法［J］. 電網技術， 2021， 45（2）： 632-639.

ZHANG Z Y， WANG W Z， ZHANG X Q， et al. Renewable energy capacity planning based on carrying capacity" indicators" of" power" system［J］. Power" system technology， 2021， 45（2）： 632-639.

［7］" 付文杰， 楊鵬， 謝海鵬， 等. 電力市場環(huán)境下分布式電源與儲能協(xié)同規(guī)劃［J］. 電網與清潔能源， 2021， 37（6）： 101-112.

FU W J， YANG P， XIE H P， et al. Collaborative planning of distributed generation and energy storage system under power marked environment［J］. Power system and clean energy， 2021， 37（6）： 101-112.

［8］" 熊傳平， 張曉華， 孟遠景， 等. 考慮大規(guī)模風電接入的系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析［J］. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2021， 40（21）： 132-137.

XIONG C P， ZHANG X H， MENG Y J， et al. Analysis on static" voltage" stability" of" system" with" large-scale" wind power integration［J］. Power system protection and control， 2021， 40（21）： 132-137.

［9］" 劉科研， 盛萬興， 馬曉晨， 等. 基于多種群遺傳算法的分布式光伏接入配電網規(guī)劃研究［J］. 太陽能學報， 2021， 42（6）： 146-155.

LIU K Y， SHENG W X， MA X C， et al. Planning research of distributed photovoltaic source access distribution network based on multi-population genetic algorithm［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（6）： 146-155.

［10］" 李宏仲， 汪瑤， 胡哲晟， 等. 雙碳背景下配電網對多元接入體的承載能力評估［J］. 電網技術， 2022， 46（9）： 3595-3603.

LI H Z，WANG Y，HU Z S， et al. Carrying capacity assessment of distribution network for multiple access bodies under the background of double carbon［J］. Power system technology， 2022， 46（9）： 3595-3603.

［11］" 張永會， 張亞譜， 潘超， 等. 考慮源-儲特性的分布式電源并網階段優(yōu)化與評估方法［J］. 太陽能學報， 2020， 41（6）： 226-233.

ZHANG Y H， ZHANG Y P， PAN C， et al. Optimization and evaluation method of grid-connected distributed power supply considering source-storage characteristics［J］. Acta energiae solaris sinica， 2020， 41（6）： 226-233.

［12］" 郭小龍， 畢天姝， 劉方蕾， 等. 風/光高滲透率電網中考慮頻率穩(wěn)定的可再生能源承載力研究［J］. 可再生能源， 2020， 38（1）： 84-90.

GUO X L， BI T S， LIU F L， et al. Estimating maximum penetration level of renewable energy based on frequency stability constrains in networks with high-penetration wind and photovoltaic energy［J］. Renewable energy resources， 2020， 38（1）： 84-90.

［13］" 董昱， 董存， 于若英， 等. 基于線性最優(yōu)潮流的電力系統(tǒng)新能源承載能力分析［J］. 中國電力， 2022， 55（3）： 1-8.

DONG Y， DONG C， YU R Y， et al. Renewable energy capacity assessment in power system based on linearized OPF［J］. Electric power， 2022， 55（3）： 1-8.

［14］" GB/T 14549—1993，電能質量公用電網諧波［S］.

GB/T 14549—1993，Power quality-harmonics" in" public supply network［S］.

EVALUATION AND ANALYSIS OF DISTRIBUTED PHOTOVOLTAIC CARRYING CAPACITY IN LARGE URBAN POWER GRID

Wang Haiyun，Yu Xijuan，Zhang Yuxuan，Yang Liping，Wang Wei

（Beijing Electric Power Research Institute of Beijing Electric Power Company， Beijing 100075， China）

Keywords：distributed photovoltaic； bearing capacity assessment； static safety analysis； short circuit check； harmonic analysis