2022配电网对分布式光伏的接纳能力分析

配电网对分布式光伏的接纳能力分析引言在常规能源逐渐枯竭、环境污染日益严重的情况下，世界各国积极开发、利用可再生能源，并将光伏发电视为重要发展领域。随着光伏发电技术的快速发展和大规模的商业化应用，现有的电力系统不断向高效、清洁、灵活的方向发展，整个社会的能源利用效率有所提高。然而，分布式光伏接入后配电网由无源网络变为有源网络，可能出现电压越限、继电保护装置误动或拒动等问题，需要对此进行定量分析，并得出分布式光伏的最大接入容量。目前，分布式光伏接入对配电网电能质量影响的研究主要集中在电压偏差与电压波动方面。文献[1][2345][67]本文针对配电网对分布式光伏的接纳能力，首先采用恒功率分布式光伏与负荷模型，推导了分布式光伏接入对配电网电压偏差的影响，分析了分布式光伏对配电网电压谐波的影响；其次分析了分布式光伏接入后对故障电流的影响情况。利用某区域实际配电网算例，计算并得出在电能质量约束以及不改变现有电流保护整定值的条件下，分布式光伏的最大接入容量。分布式光伏接入对配电网电能质量的影响分布式光伏接入后对配电网的电压偏差的影响考虑如1LN个节n个节点的电压是，线路始端电压是，线路标准电压是VNV0,ii相对线路始端节ZRjX；配电网i处的分布式光伏系统容量jQpv表示。不考虑分布式光伏接入时，配电网在节点i处的电压偏差Ui表达式如下所示：Figure1.Multinodeconstantpowerdistributionnetwork图1.多节点恒功率配电网络iUViVNV0V0,iVNiVN VNV0i2Ni1PlRQlX1

(1)V 2 V2N N当单独考虑分布式光伏系统作用于配电网时，先将配电网的系统电源侧短路，配电网线路中的阻抗相对于负荷而言比较小，故分布式光伏系统对电压偏差的作用主要表现在分布式光伏系统到系统电源这iii点后的各点电压偏差，故j的电压降落Vpvj为：Vpvj

jpvQpv VipvQpv

,ji

(2)

,ji1,N利用电路叠加定理：VjV0,jVpvj，得到配电网中任意一点j处同时在系统电源和分布式光伏系统作用下的电压降：j2Nj1RPXQ

jpvQpv l l

,j1,i 2 VN VNVj

(3)j2Nj1

ipvQpv

,ji1,N 2 VN VN由前面可知，此配电网的线路端电压是V0，则线路中任意一点j的电压是： j2Nj1 RP

jpvQpv l l

,j1,iVj

2j2Nj1

VNRPXQ

VNipvQpv

(4) l l

,ji1,N 2 VN VNj则，含分布式光伏系统的配电网在节点j处的电压偏差Uj

表达式如下所示：V j2Nj1

RPXQ

jpvQpv0 l l 1,jiV 2 V2 V2jj2Nj1jj2Nj1RPXQipvQpv

(5)0 l l 1,ji1,NV 2 V2 V2N N N由方程式(5)可知，分布式光伏系统的接入容量、接入位置均会影响到配电网节点的电压偏差。新能源系统接入对谐波电压畸变量的影响Gkm处接入非线性模型的分布式光伏系统。谐波分析时分布式光伏系统采用谐hIpvspec,hIpv的百分比表h次谐波电流相角为pvspec,h。接入分布式光伏系统的简化谐波网络图，如2所示。分布式光伏系统接入容量对谐波电压畸变量的影响PpvPpvVpvdpfpvIpv

(6)r2h2x2r2r2h2x2r2h2x2Vh

Vh,2

Vh,1

I

pvh

GIlh

LL

Ilh

(7)r2h2x2*I

pvh

G0

h

分别为分布式光伏接入前与接入后的h次谐波电压I

为h次谐波注入电流幅值，G是变压器低压侧到分布式光伏系统的距离；L是变压器低压侧到负荷的距离。当分布式光伏系统采用电压控制的运行模式，则Vpv基本保持不变；当Ppv增大时，由方程式(6)可知，I

变大。Ppv越大，VhVh,2Vh,1越大，即谐波电压畸变水平升高得越高。分布式光伏系统接入位置对谐波电压畸变量的影响假设分布式光伏系统分别接入配电网线路的G1和G2处，且有G1G2。比较两种接入情况下，即考虑线路Z处于两种不同位置(ZG1和ZG2)时，谐波电压畸变水平的变化差异。r2h2x2分布式光伏系统接入线路ZZr2h2x2VhrjhxZI

pvhIlhZ

pvh

。由于分布式光伏系统采用电压控制的运行模式，则Vpv基本保持不变，Ppv不变时，由方程式(2)可知，在分布式光伏系统的接入节点分别为G1和G2时，Ipvh几乎相同。而G越大，线路末端节点电压V就越高，在分布式光伏系统的接入节点为G2时的Ilh

比接入节点为G1时的Ilh谐波电压幅值Vh

G的增大，分布式光伏系统接入点ZZ位置的减小，谐波电压畸变水平降低。r2h2x2分布式光伏系统接入线路ZZr2h2x2入位置为G时，V

GI IZG

；当分布式光伏系统接入位置为G1 hG1

1 pvh

1 lh 2Figure2.Distributionnetworkforharmonicanalysis图2.用于谐波分析的配电网络时，V

GI

IZGI

两式相减得V

GGI

0，hG2

2 pvh lh

2 lh

hG1

hG2

1 2 pvhr2h2x21Vh(Gr2h2x21

VhG；因此，随着接入位置G的增大，分布式光伏系统接入点G2之后Z处的谐波电压Vh变2大，谐波电压畸变水平升高。2分布式光伏接入对配电网电流保护的影响分布式光伏对配电网电流保护的主要影响是向短路点提供故障电流。当不改变分布式光伏接入位置与容量时，短路点位置也会影响分布式光伏提供的短路电流，因此需要考虑在线路不同位置发生短路故障时，分布式光伏能够提供的故障电流量；此外，当线路相同位置发生短路故障的情况下，随着分布式光伏接入位置和接入容量的改变，配电网中分布式光伏提供的短路电流同样有着较大的改变。分布式光伏的容量增加，所能提供的故障电流增加；因此本节主要研究配电网中短路点位置与分布式光伏接入位置的相对关系对故障注入电流的影响。以3所示的配电网络为例进行继电保护分析。3f1R1R243ZL表示，Z12为节12aZ12Z23。此时流过保护R1的短路电流是：Ik,R1

EsaZ12

(8)根据图4，利用节点电压法可以得到分布式光伏端电压U的表达式：1 1 S

(9)Z aZ Z

UL 23 s SPjQP；另外假定图4E0。s Figure3.Distributionnetworkforrelayingprotectionanalysis图3.用于继电保护分析的配电网络Figure4.Equivalentcircuitdiagramforshortcircuitatf1图4.f1点发生短路时的等效电路图故由方程式(9)并进一步展开可以得到：ZLZL1aZ12Z231

U2PZcos

(10) L 由此即可解出分布式光伏端电压U的大小以及流过保护R2的短路电流：PRL1PRL1aZ23aZ23ZLPRL1aZPRL1aZ23Z 2Z1aZL23ZUaZ23

(12)R1R2有可能检测到故障电流而先动作，从而使分布式光伏右侧形成孤岛运行状态。当f2、f3与f4点发生短路时，分析的方法与f1点发生短路时一致，具体推导过程在此不再赘述。算例分析采用52条支路，6个节点，每个节点末端都带有一定功率的负荷，其中分布式光伏系统主要通过支路节点末端接入配电网。110kVxs0.1260.0004H；110kV主变的容量选择是63110/10.50.95，110kV1.0，110V母线电压基准值取110kV10V线路电压基准值取10.5V10V公用配变的容量选择是0.8MV，10/0.40.125/km0.08/km2S×10−6/km，每段1km。各节点的负荷情况如下：节点2、节点3和节点4处的负荷值均为2.23MW，节点5负荷取10kV公用配变的极限容量0.8MW6用于模拟110V变电站其余10V12.02MW。考虑电能质量的分布式光伏准入容量电压偏差100WMMW和11中可以看出，当线路潮流方向不发生变化时，随着分布式光伏接入容量的增加，减小了配电6.69MW选取节点2、节点3和节点4作为分布式光伏的接入位置，分布式光伏接入容量设定为13.38MW。通过2可知，随着分布式光伏接入位置越靠近线路末端，配电网节点电压偏差越大，当分布式光413.38MW4GB/T《电能质量供电电压允许偏差》规定的±7%410.41MW。电压谐波采用同样的方式针对电压谐波总畸变率展开研究，光伏接入容量变化时各节点电压谐波总畸变率如3所示。由3可知，配电网节点电压谐波总畸变率与光伏接入容量正相关，随着光伏接入容量的增Figure5.Atypicaldistributionnetwork图5.典型配电网络Table1.NodevoltagedeviationwhenthePVcapacitychanges表1.光伏接入容量变化时节点电压偏差光伏接入容量节点号12340.669MW−0.41%−5.01%−8.00%−9.69%3.345MW−0.40%−3.23%−4.48%−6.11%6.69MW−0.39%−1.27%−0.57%−2.14%10.035MW−0.40%0.50%2.99%1.48%13.38MW−0.41%2.12%6.28%4.82%Table2.NodevoltagedeviationwhenthePVlocationchanges表2.光伏接入位置变化时各节点电压偏差光伏接入位置节点号1234节点2−0.40%2.33%−0.78%−2.35%节点3−0.41%2.12%6.28%4.82%节点4−0.43%1.71%5.49%10.87%Table3.NodevoltagedeviationwhenthePVcapacitychanges表3.光伏接入容量变化时各节点电压谐波总畸变率光伏接入容量节点号12340.669MW0.20.320.3370.3293.345MW0.2000.6010.8850.6436.69MW0.2000.8031.5710.88710.035MW2.3533.1663.4363.30113.38MW3.074.1544.5154.33413.38MW2、34GB/T±4%的311.78MW。当分布式光伏接入位置变化时，各节点电压谐波总畸变率情况如表4所示。通过4可知，分布式光伏接入点的电压谐波总畸变率与分布式光伏接入位置无关，仅与分布式光伏的接入容量有关；且分布式光伏接入位置越靠近线路末端，分布式光伏谐波传播的距离越远，谐波衰23和节413.38MW234GB/T14549-2008±4%234的分布式光伏的最大接入容量是11.78MW。通过对比3和4可知，含分布式光伏的配电网节点电压偏差越限时对应的分布式光伏的最大接入容量，小于含分布式光伏的配电网节点电压谐波总畸变率越限时对应的分布式光伏的最大接入容量。因此，当含分布式光伏光伏的配电网节点电压偏差和节点电压谐波总畸变率同时越限时，应该优先考虑节点电压偏差越限问题。考虑电流保护的分布式光伏准入容量本文以分布式光伏接入前配电网的电流保护整定值为约束，分析该条件下分布式光伏接入的最大容R1R2R3R4电流速断保护的整定应按躲开下级线路保护母线侧短路时可I段可靠性系数取为1.2II段可靠系数取为1.1III段可靠系数取为1.15、1.30.851~4的整定计算结果如5所示。6为结合5和6f310.35MWR2的故障电流(15.244)(15.27)2的二段保护无法作为3的远310.01MW。结合5和7f313.38MWR2的故障电流(17.703kA)小于其限时电流速断整定值(17.151kA)R2R3同时动作切除故障而失212.96MW。Table4.NodevoltagedeviationwhenthePVlocationchanges表4.光伏接入位置变化时各节点电压谐波总畸变率光伏接入位置节点号1234节点23.3374.5154.3194.221节点33.074.1544.5154.334节点42.5593.7634.0644.515Table5.Feedercurrentprotectionsettingvaluewithoutconsideringdistri-butedPV表5.不考虑分布式光伏接入的馈线电流保护整定值(kA)接入位置瞬时电流速断整定值Iset.I限时电流速断整定值Iset.II130.19021.066217.15115.27313.883——430.190——Table6.ShortcircuitcurrenteffectivevalueofeachprotectionwhenthePVcapacitychanges表6.光伏接入容量变化时各保护流过的短路电流有效值(kA)光伏接入容量保护名称R1R2R3R40.669MW17.70315.80015.1870.7223.345MW17.24215.647