DQZHAN技術(shù)訊：分布式電源接入與電網(wǎng)電壓偏差
本文針對分布式電源接入配電網(wǎng)引起的電壓偏差問題進(jìn)行了研究。首先介紹了電壓偏差的含義和形成機(jī)理，重點(diǎn)闡述分布式電源接入對電網(wǎng)電壓偏差的影響，分析了配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)電壓偏差問題的差別，解釋了分布式電源接入配電網(wǎng)的幾種不同情況下電壓偏差的分布情況，*后，探討了利用分布式電源抑制電壓偏差的可能性和適用場合。
近年來，以風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的分布式發(fā)電技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和大力的推廣。一方面，分布式電源的環(huán)境友好性和循環(huán)再生性為應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境污染提供了幫助;另一方面，人們也注意到了分布式發(fā)電由于受到自然條件的限制，其輸出功率具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和波動性，大規(guī)模的分布式電源并入電網(wǎng)，將會對現(xiàn)有電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。
由于分布式電源一般具有單機(jī)容量小、分散布置的特點(diǎn)，其通常直接接入到配電網(wǎng)中。接入配電網(wǎng)的方式主要有三種：配電變壓器的低壓側(cè)接入、中壓線路分散接入和高壓變電站的母線側(cè)專線接入。傳統(tǒng)的集中供電的配電網(wǎng)，一般呈輻射狀結(jié)構(gòu)，電能在配電線路上從電源向負(fù)載單方向流動。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，沿著配電線路上功率流動的方向，電壓是逐漸降低的。接入分布式電源后，由于配電饋線上的傳輸功率減小(在負(fù)荷側(cè)有了電源，降低了對原來電網(wǎng)中電源的供電要求)，以及分布式電源輸出的無功功率的支持，使得配電饋線上的各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓被抬高，導(dǎo)致一些負(fù)荷節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生電壓偏差。
電壓偏差反映的是實(shí)際電壓偏離系統(tǒng)額定電壓的程度。電壓偏差過大對眾多用電設(shè)備以及電網(wǎng)的**穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都會產(chǎn)生極大的危害，因此有必要研究分布式電源接入配電網(wǎng)所引起的電壓偏差問題。本文從電壓偏差的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，考慮到配電網(wǎng)電壓偏差問題的特殊性，分析了分布式電源在不同的接入情形下所產(chǎn)生的電壓偏差的分布情況，并提出利用分布式電源來抑制電壓偏差。
1.電壓偏差的基本概念
1.1 電壓偏差的含義
供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時，負(fù)荷時刻發(fā)生著變化;在含有分布式電源的配電網(wǎng)中，分布式電源的輸出功率也可能會頻繁發(fā)生變化;系統(tǒng)的運(yùn)行方式也經(jīng)常會改變。于是，系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓會隨之發(fā)生改變，偏離系統(tǒng)電壓額定值。
供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，某一節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓與系統(tǒng)額定電壓之差相對于系統(tǒng)額定電壓的比值(以百分?jǐn)?shù)的形式表示)稱為該節(jié)點(diǎn)的電壓偏差。
電壓偏差的計(jì)算式為：
1.2 電壓偏差的允許值
中國的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 12325—1990《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》對電壓偏差做出了詳盡規(guī)定。
一般而言，35kV以上供電電壓無直接用電設(shè)備，大多通過降壓變壓器接入供電系統(tǒng)，合理選擇降壓變壓器的分接頭位置可以起到一定的調(diào)壓作用。因此，目前中國國家標(biāo)準(zhǔn)只對35kV及以下供電電壓規(guī)定了允許電壓偏差，具體情況如下：
(1)35kV及以上供電電壓的正、負(fù)偏差的**值之和不超過額定電壓的10%。如供電電壓上下偏差同號時(均為正或負(fù))，按較大的偏差**值作為衡量依據(jù)。
(2)10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%。
(3)220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%～-10%。
2.與分布式電源接入有關(guān)的配電網(wǎng)電壓偏差
2.1 電壓偏差的形成機(jī)理
電力系統(tǒng)中的任何輸配電線路都存在一定的阻抗，根據(jù)歐姆定律，當(dāng)有電流流過線路時就會在線路阻抗上形成電壓降，致使線路兩端甚至線路上不同位置的電壓都存在差別。如果線路一端的電壓為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓(設(shè)備的額定電壓)，那么另一端的電壓就會偏離系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓，使加到用電設(shè)備的電壓偏離其額定電壓。
下面以*簡單的輸電線路為例，來說明無功功率與電壓損失的關(guān)系。圖1(a)是不計(jì)線路分布電容影響的一條輸電線路的等值電路，圖1(b)是對應(yīng)的相量圖。
2.2 配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)的差異
分布式電源就近接入配電網(wǎng)，一般不需要長距離的傳輸過程。含有分布式電源的配電網(wǎng)的電壓等級一般較低，低壓輸配電線路的阻抗參數(shù)與高壓輸電線路的阻抗參數(shù)有所不同。表1給出了不同電壓水平下的典型線路的阻抗參數(shù)。
從表1可以看出，對于含有分布式電源的低壓配電網(wǎng)，線路阻抗主要呈現(xiàn)電阻特性，即R>>X，這與高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的線路阻抗有明顯的差異。根據(jù)式(5)，在110kV及以上電壓等級的輸電線路中，X>>R，可以得出：無功功率的傳輸是造成電網(wǎng)電壓偏差的*主要原因，無功功率不平衡是引起系統(tǒng)電壓偏離額定值的根本原因。但是，在低壓配電網(wǎng)中，有功功率P對電壓損失ΔU的影響已經(jīng)不能忽略，有功功率P和無功功率Q的傳輸共同造成的線路上的電壓損失，形成電壓偏差。
2.3 分布式電源接入配電網(wǎng)的電壓偏差
仍以*簡單的輸電線路為例，如圖所示，當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)時，式(5)將變?yōu)槭?10)：
由式(11)可見，當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)時，將會改變配電網(wǎng)的潮流，能夠抑制電壓降落;當(dāng)分布式電源注入的功率較多時，甚至?xí)霈F(xiàn)潮流方向改變的情況，使得節(jié)點(diǎn)電壓抬高。此外，分布式電源輸出的功率主要為有功功率，功率因數(shù)一般大于0.9，考慮到配電網(wǎng)輸電線路的特殊性R>>X，因此，有功功率的流動是分布式電源接入配電網(wǎng)引起電壓偏差問題的主要原因。
3.分布式電源接入位置對電壓分布的影響
分布式電源接入后，配電網(wǎng)不再是簡單的放射狀單向送電結(jié)構(gòu)，而是變成一個包含電源和負(fù)荷的有源網(wǎng)絡(luò)。分布式電源的接入必然會引起饋線中有功功率、無功功率的大小甚至方向的變化，進(jìn)而影響配電網(wǎng)中的電壓分布。
傳統(tǒng)配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況下沿饋線潮流方向，各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓逐漸降低。分布式電源接入后，配電網(wǎng)潮流分布會發(fā)生改變甚至可能出現(xiàn)與原設(shè)計(jì)中潮流流向相反的逆潮流。由于饋線上的傳輸功率減小以及分布式電源輸出有功功率和無功功率的支持，各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓被抬高。這會對各節(jié)點(diǎn)的電壓偏差造成影響。如圖3所示，鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)中輕負(fù)荷時分布式電源的接入會導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)電壓偏差超過限值。
實(shí)際上，分布式電源的接入位置不同，對配電網(wǎng)電壓分布的影響也不同。
3.1 分布式電源接入變電站有載調(diào)壓變壓器和母線之間
分布式電源接入配電變電站的變壓器和母線之間(如圖4所示)，一般對母線電壓的影響不大，這是因?yàn)樽冸娬緝?nèi)的等效阻抗比較小。
當(dāng)分布式電源注入的功率很小時，對饋電線電壓幾乎沒有影響。但是，當(dāng)分布式電源的注入功率占到母線負(fù)荷的15%～20%時，就有可能出現(xiàn)電壓越限的情況，如圖4所示。
因?yàn)橛蟹植际诫娫吹淖⑷牍β剩侂娋€路從變壓器側(cè)引入的功率自然減少，如果變壓器分接頭還是根據(jù)未考慮分布式電源接入時確定的調(diào)壓策略調(diào)整，分接頭向上調(diào)整不夠，就會造成降壓變壓器的副邊電壓過低，繼而用戶側(cè)的電壓水平越限。
3.2 分布式電源接入線路調(diào)壓器的負(fù)荷側(cè)
分布式電源接入線路調(diào)壓器的負(fù)荷側(cè)(如圖6所示)，這種情況和分布式電源接到有載調(diào)壓變壓器副邊的情況類似，因?yàn)橛蟹植际诫娫醋⑷牍β实拇嬖冢€路調(diào)壓器不能準(zhǔn)確檢測實(shí)際的負(fù)荷大小，因而往往會調(diào)壓不足，致使用戶電壓水平不能滿足要求。
如圖5所示，當(dāng)饋電線路末端接有分布式電源，有功功率將從線路的末端流入，線路末端的電壓將會被抬高;并且有功功率流入越多，電壓抬高的也越高，甚至導(dǎo)致電壓越限。
3.3 分布式電源接入線路調(diào)壓器的負(fù)荷側(cè)
分布式電源接入線路調(diào)壓器的負(fù)荷側(cè)(如圖6所示)，這種情況和分布式電源接到有載調(diào)壓變壓器副邊的情況類似，因?yàn)橛蟹植际诫娫醋⑷牍β实拇嬖冢€路調(diào)壓器不能準(zhǔn)確檢測實(shí)際的負(fù)荷大小，因而往往會調(diào)壓不足，致使用戶電壓水平不能滿足要求。
3.4 分布式電源接到個別用戶側(cè)
普通用戶的功率需求一般較小，一個小型的分布式電源都可能引起較大的電壓變化，甚至還會將多余的功率傳輸給電網(wǎng)。同一配電變壓器的副邊通常連接有多個用戶，個別用戶的分布式電源必然會影響到連線附近的其他用戶。例如，如圖7所示，用戶B的分布式電源使得其電壓升高至232.5V，同時也使得用戶A的電壓升高至228V。
由上述分析可知，將所有分布式電源全部接入同一個負(fù)荷節(jié)點(diǎn)會明顯影響電壓分布。滲透率(指接入的分布式電源的容量和所接入電網(wǎng)的總?cè)萘恐?相同的分布式電源在不同位置時所形成的電壓分布差別很大。如果較大容量的分布式電源接入饋線中部，局部極大電壓也就出現(xiàn)在線路中部。分布式電源越接近系統(tǒng)母線，對線路電壓分布的影響就越小。在非峰荷時段，如果分布式電源注入的電能超過用戶負(fù)荷需求，就會在系統(tǒng)中產(chǎn)生反向潮流，此時更容易導(dǎo)致某些點(diǎn)的電壓過高。同時，分布式電源的出力受自然條件的影響很大，具有隨機(jī)性和波動性，其輸出功率的不確定性將給電壓調(diào)節(jié)帶來困難，容易造成電壓偏差越限。
4.利用分布式電源抑制電壓偏差
分布式電源和電力用戶距離很近，容易實(shí)現(xiàn)有功功率的就近提供和無功功率的就近補(bǔ)償，而且輸電損耗小。在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)中，當(dāng)用戶負(fù)荷突然大量增加或大量減少時，供電線路的電源會明顯降低或升高，造成明顯的電壓偏差。當(dāng)分布式電源與當(dāng)?shù)刎?fù)荷能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行(分布式電源輸出與負(fù)荷同步變化)時，會對系統(tǒng)電壓偏差有一定的抑制作用。若能將分布式電源也納入電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度管理，那么在用戶負(fù)荷突然大量增加或減小時，就可以相應(yīng)調(diào)整分布式電源的輸出功率，以補(bǔ)償或抵消負(fù)荷的功率變動，從而抑制電壓的變動。當(dāng)然，這需要資源條件允許，而且分布式電源可以宏觀調(diào)控。
分布式電源在接入電網(wǎng)時，往往都配備一些無功補(bǔ)償裝置或儲能裝置。這些補(bǔ)償裝置并聯(lián)接在分布式電源的接入點(diǎn)，在對分布式電源本身的電能質(zhì)量問題進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r，也必然對配電網(wǎng)中原有的電能電壓偏差問題有改善作用。
對于逆變器型分布式電源，具有控制靈活，反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，具備較高的并網(wǎng)滲透率，對其采取一定的控制策略還可控制并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，起到類似于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的作用;對于同步機(jī)型分布式電源，由于其具備較大的轉(zhuǎn)動慣量，能為系統(tǒng)提供一些頻率支撐，很好的改善配電網(wǎng)的供電質(zhì)量，但是在接入或切出過程中會造成較大的電壓波動，將導(dǎo)致同步型分布式電源無法大量滲透到配電網(wǎng)中。兩者在容量充足的情況下，都能明顯抑制并入點(diǎn)的電壓偏差，起到改善電能質(zhì)量的作用。
5.結(jié)語
隨著越來越多的分布式電源接入電網(wǎng)，其具有的間歇性和波動性所引起的電能質(zhì)量問題值得關(guān)注。本文從電壓偏差的定義入手，考慮了配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)的差異性，重點(diǎn)分析了分布式電源接入配電網(wǎng)的不同位置所引起的電壓偏差問題，并探討了利用分布式電源來抑制電壓偏差的可能性，對于深入研究和解決分布式電源接入引起的電壓偏差問題有一定的引導(dǎo)和參考價值。
