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分布式電源接入與電網(wǎng)電壓偏差分析

2017-12-15 15:05:47 大云網(wǎng)　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

摘要：本文針對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)引起的電壓偏差問(wèn)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(duì)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(wèn)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，最后，探討了利用分布式電源抑制電壓偏差的可能性和適用場(chǎng)合。

引言

近年來(lái)，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(duì)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(dòng)性，大規(guī)模的分布式電源并入電網(wǎng)，將會(huì)對(duì)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(xiàn)路分散接入和高壓變電站的母線(xiàn)側(cè)專(zhuān)線(xiàn)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(xiàn)路上從電源向負(fù)載單方向流動(dòng)。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，沿著配電線(xiàn)路上功率流動(dòng)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(xiàn)上的傳輸功率減小（在負(fù)荷側(cè)有了電源，降低了對(duì)原來(lái)電網(wǎng)中電源的供電要求），以及分布式電源輸出的無(wú)功功率的支持，使得配電饋線(xiàn)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(guò)大對(duì)眾多用電設(shè)備以及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都會(huì)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(wèn)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(wèn)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(lái)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(shí)，負(fù)荷時(shí)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(huì)頻繁發(fā)生變化；系統(tǒng)的運(yùn)行方式也經(jīng)常會(huì)改變。于是，系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓會(huì)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(duì)于系統(tǒng)額定電壓的比值（以百分?jǐn)?shù)的形式表示）稱(chēng)為該節(jié)點(diǎn)的電壓偏差。

電壓偏差的計(jì)算式為

式中δU——電壓偏差

Ure——實(shí)際電壓，kV

UN——系統(tǒng)額定電壓，kV。

1.2電壓偏差的允許值

中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB12325—1990《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》對(duì)電壓偏差做出了詳盡規(guī)定。

一般而言，35kV以上供電電壓無(wú)直接用電設(shè)備，大多通過(guò)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)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)偏差的絕對(duì)值之和不超過(guò)額定電壓的10％。如供電電壓上下偏差同號(hào)時(shí)（均為正或負(fù)），按較大的偏差絕對(duì)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％。

2.1電壓偏差的形成機(jī)理

電力系統(tǒng)中的任何輸配電線(xiàn)路都存在一定的阻抗，根據(jù)歐姆定律，當(dāng)有電流流過(guò)線(xiàn)路時(shí)就會(huì)在線(xiàn)路阻抗上形成電壓降，致使線(xiàn)路兩端甚至線(xiàn)路上不同位置的電壓都存在差別。如果線(xiàn)路一端的電壓為系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓（設(shè)備的額定電壓），那么另一端的電壓就會(huì)偏離系統(tǒng)的標(biāo)稱(chēng)電壓，使加到用電設(shè)備的電壓偏離其額定電壓。

下面以最簡(jiǎn)單的輸電線(xiàn)路為例，來(lái)說(shuō)明無(wú)功功率與電壓損失的關(guān)系。圖1（a）是不計(jì)線(xiàn)路分布電容影響的一條輸電線(xiàn)路的等值電路，圖1（b）是對(duì)應(yīng)的相量圖。

設(shè)負(fù)載所在的母線(xiàn)2上的電壓相量，負(fù)載的視在功率為

線(xiàn)路首末兩端電壓的相量差，即線(xiàn)路的電壓降為

將式（3）代入（4）式，可得

其中，電壓降的縱分量和橫分量分別記作ΔUZ和ΔUH

規(guī)定電壓損失為線(xiàn)路首末端電壓的均方根值（有效值）之差，則電壓損失ΔU為

一般，線(xiàn)路兩端電壓的相角差δ較小，電壓降橫分量對(duì)電壓損失的影響可以忽略不計(jì)，可把電壓降的縱分量近似看作電壓損失，即

由式（9）可見(jiàn)，形成電壓偏差的電壓損失ΔU是由線(xiàn)路輸送功率（包括有功功率P和無(wú)功功率Q）和線(xiàn)路阻抗參數(shù)（電阻R和電抗X）共同決定的。

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(zhǎng)距離的傳輸過(guò)程。含有分布式電源的配電網(wǎng)的電壓等級(jí)一般較低，低壓輸配電線(xiàn)路的阻抗參數(shù)與高壓輸電線(xiàn)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(xiàn)路的阻抗參數(shù)。

從表1可以看出，對(duì)于含有分布式電源的低壓配電網(wǎng)，線(xiàn)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(xiàn)路阻抗有明顯的差異。根據(jù)式（5），在110kV及以上電壓等級(jí)的輸電線(xiàn)路中，X>>R，可以得出：無(wú)功功率的傳輸是造成電網(wǎng)電壓偏差的最主要原因，無(wú)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(duì)電壓損失ΔU的影響已經(jīng)不能忽略，有功功率P和無(wú)功功率Q的傳輸共同造成的線(xiàn)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

仍以最簡(jiǎn)單的輸電線(xiàn)路為例，如圖所示，當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)時(shí)，式（5）將變?yōu)槭剑?0）：

仍然忽略電壓降橫分量對(duì)電壓損失的影響，從而

由式（11）可見(jiàn)，當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)時(shí)，將會(huì)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(shí)，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(xiàn)路的特殊性R>>X，因此，有功功率的流動(dòng)是分布式電源接入配電網(wǎng)引起電壓偏差問(wèn)題的主要原因。
3.分布式電源接入位置對(duì)電壓分布的影響

分布式電源接入后，配電網(wǎng)不再是簡(jiǎn)單的放射狀單向送電結(jié)構(gòu)，而是變成一個(gè)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(huì)引起饋線(xiàn)中有功功率、無(wú)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(xiàn)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(huì)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(xiàn)上的傳輸功率減小以及分布式電源輸出有功功率和無(wú)功功率的支持，各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓被抬高。這會(huì)對(duì)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(shí)分布式電源的接入會(huì)導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)電壓偏差超過(guò)限值。

實(shí)際上，分布式電源的接入位置不同，對(duì)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(xiàn)之間

分布式電源接入配電變電站的變壓器和母線(xiàn)之間（如圖4所示），一般對(duì)母線(xiàn)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(shí)，對(duì)饋電線(xiàn)電壓幾乎沒(méi)有影響。但是，當(dāng)分布式電源的注入功率占到母線(xiàn)負(fù)荷的15%～20%時(shí)，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€(xiàn)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(shí)確定的調(diào)壓策略調(diào)整，分接頭向上調(diào)整不夠，就會(huì)造成降壓變壓器的副邊電壓過(guò)低，繼而用戶(hù)側(cè)的電壓水平越限。

3.2分布式電源接入線(xiàn)路調(diào)壓器的負(fù)荷側(cè)

分布式電源接入線(xiàn)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(lèi)似，因?yàn)橛蟹植际诫娫醋⑷牍β实拇嬖冢€(xiàn)路調(diào)壓器不能準(zhǔn)確檢測(cè)實(shí)際的負(fù)荷大小，因而往往會(huì)調(diào)壓不足，致使用戶(hù)電壓水平不能滿(mǎn)足要求。

如圖5所示，當(dāng)饋電線(xiàn)路末端接有分布式電源，有功功率將從線(xiàn)路的末端流入，線(xiàn)路末端的電壓將會(huì)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(xiàn)路調(diào)壓器的負(fù)荷側(cè)

分布式電源接入線(xiàn)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(lèi)似，因?yàn)橛蟹植际诫娫醋⑷牍β实拇嬖冢€(xiàn)路調(diào)壓器不能準(zhǔn)確檢測(cè)實(shí)際的負(fù)荷大小，因而往往會(huì)調(diào)壓不足，致使用戶(hù)電壓水平不能滿(mǎn)足要求。

由上述分析可知，將所有分布式電源全部接入同一個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)會(huì)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龋┫嗤姆植际诫娫丛诓煌恢脮r(shí)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(xiàn)中部，局部極大電壓也就出現(xiàn)在線(xiàn)路中部。分布式電源越接近系統(tǒng)母線(xiàn)，對(duì)線(xiàn)路電壓分布的影響就越小。在非峰荷時(shí)段，如果分布式電源注入的電能超過(guò)用戶(hù)負(fù)荷需求，就會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生反向潮流，此時(shí)更容易導(dǎo)致某些點(diǎn)的電壓過(guò)高。同時(shí)，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(dòng)性，其輸出功率的不確定性將給電壓調(diào)節(jié)帶來(lái)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(hù)距離很近，容易實(shí)現(xiàn)有功功率的就近提供和無(wú)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(hù)負(fù)荷突然大量增加或大量減少時(shí)，供電線(xiàn)路的電源會(huì)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(shí)，會(huì)對(duì)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(hù)負(fù)荷突然大量增加或減小時(shí)，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(dòng)，從而抑制電壓的變動(dòng)。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(shí)，往往都配備一些無(wú)功補(bǔ)償裝置或儲(chǔ)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(duì)分布式電源本身的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，也必然對(duì)配電網(wǎng)中原有的電能電壓偏差問(wèn)題有改善作用。

對(duì)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(duì)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(lèi)似于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的作用；對(duì)于同步機(jī)型分布式電源，由于其具備較大的轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)程中會(huì)造成較大的電壓波動(dòng)，將導(dǎo)致同步型分布式電源無(wú)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(yǔ)

隨著越來(lái)越多的分布式電源接入電網(wǎng)，其具有的間歇性和波動(dòng)性所引起的電能質(zhì)量問(wèn)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(wèn)題，并探討了利用分布式電源來(lái)抑制電壓偏差的可能性，對(duì)于深入研究和解決分布式電源接入引起的電壓偏差問(wèn)題有一定的引導(dǎo)和參考價(jià)值。

責(zé)任編輯：電改觀察員

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