分布式電源接入與電網電壓偏差分析

2017-12-15 15:05:47 大云網　點擊量：評論 (0)

摘要：本文針對分布式電源接入配電網引起的電壓偏差問題進行了研究。首先介紹了電壓偏差的含義和形成機理，重點闡述分布式電源接入對電網電壓偏差的影響，分析了配電網與輸電網電壓偏差問題的差別，解釋了

摘要：本文針對分布式電源接入配電網引起的電壓偏差問題進行了研究。首先介紹了電壓偏差的含義和形成機理，重點闡述分布式電源接入對電網電壓偏差的影響，分析了配電網與輸電網電壓偏差問題的差別，解釋了分布式電源接入配電網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合。

引言

近年來，以風力發電和光伏發電為代表的分布式發電技術得到了迅速的發展和大力的推廣。一方面，分布式電源的環境友好性和循環再生性為應對能源危機和環境污染提供了幫助；另一方面，人們也注意到了分布式發電由于受到自然條件的限制，其輸出功率具有很強的隨機性和波動性，大規模的分布式電源并入電網，將會對現有電力系統的供電質量產生嚴重的影響。

由于分布式電源一般具有單機容量小、分散布置的特點，其通常直接接入到配電網中。接入配電網的方式主要有三種：配電變壓器的低壓側接入、中壓線路分散接入和高壓變電站的母線側專線接入。傳統的集中供電的配電網，一般呈輻射狀結構，電能在配電線路上從電源向負載單方向流動。穩態運行狀態下，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（在負荷側有了電源，降低了對原來電網中電源的供電要求），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荷節點處的電壓被抬高，導致一些負荷節點產生電壓偏差。

電壓偏差反映的是實際電壓偏離系統額定電壓的程度。電壓偏差過大對眾多用電設備以及電網的安全穩定和經濟運行都會產生極大的危害，因此有必要研究分布式電源接入配電網所引起的電壓偏差問題。本文從電壓偏差的產生機理出發，考慮到配電網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

供電系統在正常運行時，負荷時刻發生著變化；在含有分布式電源的配電網中，分布式電源的輸出功率也可能會頻繁發生變化；系統的運行方式也經常會改變。于是，系統中各節點的電壓會隨之發生改變，偏離系統電壓額定值。

供電系統在正常運行條件下，某一節點的實際電壓與系統額定電壓之差相對于系統額定電壓的比值（以百分數的形式表示）稱為該節點的電壓偏差。

電壓偏差的計算式為

式中δU——電壓偏差

Ure——實際電壓，kV

UN——系統額定電壓，kV。

1.2電壓偏差的允許值

中國的國家標準GB12325—1990《電能質量供電電壓允許偏差》對電壓偏差做出了詳盡規定。

一般而言，35kV以上供電電壓無直接用電設備，大多通過降壓變壓器接入供電系統，合理選擇降壓變壓器的分接頭位置可以起到一定的調壓作用。因此，目前中國國家標準只對35kV及以下供電電壓規定了允許電壓偏差，具體情況如下：

（1）35kV及以上供電電壓的正、負偏差的絕對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），按較大的偏差絕對值作為衡量依據。
（ 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電壓偏差的形成機理

電力系統中的任何輸配電線路都存在一定的阻抗，根據歐姆定律，當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標稱電壓（設備的額定電壓），那么另一端的電壓就會偏離系統的標稱電壓，使加到用電設備的電壓偏離其額定電壓。

下面以最簡單的輸電線路為例，來說明無功功率與電壓損失的關系。圖1（a）是不計線路分布電容影響的一條輸電線路的等值電路，圖1（b）是對應的相量圖。

設負載所在的母線2上的電壓相量，負載的視在功率為

線路首末兩端電壓的相量差，即線路的電壓降為

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

規定電壓損失為線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，線路兩端電壓的相角差δ較小，電壓降橫分量對電壓損失的影響可以忽略不計，可把電壓降的縱分量近似看作電壓損失，即

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

2.2配電網與輸電網的差異

分布式電源就近接入配電網，一般不需要長距離的傳輸過程。含有分布式電源的配電網的電壓等級一般較低，低壓輸配電線路的阻抗參數與高壓輸電線路的阻抗參數有所不同。表1給出了不同電壓水平下的典型線路的阻抗參數。

從表1可以看出，對于含有分布式電源的低壓配電網，線路阻抗主要呈現電阻特性，即R>>X，這與高壓輸電網絡的線路阻抗有明顯的差異。根據式（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電壓偏差的最主要原因，無功功率不平衡是引起系統電壓偏離額定值的根本原因。但是，在低壓配電網中，有功功率P對電壓損失ΔU的影響已經不能忽略，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的電壓偏差

仍以最簡單的輸電線路為例，如圖所示，當分布式電源接入配電網時，式（5）將變為式（10）：

仍然忽略電壓降橫分量對電壓損失的影響，從而

由式（11）可見，當分布式電源接入配電網時，將會改變配電網的潮流，能夠抑制電壓降落；當分布式電源注入的功率較多時，甚至會出現潮流方向改變的情況，使得節點電壓抬高。此外，分布式電源輸出的功率主要為有功功率，功率因數一般大于0.9，考慮到配電網輸電線路的特殊性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，配電網不再是簡單的放射狀單向送電結構，而是變成一個包含電源和負荷的有源網絡。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，進而影響配電網中的電壓分布。

傳統配電網穩態運行狀況下沿饋線潮流方向，各負荷節點處的電壓逐漸降低。分布式電源接入后，配電網潮流分布會發生改變甚至可能出現與原設計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，各負荷節點處的電壓被抬高。這會對各節點的電壓偏差造成影響。如圖3所示，鏈式配電網中輕負荷時分布式電源的接入會導致某些節點電壓偏差超過限值。

實際上，分布式電源的接入位置不同，對配電網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，這是因為變電站內的等效阻抗比較小。

當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，當分布式電源的注入功率占到母線負荷的15%～20%時，就有可能出現電壓越限的情況，如圖4所示。

因為有分布式電源的注入功率，饋電線路從變壓器側引入的功率自然減少，如果變壓器分接頭還是根據未考慮分布式電源接入時確定的調壓策略調整，分接頭向上調整不夠，就會造成降壓變壓器的副邊電壓過低，繼而用戶側的電壓水平越限。

3.2分布式電源接入線路調壓器的負荷側

分布式電源接入線路調壓器的負荷側（如圖6所示），這種情況和分布式電源接到有載調壓變壓器副邊的情況類似，因為有分布式電源注入功率的存在，線路調壓器不能準確檢測實際的負荷大小，因而往往會調壓不足，致使用戶電壓水平不能滿足要求。

如圖5所示，當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，甚至導致電壓越限。

3.3分布式電源接入線路調壓器的負荷側

分布式電源接入線路調壓器的負荷側（如圖6所示），這種情況和分布式電源接到有載調壓變壓器副邊的情況類似，因為有分布式電源注入功率的存在，線路調壓器不能準確檢測實際的負荷大小，因而往往會調壓不足，致使用戶電壓水平不能滿足要求。

由上述分析可知，將所有分布式電源全部接入同一個負荷節點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的總容量之比）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在線路中部。分布式電源越接近系統母線，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荷需求，就會在系統中產生反向潮流，此時更容易導致某些點的電壓過高。同時，分布式電源的出力受自然條件的影響很大，具有隨機性和波動性，其輸出功率的不確定性將給電壓調節帶來困難，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，容易實現有功功率的就近提供和無功功率的就近補償，而且輸電損耗小。在傳統的配電網中，當用戶負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。當分布式電源與當地負荷能夠協調運行（分布式電源輸出與負荷同步變化）時，會對系統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的統一調度管理，那么在用戶負荷突然大量增加或減小時，就可以相應調整分布式電源的輸出功率，以補償或抵消負荷的功率變動，從而抑制電壓的變動。當然，這需要資源條件允許，而且分布式電源可以宏觀調控。

分布式電源在接入電網時，往往都配備一些無功補償裝置或儲能裝置。這些補償裝置并聯接在分布式電源的接入點，在對分布式電源本身的電能質量問題進行補償的同時，也必然對配電網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，反應速度快等特點，具備較高的并網滲透率，對其采取一定的控制策略還可控制并網點的電壓，起到類似于電能質量調節裝置的作用；對于同步機型分布式電源，由于其具備較大的轉動慣量，能為系統提供一些頻率支撐，很好的改善配電網的供電質量，但是在接入或切出過程中會造成較大的電壓波動，將導致同步型分布式電源無法大量滲透到配電網中。兩者在容量充足的情況下，都能明顯抑制并入點的電壓偏差，起到改善電能質量的作用。

5.結語

隨著越來越多的分布式電源接入電網，其具有的間歇性和波動性所引起的電能質量問題值得關注。本文從電壓偏差的定義入手，考慮了配電網與輸電網的差異性，重點分析了分布式電源接入配電網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和參考價值。