分布式电源接入与电网电压偏差分析

2017-12-15 15:05:47 大云网　点击量：评论 (0)

摘要：本文针对分布式电源接入配电网引起的电压偏差问题进行了研究。首先介绍了电压偏差的含义和形成机理，重点阐述分布式电源接入对电网电压偏差的影响，分析了配电网与输电网电压偏差问题的差别，解释了

摘要：本文针对分布式电源接入配电网引起的电压偏差问题进行了研究。首先介绍了电压偏差的含义和形成机理，重点阐述分布式电源接入对电网电压偏差的影响，分析了配电网与输电网电压偏差问题的差别，解释了分布式电源接入配电网的几种不同情况下电压偏差的分布情况，最后，探讨了利用分布式电源抑制电压偏差的可能性和适用场合。

引言

近年来，以风力发电和光伏发电为代表的分布式发电技术得到了迅速的发展和大力的推广。一方面，分布式电源的环境友好性和循环再生性为应对能源危机和环境污染提供了帮助；另一方面，人们也注意到了分布式发电由于受到自然条件的限制，其输出功率具有很强的随机性和波动性，大规模的分布式电源并入电网，将会对现有电力系统的供电质量产生严重的影响。

由于分布式电源一般具有单机容量小、分散布置的特点，其通常直接接入到配电网中。接入配电网的方式主要有三种：配电变压器的低压侧接入、中压线路分散接入和高压变电站的母线侧专线接入。传统的集中供电的配电网，一般呈辐射状结构，电能在配电线路上从电源向负载单方向流动。稳态运行状态下，沿着配电线路上功率流动的方向，电压是逐渐降低的。接入分布式电源后，由于配电馈线上的传输功率减小（在负荷侧有了电源，降低了对原来电网中电源的供电要求），以及分布式电源输出的无功功率的支持，使得配电馈线上的各负荷节点处的电压被抬高，导致一些负荷节点产生电压偏差。

电压偏差反映的是实际电压偏离系统额定电压的程度。电压偏差过大对众多用电设备以及电网的安全稳定和经济运行都会产生极大的危害，因此有必要研究分布式电源接入配电网所引起的电压偏差问题。本文从电压偏差的产生机理出发，考虑到配电网电压偏差问题的特殊性，分析了分布式电源在不同的接入情形下所产生的电压偏差的分布情况，并提出利用分布式电源来抑制电压偏差。

1.电压偏差的基本概念

1.1电压偏差的含义

供电系统在正常运行时，负荷时刻发生着变化；在含有分布式电源的配电网中，分布式电源的输出功率也可能会频繁发生变化；系统的运行方式也经常会改变。于是，系统中各节点的电压会随之发生改变，偏离系统电压额定值。

供电系统在正常运行条件下，某一节点的实际电压与系统额定电压之差相对于系统额定电压的比值（以百分数的形式表示）称为该节点的电压偏差。

电压偏差的计算式为

式中δU——电压偏差

Ure——实际电压，kV

UN——系统额定电压，kV。

1.2电压偏差的允许值

中国的国家标准GB12325—1990《电能质量供电电压允许偏差》对电压偏差做出了详尽规定。

一般而言，35kV以上供电电压无直接用电设备，大多通过降压变压器接入供电系统，合理选择降压变压器的分接头位置可以起到一定的调压作用。因此，目前中国国家标准只对35kV及以下供电电压规定了允许电压偏差，具体情况如下：

（1）35kV及以上供电电压的正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10％。如供电电压上下偏差同号时（均为正或负），按较大的偏差绝对值作为衡量依据。
（ 2）10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7％。

（3）220V单相供电电压允许偏差为额定电压的＋7％～－10％。

2.1电压偏差的形成机理

电力系统中的任何输配电线路都存在一定的阻抗，根据欧姆定律，当有电流流过线路时就会在线路阻抗上形成电压降，致使线路两端甚至线路上不同位置的电压都存在差别。如果线路一端的电压为系统标称电压（设备的额定电压），那么另一端的电压就会偏离系统的标称电压，使加到用电设备的电压偏离其额定电压。

下面以最简单的输电线路为例，来说明无功功率与电压损失的关系。图1（a）是不计线路分布电容影响的一条输电线路的等值电路，图1（b）是对应的相量图。

设负载所在的母线2上的电压相量，负载的视在功率为

线路首末两端电压的相量差，即线路的电压降为

将式（3）代入（4）式，可得

其中，电压降的纵分量和横分量分别记作ΔUZ和ΔUH

规定电压损失为线路首末端电压的均方根值（有效值）之差，则电压损失ΔU为

一般，线路两端电压的相角差δ较小，电压降横分量对电压损失的影响可以忽略不计，可把电压降的纵分量近似看作电压损失，即

由式（9）可见，形成电压偏差的电压损失ΔU是由线路输送功率（包括有功功率P和无功功率Q）和线路阻抗参数（电阻R和电抗X）共同决定的。

2.2配电网与输电网的差异

分布式电源就近接入配电网，一般不需要长距离的传输过程。含有分布式电源的配电网的电压等级一般较低，低压输配电线路的阻抗参数与高压输电线路的阻抗参数有所不同。表1给出了不同电压水平下的典型线路的阻抗参数。

从表1可以看出，对于含有分布式电源的低压配电网，线路阻抗主要呈现电阻特性，即R>>X，这与高压输电网络的线路阻抗有明显的差异。根据式（5），在110kV及以上电压等级的输电线路中，X>>R，可以得出：无功功率的传输是造成电网电压偏差的最主要原因，无功功率不平衡是引起系统电压偏离额定值的根本原因。但是，在低压配电网中，有功功率P对电压损失ΔU的影响已经不能忽略，有功功率P和无功功率Q的传输共同造成的线路上的电压损失，形成电压偏差。

2.3分布式电源接入配电网的电压偏差

仍以最简单的输电线路为例，如图所示，当分布式电源接入配电网时，式（5）将变为式（10）：

仍然忽略电压降横分量对电压损失的影响，从而

由式（11）可见，当分布式电源接入配电网时，将会改变配电网的潮流，能够抑制电压降落；当分布式电源注入的功率较多时，甚至会出现潮流方向改变的情况，使得节点电压抬高。此外，分布式电源输出的功率主要为有功功率，功率因数一般大于0.9，考虑到配电网输电线路的特殊性R>>X，因此，有功功率的流动是分布式电源接入配电网引起电压偏差问题的主要原因。
3.分布式电源接入位置对电压分布的影响

分布式电源接入后，配电网不再是简单的放射状单向送电结构，而是变成一个包含电源和负荷的有源网络。分布式电源的接入必然会引起馈线中有功功率、无功功率的大小甚至方向的变化，进而影响配电网中的电压分布。

传统配电网稳态运行状况下沿馈线潮流方向，各负荷节点处的电压逐渐降低。分布式电源接入后，配电网潮流分布会发生改变甚至可能出现与原设计中潮流流向相反的逆潮流。由于馈线上的传输功率减小以及分布式电源输出有功功率和无功功率的支持，各负荷节点处的电压被抬高。这会对各节点的电压偏差造成影响。如图3所示，链式配电网中轻负荷时分布式电源的接入会导致某些节点电压偏差超过限值。

实际上，分布式电源的接入位置不同，对配电网电压分布的影响也不同。

3.1分布式电源接入变电站有载调压变压器和母线之间

分布式电源接入配电变电站的变压器和母线之间（如图4所示），一般对母线电压的影响不大，这是因为变电站内的等效阻抗比较小。

当分布式电源注入的功率很小时，对馈电线电压几乎没有影响。但是，当分布式电源的注入功率占到母线负荷的15%～20%时，就有可能出现电压越限的情况，如图4所示。

因为有分布式电源的注入功率，馈电线路从变压器侧引入的功率自然减少，如果变压器分接头还是根据未考虑分布式电源接入时确定的调压策略调整，分接头向上调整不够，就会造成降压变压器的副边电压过低，继而用户侧的电压水平越限。

3.2分布式电源接入线路调压器的负荷侧

分布式电源接入线路调压器的负荷侧（如图6所示），这种情况和分布式电源接到有载调压变压器副边的情况类似，因为有分布式电源注入功率的存在，线路调压器不能准确检测实际的负荷大小，因而往往会调压不足，致使用户电压水平不能满足要求。

如图5所示，当馈电线路末端接有分布式电源，有功功率将从线路的末端流入，线路末端的电压将会被抬高；并且有功功率流入越多，电压抬高的也越高，甚至导致电压越限。

3.3分布式电源接入线路调压器的负荷侧

分布式电源接入线路调压器的负荷侧（如图6所示），这种情况和分布式电源接到有载调压变压器副边的情况类似，因为有分布式电源注入功率的存在，线路调压器不能准确检测实际的负荷大小，因而往往会调压不足，致使用户电压水平不能满足要求。

由上述分析可知，将所有分布式电源全部接入同一个负荷节点会明显影响电压分布。渗透率（指接入的分布式电源的容量和所接入电网的总容量之比）相同的分布式电源在不同位置时所形成的电压分布差别很大。如果较大容量的分布式电源接入馈线中部，局部极大电压也就出现在线路中部。分布式电源越接近系统母线，对线路电压分布的影响就越小。在非峰荷时段，如果分布式电源注入的电能超过用户负荷需求，就会在系统中产生反向潮流，此时更容易导致某些点的电压过高。同时，分布式电源的出力受自然条件的影响很大，具有随机性和波动性，其输出功率的不确定性将给电压调节带来困难，容易造成电压偏差越限。

4.利用分布式电源抑制电压偏差

分布式电源和电力用户距离很近，容易实现有功功率的就近提供和无功功率的就近补偿，而且输电损耗小。在传统的配电网中，当用户负荷突然大量增加或大量减少时，供电线路的电源会明显降低或升高，造成明显的电压偏差。当分布式电源与当地负荷能够协调运行（分布式电源输出与负荷同步变化）时，会对系统电压偏差有一定的抑制作用。若能将分布式电源也纳入电网的统一调度管理，那么在用户负荷突然大量增加或减小时，就可以相应调整分布式电源的输出功率，以补偿或抵消负荷的功率变动，从而抑制电压的变动。当然，这需要资源条件允许，而且分布式电源可以宏观调控。

分布式电源在接入电网时，往往都配备一些无功补偿装置或储能装置。这些补偿装置并联接在分布式电源的接入点，在对分布式电源本身的电能质量问题进行补偿的同时，也必然对配电网中原有的电能电压偏差问题有改善作用。

对于逆变器型分布式电源，具有控制灵活，反应速度快等特点，具备较高的并网渗透率，对其采取一定的控制策略还可控制并网点的电压，起到类似于电能质量调节装置的作用；对于同步机型分布式电源，由于其具备较大的转动惯量，能为系统提供一些频率支撑，很好的改善配电网的供电质量，但是在接入或切出过程中会造成较大的电压波动，将导致同步型分布式电源无法大量渗透到配电网中。两者在容量充足的情况下，都能明显抑制并入点的电压偏差，起到改善电能质量的作用。

5.结语

随着越来越多的分布式电源接入电网，其具有的间歇性和波动性所引起的电能质量问题值得关注。本文从电压偏差的定义入手，考虑了配电网与输电网的差异性，重点分析了分布式电源接入配电网的不同位置所引起的电压偏差问题，并探讨了利用分布式电源来抑制电压偏差的可能性，对于深入研究和解决分布式电源接入引起的电压偏差问题有一定的引导和参考价值。