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1、电能质量 讲座 第二讲 分布式电源接入与电网电压偏差 朱永强 王福源 华北电力大学电气与电子工程学院 摘 要： 针对分布式电源接入配电网引起的电压偏差问题进行研究。首先介绍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, 分析配电网与输电网电压偏差问题的差别, 解释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, 探讨利用分布式电源抑制电压偏差的可能性和适用场合。关键词： 分布式电源; 配电网; 电压偏差; 输电网; 作者简介：朱永强 (1975) , 男, 副教授, 博士, 研究方向为分布式电源发电、电能质量分析与控制等。作者简介：王福源 (1993)
2、, 男, 硕士研究生, 研究方向为分布式电源发电、微电网运行与控制。Distributed Power Supply Access and Grid Voltage DeviationZHU Yongqiang WANG Fuyuan School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University; Abstract： The problem of voltage deviation caused bydistributed power supply access distributi
3、on network was studied. Firstly, the meaning and formation mechanism of voltage deviation are introduced. Next, the influence of distributed power supply on voltage deviation and the difference of voltage deviation between distribution network and transmission network are analyzed. And then, the dis
4、tribution of voltage deviation in several different situations of distributed power supply access to the distribution network is explained. Finally, the possibility and application of suppressing voltage deviation using distributed power supply are discussed.Keyword： distributed power supply; distri
5、bution network; voltage deviation; transmission network; 0 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发展和大力推广1。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2。分布式电源一般具有单机容量小、分散布置等特点3-4, 通常直接接入到配电网中。接入配电网的方式主要有 3 种:配电变压器的低压侧接入、中压线路
6、分散接入和高压变电站的母线侧专线接入5。传统集中供电的配电网, 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
7、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6。电压偏差的计算式为式中: U电压偏差;Ure实际
8、电压;UN系统额定电压。1.2 电压偏差的允许值GB 123251990电能质量供电电压允许偏差对电压偏差做出了详尽规定7。一般而言, 35 k V 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, 目前国家标准只对 35 k V 及以下供电电压规定了允许电压偏差, 具体情况如下:(1) 35 k V 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) 10 k V 及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7%。(3) 220
9、 V 单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%-10%。2 与分布式电源接入有关的配电网电压偏差2.1 电压偏差的形成机理电力系统中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6。以最简单的输电线路为例, 说明无功功率与电压损失的关系。不计线路分布电容影响的一条输电线路的等值电路如图 1 (a) 所示;对应的相量图如图 1 (b) 所示。图 1 简单输电线路及其相
10、量图 下载原图设负载所在的母线 2 上的电压相量 U2=U20, 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 U 为将式 (3) 代入式 (4) , 可得:其中, 电压降 U 的纵分量和横分量分别记作 U Z和 U H。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 U为一般, 线路两端电压的相角差 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 U 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
11、 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。不同电压水平下的典型线路的阻抗参数如表 1 所示。表 1 典型的架空线路阻抗参数 下载原表 由表 1 可见, 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 RX, 与高压输电网络的线路阻抗有明显的差异。根据式 (5) , 在 110 k V 及以上电压等级的输电线路中, XR, 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
12、压配电网中, 有功功率 P 对电压损失 U 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 2 所示。图 2 含有分布式电源的简单输电线路 下载原图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,
13、 功率因数一般大于 0.9, 考虑到配电网输电线路的特殊性, RX, 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
14、, 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。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, 如图 3 所示。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间分布式电源接入配电变电站的变压器和母线间, 一般对母线电压的影响不大, 是因为变电站内的等效阻抗比较小。图 3 分布式电源并网对电压偏差的影响 下载原图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。图 4 分布式
15、电源接入变压器和母线间对馈电线电压水平的影响 下载原图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二次侧电压过低, 继而用户侧的电压水平越限。3.2 分布式电源接入馈电线末端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, 电压抬高得也越高, 甚至导致电压越限, 如图 5 所示。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, 与分布式电源接到有载调压变压器二次侧的情况类似
16、, 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 6 所示。图 5 分布式电源接入馈电线末端对于馈线电压分布的影响 下载原图图 6 分布式电源接入线路调压器的负荷侧对电压分布的影响 下载原图3.4 分布式电源接到个别用户侧普通用户的功率需求一般较小, 一个小型的分布式电源都可能引起较大的电压变化, 甚至还会将多余的功率传输给电网。同一配电变压器的二次侧通常连接有多个用户, 个别用户的分布式电源必然会影响到连线附近的其他用户。如用户 B 的分布式电源使得其电压升高至 232.5 V, 同时也使得用户 A 的电压升高至 228.0 V, 如图 7 所示。图 7 分布式电源接到个别用户侧对其他用户的影响 下载原图由上述分析可知, 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
