李亞玲，韋 磊，趙景濤，安 覓，王前雙

(1.國(guó)家電網(wǎng)南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210009；2.江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇南京210019；3.南京工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京211816)

分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響

李亞玲1，韋 磊2，趙景濤1，安 覓3，王前雙1

(1.國(guó)家電網(wǎng)南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210009；2.江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇南京210019；3.南京工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京211816)

分布式發(fā)電以其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)在飛速發(fā)展，其中分布式光伏電源發(fā)展最為迅速。分布式光伏接入配電網(wǎng)，具有很大的隨機(jī)性，對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量、短路電流、電網(wǎng)損耗、諧波等方面產(chǎn)生顯著影響，重點(diǎn)分析對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響。通過(guò)理論分析分布式光伏接入點(diǎn)的位置、光伏接入容量以及饋線長(zhǎng)度對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響，并通過(guò)仿真驗(yàn)證其成正比關(guān)系，最后提出解決對(duì)策，有利于深入研究分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)的影響。

分布式發(fā)電；分布式光伏；并網(wǎng)；配電網(wǎng)電壓

隨著可再生能源等技術(shù)的快速發(fā)展，分布式發(fā)電技術(shù)得到了越來(lái)越多的重視。分布式電源一般接入中、低壓配電系統(tǒng)，它可以有效地彌補(bǔ)大規(guī)模集中發(fā)電和輸電的不足，并且具有節(jié)能環(huán)保、高可靠性、改善供電質(zhì)量、在短時(shí)間內(nèi)可以有效解決電力短缺等優(yōu)點(diǎn)。分布式電源有很多種，其中分布式光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)步很快，其并網(wǎng)對(duì)配電系統(tǒng)的影響成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[1]。分布式光伏接入電網(wǎng)，首當(dāng)其沖地改變了配電網(wǎng)的潮流分布，甚至改變了配電網(wǎng)的潮流方向，這種潮流的變化影響著配電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓分布。一方面，分布式光伏的合理配置對(duì)配電網(wǎng)的電壓具有支撐作用；另一方面，分布式光伏的無(wú)約束運(yùn)行可能導(dǎo)致配電網(wǎng)某些節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)電壓或嚴(yán)重電壓波動(dòng)[2]。本文主要分析分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響，從電壓質(zhì)量方面探討分布式光伏的接入容量與解決方案。

1 分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響與要求

1.1 配電網(wǎng)絡(luò)與分布式光伏

配電系統(tǒng)的主接線方式主要有單電源樹(shù)干式接線、單電源輻射式接線和雙電源手拉手環(huán)網(wǎng)接線，并且環(huán)網(wǎng)接線方式又常常工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)。所以，在任一種正常運(yùn)行情況下，配電網(wǎng)的接線方式都可以被認(rèn)為是單電源輻射式接線。由于較短的饋線長(zhǎng)度和較低的電壓等級(jí)，在配電網(wǎng)中只考慮線路分布電抗和分布電阻，不考慮對(duì)地分布電容以及三相間線路的互感。

配電網(wǎng)母線側(cè)的連線方式比較繁瑣，由配電母線供電的負(fù)荷總?cè)萘勘扰潆娤到y(tǒng)的容量小得多，所以由負(fù)荷量的變化對(duì)上級(jí)系統(tǒng)引起的影響是很小的。綜上，本文將配電母線以上系統(tǒng)等效為一個(gè)具有一定串聯(lián)內(nèi)阻抗的電壓源，電壓源的電壓為母線空載時(shí)的電壓，電壓源的內(nèi)電抗由母線額定電壓和系統(tǒng)短路容量決定。

饋線中不同位置分布有若干負(fù)荷和分布式光伏電源。

在中、低壓配電網(wǎng)中，負(fù)荷種類(lèi)繁多，隨機(jī)性很強(qiáng)，較難準(zhǔn)確地對(duì)負(fù)荷加以電路描述。為便于研究，此處采用恒功率靜態(tài)模型來(lái)表示饋線上各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷，同時(shí)假設(shè)負(fù)荷是三相對(duì)稱(chēng)的。

接入配電網(wǎng)的光伏電源一般屬于中小容量的分布式電源，它們一般不參與配電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)。為了充分利用太陽(yáng)能和光伏逆變器的容量，光伏發(fā)電系統(tǒng)通常工作于最大功率點(diǎn)跟蹤控制方式和單位功率因數(shù)狀態(tài)。因此在以下分析中，認(rèn)為分布式光伏電源的出力恒定、三相對(duì)稱(chēng)且工作于單位功率因數(shù)。

1.2 分布式光伏接入引起的節(jié)點(diǎn)過(guò)電壓

分布式光伏接入電網(wǎng)，向電網(wǎng)注入有功功率的同時(shí)，必將影響到配電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓，對(duì)電壓具有一定的提升作用，可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓越限。通常設(shè)共有個(gè)節(jié)點(diǎn)在某條輻射式接線上，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)處都有光伏發(fā)電電源和負(fù)荷與之相連(實(shí)際沒(méi)有時(shí)，則設(shè)定它的功率為0)，連接情況由圖1給出。圖1中，配電母線由0號(hào)節(jié)點(diǎn)表示，主電源系統(tǒng)內(nèi)阻抗表示為則表示第段線路的等值阻抗；第個(gè)節(jié)點(diǎn)上的負(fù)荷功率由表示，光伏功率則由表示。需要注意的是，負(fù)荷的有功潮流方向相反于光伏的有功潮流方向。

圖1 接有分布式光伏的輻射式配電網(wǎng)

經(jīng)分析可知，配電系統(tǒng)中的某節(jié)點(diǎn) 到無(wú)窮大電源處的電壓損失關(guān)系可表示為：

由式(2)可知，無(wú)論分布式光伏電源接入配電網(wǎng)中的哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)，均可以支撐饋線電壓，有利于降低線路上的電壓損失，而且接入位置越接近末端，電壓支撐作用就越強(qiáng)。

1.3 分布式光伏接入引起的電壓波動(dòng)

分布式光伏通常工作在最大功率點(diǎn)跟蹤模式，而最大輸出功率受到外界光照日周期變化、云層變化、陰影效應(yīng)等的影響。圖2為某光伏電站實(shí)測(cè)輸出功率的變化曲線，可以看出光伏功率存在大幅度快速的隨機(jī)變化，變化幅度達(dá)到最大輸出功率的一半。

圖2 某光伏電站的日輸出功率曲線

若取光伏波動(dòng)功率為其額定功率的一半，并假定同一饋線上的分布式光伏的功率同時(shí)波動(dòng)(這是最嚴(yán)格的情況)，由式(2)可知，單純由分布式光伏引起的配電網(wǎng)中第個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)為：

由式(3)可以得到如下結(jié)論：(1)對(duì)于單電源輻射式接線的配電網(wǎng)而言，不管分布式光伏電源在饋線上如何分布，饋線末端節(jié)點(diǎn)(號(hào)節(jié)點(diǎn))處的電壓波動(dòng)總是最大的；(2)在饋線接入光伏總?cè)萘恳欢ǖ那闆r下，相同容量的單個(gè)光伏電源接入饋線末端節(jié)點(diǎn)時(shí)，饋線末端的電壓波動(dòng)最大，且最大值為：

如果饋線的截面始終一致，則式(4)可改寫(xiě)為：

式(5)表明，光伏功率波動(dòng)引起的電壓波動(dòng)與光伏容量和饋線長(zhǎng)度成正比。

2 分布式光伏對(duì)配電網(wǎng)電壓影響的計(jì)算

2.1 仿真計(jì)算的配電網(wǎng)條件

為驗(yàn)證上述理論分析的正確性，采用如圖3所示的10 kV簡(jiǎn)單配電網(wǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。系統(tǒng)短路容量為100 MVA，饋線設(shè)計(jì)負(fù)荷為2.5 MVA，功率因數(shù)為0.9，線路采用LGJ-95型架空線路，總饋線長(zhǎng)度為8 km。

圖3 簡(jiǎn)單配電網(wǎng)算例

2.2 分布式光伏接入對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓分布的影響

圖4為負(fù)荷集中于末端時(shí)，不同容量光伏接入不同節(jié)點(diǎn)時(shí)的節(jié)點(diǎn)電壓分布曲線，圖5為不同容量光伏接入不同節(jié)點(diǎn)時(shí)引起的節(jié)點(diǎn)電壓抬升量(即同一節(jié)點(diǎn)在光伏接入前后的電壓之差)分布曲線。由圖4和圖5可以看出，光伏接入抬高了饋線各節(jié)點(diǎn)的電壓，接入容量越大、接入位置越靠近饋線末端，節(jié)點(diǎn)電壓抬升越大。相比之下，各種接入條件下饋線末端的電壓抬升量最大。

圖4 光伏接入不同位置時(shí)的節(jié)點(diǎn)電壓

圖5 光伏接入引起的節(jié)點(diǎn)電壓抬升量

2.3 分布式光伏接入對(duì)母線電壓波動(dòng)的影響

通過(guò)仿真不同光伏容量接入母線時(shí)的母線電壓，得到圖6所示母線電壓隨光伏容量的變化曲線，可以看出，光伏容量相對(duì)越大，光伏接入情況下母線電壓就越高。這里光伏短路容量取為光伏額定容量的1.5倍。圖7為母線電壓抬升量隨光伏容量的變化曲線。由圖7可知，光伏容量越大引起的母線電壓抬升量越大，或者說(shuō)，光伏輸出功率的變化量越大，引起的母線電壓波動(dòng)越大?？梢钥闯?，電壓抬升量與光伏功率成正比。

圖6 光伏容量對(duì)母線電壓的影響

圖7 光伏容量對(duì)母線電壓抬升量的影響

2.4 分布式光伏接入饋線末端對(duì)饋線電壓抬升的影響

圖8為饋線末端接入不同容量光伏時(shí)，饋線末端電壓隨饋線長(zhǎng)度的變化曲線?？梢钥闯觯?jié)點(diǎn)電壓隨線路長(zhǎng)度呈單調(diào)上升或單調(diào)下降趨勢(shì)。在相同的饋線長(zhǎng)度下，饋線末端接入光伏容量越大，末端電壓越高，甚至出現(xiàn)末端電壓高于首端的情況。在接入容量相同的情況下，線路越長(zhǎng)，線路末端與首端的電壓差越大。

圖8 不同光伏容量對(duì)饋線末端電壓的影響

圖9為饋線末端接入不同容量光伏時(shí)，饋線末端電壓的抬升量隨饋線長(zhǎng)度的變化曲線。顯然，光伏容量越大，饋線越長(zhǎng)，光伏對(duì)末端電壓的抬升量越大。

圖9 不同光伏容量對(duì)饋線末端電壓抬升量的影響

從上述曲線可以看出，接入到饋線末端的光伏在饋線上引起的電壓抬升量與光伏容量以及饋線長(zhǎng)度近似成正比。

3 對(duì)策

(1)當(dāng)向大、中容量光伏接入饋線時(shí)，應(yīng)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必要時(shí)對(duì)光伏逆變器的運(yùn)行方式進(jìn)行干預(yù)。

(2)通過(guò)母線調(diào)壓設(shè)備控制母線電壓，使其與電壓偏差上限允許值預(yù)留一定的余量，可以緩解由于大量光伏接入帶來(lái)的電壓升問(wèn)題。

4 結(jié)論

分布式光伏并網(wǎng)會(huì)對(duì)配電系統(tǒng)的電壓產(chǎn)生影響，由于光伏功率特性受外界光照變化影響波動(dòng)較大，可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)超標(biāo)。本文研究了分布式光伏接入對(duì)配電系統(tǒng)電壓的影響，通過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證了光伏并網(wǎng)點(diǎn)越遠(yuǎn)、光伏容量越大，配電網(wǎng)電壓的波動(dòng)就會(huì)越大，并給出相應(yīng)的對(duì)策，為大量分布式光伏接入配電網(wǎng)后能安全穩(wěn)定地運(yùn)行提供了可靠的理論基礎(chǔ)。

[1]尹淞，郝繼紅.我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用綜述[J].電力技術(shù)，2009，73(3)：1-4.

[2]谷彩連，冷曉華.分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電系統(tǒng)的影響研究[J].電氣開(kāi)關(guān)，2014(5)：51-54.

Effect of distributed PV grid on voltage of distribution network

Distributed generation with its advantages of economic and environmental friendly is in the rapid development,where the distributed photovoltaic power has the most rapid development.The distributed photovoltaic (PV)accesses to distribution network with great randomness and has a significant impact on the power quality of power system,short-circuit current,power grid loss,harmonics,and the effects of distributed photovoltaic on distribution network voltage were mainly analyzed.With the theoretical analysis,the influence of distributed photovoltaic access point location, photovoltaic access capacity and the length of the feeder on the distribution network voltage, and its proportional relationship through simulation and the countermeasures were proposed, conducive to in-depth study of the impact of distributed photovoltaic access on the distribution network.

distributed generation;distributed PV;grid;distribution network voltage

TM 727

A

1002-087 X(2016)06-1257-03

2015-12-15

江蘇省電力公司科技項(xiàng)目(J2014054)

李亞玲(1979—)，女，江蘇省人，工程師，主要研究方向?yàn)榕潆娮詣?dòng)化技術(shù)、分布式電源及微電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)。