王曉文，張異殊，于海常，蘇 蠡，戈陽(yáng)陽(yáng)

(1.沈陽(yáng)工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.國(guó)網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116001；3.國(guó)網(wǎng)沈陽(yáng)供電公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000；4.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

隨著人類對(duì)能源需求的日益增長(zhǎng)，伴隨著能源利用與環(huán)境保護(hù)的問(wèn)題接踵而來(lái)，光伏發(fā)電等新能源在世界范圍內(nèi)受到了極大的重視，并得到了廣泛的應(yīng)用。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按照其發(fā)電方式可以分為集中式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)[1]。分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與集中式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)相比，省去了長(zhǎng)距離輸電線路送電入網(wǎng)引起的輸電線路損耗、電壓跌落、無(wú)功補(bǔ)償?shù)戎T多問(wèn)題，分布式電源一般接在中、低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)，可以有效地彌補(bǔ)大規(guī)模集中式發(fā)電和輸電的不足，以其高可靠性、可以改善供電質(zhì)量、在短時(shí)間內(nèi)可以有效解決電能短缺等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的發(fā)展[2]。

近年來(lái)，國(guó)家在光伏并網(wǎng)發(fā)展方面加大了投入和支持，在此趨勢(shì)下，2017年遼寧電網(wǎng)光伏發(fā)電增長(zhǎng)300%。隨著光伏滲透率的增加，分布式光伏對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量、電壓波動(dòng)、繼電保護(hù)等各個(gè)方面也帶來(lái)不可忽視的影響[3-4]。因此，通過(guò)研究光伏并網(wǎng)對(duì)不同電壓等級(jí)電網(wǎng)的影響可以幫助我們更加高效利用光伏發(fā)電，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的有序健康發(fā)展。

本文首先搭建了光伏發(fā)電系統(tǒng)及并網(wǎng)模型，介紹了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及對(duì)不同電壓等級(jí)電網(wǎng)的影響機(jī)理。在此基礎(chǔ)上通過(guò)改變接入點(diǎn)位置和光伏系統(tǒng)容量，定量分析了接入不同電壓等級(jí)的光伏并網(wǎng)發(fā)電對(duì)電網(wǎng)電壓的影響。最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真系統(tǒng)給出的研究結(jié)論。

1 分布式光伏與配電網(wǎng)絡(luò)

1.1 光伏發(fā)電基本原理

光伏電池的等效電路為一恒電流源與二極管并聯(lián)，有串聯(lián)和并聯(lián)電阻，文獻(xiàn)[5-6]給出了其等效電路，如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路圖

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。光伏發(fā)電具有無(wú)污染、可再生、建設(shè)周期短、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，其特性非常適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)[7]。光伏陣列是一種直流電源，它是光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際電源。光伏電池組件可以等效為電流源，其等效電路可以用圖1所示的結(jié)構(gòu)來(lái)描述。一般認(rèn)為漏電阻Rsh可以忽略，光伏電池組件的輸出電流表達(dá)式如式(1)所示：

(1)

式中：Isc為光伏電池由于光生伏特效應(yīng)而激發(fā)的電流，它與電池的材料和尺寸、輻照度以及本體的溫度有關(guān)。

1.2 接有分布式光伏的輻射式配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在正常運(yùn)行方式下，配電網(wǎng)的接線方式都可以看作是單電源輻射式接線，由于配電網(wǎng)具有較短的饋線長(zhǎng)度和較低的電壓等級(jí)，因此在配電網(wǎng)絡(luò)中只需要考慮分布電抗和分布電阻，不用考慮對(duì)地分布電容以及三相間線路的互感[8]。配電網(wǎng)饋線中不同位置分布有若干負(fù)荷和分布式光伏電源，假設(shè)某條輻射式配電網(wǎng)接線上共有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處都有分布式光伏電源和負(fù)載與之相連(沒(méi)有的地方，設(shè)定其功率為0)，給出如圖2所示的接有分布式光伏的輻射式配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 接有分布式光伏的輻射式配電網(wǎng)

2 分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響

根據(jù)已有的研究表明，分布式光伏接入電網(wǎng)，對(duì)配電網(wǎng)電壓主要產(chǎn)生3種影響：一是引起節(jié)點(diǎn)電壓升高，二是引起電壓波動(dòng)或閃變，三是改變電壓的分布[9]。

2.1 單一PV接入對(duì)配電網(wǎng)的影響

如圖3所示，設(shè)定線路共有N個(gè)負(fù)荷，故第n個(gè)點(diǎn)的負(fù)荷為Pn+jQn，分布式光伏電源PV的接入容量為PDG.n+jQDG.n，配置的電網(wǎng)電源側(cè)為一個(gè)無(wú)窮大系統(tǒng)，其母線電壓為UN,其幅值恒定不變，第n點(diǎn)的電壓為Un(n=0,1,2,…,N)，ΔUn(n=0,1,2,…,N)為節(jié)點(diǎn)n-1和n之間的電壓差[10]。

2.1.1 PV接入電網(wǎng)前

任意兩點(diǎn)n和n-1之間的電壓降落可以表示為

(2)

其中線路任意1個(gè)節(jié)點(diǎn)n的電壓可以表示為

(3)

式(2)、式(3)中有功功率和無(wú)功功率均為正，相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電壓差值為正，饋線首端電壓最高，隨著潮流流動(dòng)，電壓逐漸降低，距離母線越遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)電壓越低。

2.1.2 PV接入后對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響

分布式光伏接入電網(wǎng)后，如圖3所示，等同于向配電網(wǎng)注入了一定的有功功率，光伏有功功率的潮流方向相反于負(fù)荷有功功率的方向，這就會(huì)使配電網(wǎng)的電壓有一定的升高，同時(shí)也有可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓的越界[11]。單一PV接入配電網(wǎng)的情況分為3種情況討論。

a.節(jié)點(diǎn)m點(diǎn)接入PV時(shí)，節(jié)點(diǎn)m點(diǎn)電壓為

圖3 分布式光伏接入后的負(fù)荷分布

(4)

b.光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后，負(fù)荷點(diǎn)P位于光伏接入點(diǎn)m之前(m>P>0),P點(diǎn)的電壓為

(5)

由式(5)可以看出，當(dāng)線路參數(shù)與負(fù)荷都是確定值時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓的大小與分布式光伏系統(tǒng)接入的位置和自身的容量有關(guān)。忽略線路的電抗和無(wú)功，得出兩點(diǎn)之間的電壓差值為

(6)

c.同前面兩種情況相同(忽略無(wú)功和電抗的影響)，負(fù)荷P位于m點(diǎn)之后(m

(7)

相鄰2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的壓降為

(8)

由式(8)可知節(jié)點(diǎn)P-1始終大于節(jié)點(diǎn)P，所以在此情況下，節(jié)點(diǎn)電壓逐漸降低。

通過(guò)理論分析可知，當(dāng)光伏的功率因數(shù)為1時(shí)，單一光伏系統(tǒng)接入電網(wǎng)后配電網(wǎng)的影響因素為接入位置及光伏容量。當(dāng)配電網(wǎng)未接入光伏時(shí)，電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓逐級(jí)下降；當(dāng)接入小容量光伏系統(tǒng)時(shí)，配電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓略有升高，整體仍舊呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；當(dāng)接入大容量的分布式發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，且接入點(diǎn)在電網(wǎng)上段，配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓會(huì)出現(xiàn)先升、后降、再升的情況；當(dāng)接入大容量分布式發(fā)電系統(tǒng)(大于接入點(diǎn)及接入點(diǎn)之后所有的損耗)，且接入點(diǎn)位于電網(wǎng)中下段時(shí)，配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)呈現(xiàn)先升高后逐級(jí)降低[12-13]。

2.2 多個(gè)光伏系統(tǒng)接入對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響

如圖3所示，多個(gè)光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)中同理忽略無(wú)功的影響，任意m點(diǎn)電壓為

(9)

前后兩點(diǎn)間電壓差值為

(10)

式中：PVn為節(jié)點(diǎn)n接入的PV容量大小，式(9)表明，當(dāng)各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的總損耗大于接入的PV的容量時(shí)，線路電壓略有升高，仍舊呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；相反當(dāng)各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的總損耗小于接入的PV容量時(shí)，線路電壓呈現(xiàn)逐漸升高趨勢(shì)[14]。

3 仿真分析

3.1 分布式光伏并網(wǎng)引起電壓波動(dòng)

本文在Matlab仿真平臺(tái)上建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，對(duì)光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)影響分析進(jìn)行仿真。建立的仿真模型如圖4所示。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

在Matlab-Simulink中的三相斷路器模塊中設(shè)置的并網(wǎng)時(shí)間點(diǎn)為0.005 s，仿真結(jié)果如圖5所示，可以看出在光伏投入電網(wǎng)時(shí)，引起電壓波形的短時(shí)波動(dòng)。從圖5中可以看出，在短路容量較小的情況下，微電網(wǎng)的投入會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓波形造成一定的變化，但不會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

圖5 光伏電源投切對(duì)電壓波動(dòng)的影響

3.2 分布式光伏并網(wǎng)改變電壓的分布

在Matlab平臺(tái)構(gòu)建如圖6所示的簡(jiǎn)單光伏接入電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型，配電線路中U0=10 kV，經(jīng)過(guò)變壓器接入66 kV的電網(wǎng)中，構(gòu)建簡(jiǎn)單的配電網(wǎng)模型，線路采用LGJ-150型號(hào)的架空線路，長(zhǎng)度為8.82 km，配電網(wǎng)饋線設(shè)計(jì)負(fù)荷為6 MVA，功率因數(shù)為0.9。設(shè)置節(jié)點(diǎn)1-6，間距均為1 km。將光伏電源接入到1條10 kV配電線路中，設(shè)該配電線路始端電壓為1.05 pu，額定電壓UN=1.0 pu。

圖6 簡(jiǎn)單配電網(wǎng)饋線結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)以上的理論分析，開(kāi)展同一PV在不同點(diǎn)接入配電網(wǎng)的仿真工作，選擇1-4節(jié)點(diǎn)接入容量為4 MVA的光伏系統(tǒng)，仿真結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，光伏系統(tǒng)的接入抬高了各節(jié)點(diǎn)的電壓，特別是PV接入節(jié)點(diǎn)4最為明顯。同時(shí)，在容量不變但光伏接入點(diǎn)發(fā)生變化的情況下，各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓也發(fā)生了變化。接入光伏的容量越大、接入位置越遠(yuǎn)離母線，則各節(jié)點(diǎn)的電壓抬升越明顯。

圖7 光伏接入不同位置時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓影響

在相同參數(shù)條件下，只改變光伏容量和接入位置，針對(duì)同一接入點(diǎn)接入多個(gè)光伏的工況進(jìn)行仿真，仿真得到的配電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓變化情況如圖8、圖9所示，固定位置3和5接入S=2 MVA，S=3 MVA，S=4 MVA。

圖8 節(jié)點(diǎn)3處接入不同PV對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響

圖9 節(jié)點(diǎn)5處接入不同PV對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響

接入光伏后，饋線電壓整體抬升，接入點(diǎn)抬升最為明顯，對(duì)于同一個(gè)接入點(diǎn)，容量越大，負(fù)荷點(diǎn)電壓抬升越明顯。通過(guò)Matlab對(duì)光伏在不同接入條件下的仿真分析，證明了理論分析的正確性。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同電壓等級(jí)光伏接入對(duì)電網(wǎng)電壓影響，采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)遼寧某地區(qū)66 kV接入及10 kV接入的兩個(gè)典型光伏電站的電壓情況進(jìn)行分析。選擇66 kV接入和10 kV接入的2個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型日，取有功功率輸出為正的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，典型日并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化情況如圖10所示，可以看出66 kV系統(tǒng)在光伏出力時(shí)的電壓波動(dòng)范圍是65.62～66.71 kV， 10 kV系統(tǒng)在光伏出力時(shí)的電壓波動(dòng)范圍是10.61～11.17 kV。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12326—2008，66 kV系統(tǒng)的電壓波動(dòng)范圍應(yīng)在2.5%以內(nèi)，10 kV系統(tǒng)的電壓波動(dòng)范圍應(yīng)在3%以內(nèi)。因此66 kV和10 kV電壓都超標(biāo)，由于10 kV背景電壓偏高，所以超標(biāo)更嚴(yán)重。

(a)66 kV電壓

(b)10 kV電壓圖10 典型日并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化情況

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)理論和Matlab的仿真結(jié)果分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，關(guān)于分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)位置和并網(wǎng)容量對(duì)配電網(wǎng)的影響得到如下的結(jié)論。

a.分布式光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，影響配電網(wǎng)電壓的因素有分布式光伏的接入容量、位置和功率因數(shù)。

b.光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)離線路末端越近，光伏系統(tǒng)對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響越大，同時(shí)離并網(wǎng)點(diǎn)位置越近的節(jié)點(diǎn)所受到的影響就越大。

c.大規(guī)模光伏并網(wǎng)時(shí)，有可能超過(guò)配電網(wǎng)電壓限制，應(yīng)該依據(jù)實(shí)際情況考慮限制措施。