張 策，劉 莉

(1.沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110136；2.遼寧省電網(wǎng)節(jié)能與控制重點實驗室(沈陽工程學院)，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

分布式光伏發(fā)電在“十三五”規(guī)劃的發(fā)展趨勢己成定局，預計2020年分布式光伏發(fā)電占比將達到45%。隨著分布式光伏發(fā)電政策的出臺，發(fā)展分布式光伏發(fā)電已成為未來發(fā)展的必然趨勢[1-2]。目前，農(nóng)村配電網(wǎng)是以無源放射網(wǎng)絡為主，分布式光伏并入農(nóng)村配電網(wǎng)的方式均為就地消納，余量上網(wǎng)形式。由于分布式光伏電源的接入必然會改變原有電網(wǎng)結構，當高滲透率光伏電源接入配網(wǎng)時會造成嚴重的危害，其所提供的功率峰值可能超過配電網(wǎng)的消納能力，打破電力系統(tǒng)的有功和無功平衡，進而影響電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定。

文獻[3-5]分析了分布式電源滲透率提高引起的電壓波動和電壓越限等電能質(zhì)量問題，指出了不同功率因數(shù)和滲透率下的電壓變化情況，以及全局電壓控制的必要性，提出一種基于模型預測的電壓最優(yōu)控制方案，通過計算各節(jié)點的電壓靈敏度，建立各節(jié)點的電壓預測模型，提前感知各節(jié)點的電壓變化趨勢，以預測電壓與各節(jié)點額定電壓之間的最小偏差為控制目標，實現(xiàn)了控制成本最低的協(xié)調(diào)電壓控制策略。文獻[6]利用短路比來衡量分布式光伏接入對配網(wǎng)電壓的影響，通過調(diào)節(jié)逆變器對電壓進行改善。文獻[7]通過P-U曲線計算節(jié)點電壓有功靈敏度，并以此為指標分析了光伏有功出力變化對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響。文獻[8]利用靈敏度的方法分析了光伏并網(wǎng)后對電壓的影響，通過仿真驗證了分布式光伏接入系統(tǒng)薄弱點和支撐點對配網(wǎng)電壓的影響。文獻[9]對模擬退火算法進行優(yōu)化，通過優(yōu)化光伏接入容量和接入位置來實現(xiàn)穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。

針對大規(guī)模分布式光伏接入農(nóng)村配電網(wǎng)后可能引起的電壓越限問題，本文提出一種新的農(nóng)村電網(wǎng)中樞點動態(tài)控制電壓的方法。首先，根據(jù)光伏輸出特性和農(nóng)村地區(qū)負荷特性，分析光伏和農(nóng)村負荷的典型特征，通過ETAP仿真軟件搭建含有分布式光伏的典型農(nóng)村配網(wǎng)模型并進行仿真分析。其次，針對電壓越限問題提出一種基于農(nóng)村電網(wǎng)母線過電壓的新型調(diào)壓措施，通過在農(nóng)村電網(wǎng)中樞點投入電抗器吸收電網(wǎng)中的無功功率。最后，通過ETAP仿真軟件驗證上述電壓調(diào)節(jié)策略的有效性。

1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成與分類

1.1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏陣列、儲能電池、功率控制系統(tǒng)、逆變器等設備構成。

實際上，單一的光伏電池所提供的功率不能滿足外部負載的需求，因此需要將多個光伏電池進行串、并聯(lián)處理，形成組合光伏電池組。一般的光伏電池組件由36個半導體構成，能夠提供12～16 V的電壓，以及幾十到幾百 W不等的功率。如還不能滿足供電需求，還可以組成光伏陣列[10]。

光伏發(fā)電輸出功率具有兩個特性，一個為不穩(wěn)定性，另一個為不連續(xù)性。要保證對用戶的供電質(zhì)量，需要提供儲能裝置。蓄電池組是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關鍵部件。白天可以將光伏電池剩余的電量儲存在蓄電池中，夜晚可以將儲存在蓄電池中的電量向有所需要用戶供電。

1.2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

按照安裝方式，可分為兩種方式，一種是固定式，另一種是跟蹤式。太陽能板以固定的傾斜角放在地上，當太陽照射在太陽板上時獲得電能，這種為固定式。固定式的優(yōu)點為安裝非常簡單，但發(fā)電量少。無論太陽光的方向如何，陽光都能呈90°照射到電池板上，這種為跟蹤式。跟蹤式的優(yōu)點為能量轉(zhuǎn)換率非常高，將有可能成為主流發(fā)展趨勢[11]。

按照發(fā)電形式，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨立供電系統(tǒng)、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、混合發(fā)電系統(tǒng)三種。整個獨立供電系統(tǒng)由光伏陣列、蓄電池、控制器以及逆變器組成，如圖1所示。

圖1 獨立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of independent photovoltaic generation system

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、DC/DC變換器、逆變器和控制器組成，如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure of grid-connected photovoltaic generation system

混合光伏發(fā)電系統(tǒng)結構如圖3所示，其優(yōu)點是既能直接給交流負載提供電能，又可以為蓄電池充電。

圖3 混合光伏發(fā)電系統(tǒng)結構圖Fig.3 Structure of hybrid photovoltaic generation system

2 光伏電源輸出特性和農(nóng)村負荷特性分析

2.1 光伏電源輸出特性分析

目前，大多數(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)與農(nóng)村配電網(wǎng)直接連接之前，都通過光伏陣列與光伏轉(zhuǎn)換器連接。大多數(shù)光伏電源使用單晶光伏電池和多晶光伏電池，發(fā)電效率為20%。并網(wǎng)逆變器采用0.95～1.00的恒功率因數(shù)運行，對于分布式光伏發(fā)電通常采用局部控制方式，分布式光伏電源出力基本上與局部光照強度有關，并伴隨著隨機性和間歇性[12]。為了有效降低光伏出力的波動對配電網(wǎng)運行的影響，國內(nèi)外許多學者對其特征進行了研究，分析了不同季節(jié)的典型日光伏輸出概率分布特征。在圖4中，分析了一個典型地區(qū)200 kW的分布式光伏出力情況，在四種不同氣候條件下(即晴天、雨天、多云和雨轉(zhuǎn)陰)的24 h日光伏出力曲線。

圖4 典型光伏日出力曲線Fig.4 Typical PV daily output curve

2.2 農(nóng)村地區(qū)負荷特性分析

農(nóng)村地區(qū)的用電基本上為生活用電和農(nóng)業(yè)用電。生活用電分為照明和家用電器的使用。照明器具主要包括白熾燈(功率因數(shù)為1.0)和熒光燈(功率因數(shù)為0.6)。家用電器主要包括冰箱、電視、洗衣機和錄音機等，功率因數(shù)為0.5～0.8[13]。一般來說，像冰箱這類負荷在所有的日子里都是均勻的，晚上的電視負載比白天大，照明負荷大多出現(xiàn)在黎明和夜晚。農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)業(yè)用電包括農(nóng)副產(chǎn)品加工、畜牧業(yè)、農(nóng)村或私人工廠。在農(nóng)村地區(qū)夜間負載很小，但白天負載不同[14]。例如，當有生產(chǎn)任務或處于旺季時，負載很大，大多數(shù)用電設備使用感應電動機，電機模型的不同導致負載和功率因數(shù)的不同。當電機滿負荷運行時，功率因數(shù)約為0.85，當電機空載運行時，功率因數(shù)低于0.2[15]。圖5為農(nóng)村地區(qū)典型的日負荷曲線。

圖5 農(nóng)村地區(qū)典型日負荷曲線Fig.5 Typical daily load curve in rural areas

3 分布式光伏對農(nóng)村配電網(wǎng)電壓的影響

3.1 含分布式光伏的典型農(nóng)村配電網(wǎng)模型

本文選取某地區(qū)10 kV電氣主接線作為仿真模型，該模型主變壓器的型號為S11-3150/66，變壓器的高壓參數(shù)為66 kV，低壓參數(shù)為10 kV，分接范圍為±5%，空載損耗為4.08 kW，負載損耗為2.308 kW，空載電流為1.05%，短路阻抗為8%。主變壓器下面的8個380 V系統(tǒng)所用的變壓器型號為S10-M-500/10，其中變壓器的高壓參數(shù)為10 kV，低壓參數(shù)為0.4 kV，分接范圍為±5%，空載損耗為0.82 kW，負載損耗為5.10 kW，空載電流為0.90%，短路阻抗為4%。含分布式光伏的農(nóng)村配電網(wǎng)模型如圖6所示。圖6中，PVA表示光伏電源，Inv表示光伏逆變器，Bus表示母線，Load表示負荷，Cable表示電纜，T表示變壓器，Lump表示電抗器。

3.2 分布式光伏對電壓的影響

在晴天不同時刻情況下，通過ETAP仿真軟件對含有分布式光伏電源的農(nóng)村配電網(wǎng)進行潮流仿真。仿真潮流計算結果如圖7所示，晴天不同時刻下農(nóng)村配電網(wǎng)380 V和10 kV母線電壓仿真結果見圖8。

由仿真數(shù)據(jù)結果可知，在晴天06：00時刻接線圖中各母線、逆變器及變壓器均未出現(xiàn)過載情況，各母線電壓幅值小幅度下降，但均在電壓允許偏差范圍內(nèi)，即國家規(guī)定的±7%。當晴天06：00時刻光伏電源的出力為64 kW，此時光伏電源的接入不會引起母線電壓出現(xiàn)大幅度的波動。在晴天09：00時刻接線圖中各母線、逆變器及變壓器均未出現(xiàn)過載情況，各母線電壓幅值小幅度升高，但均在電壓允許偏差范圍內(nèi)，即國家規(guī)定的±7%。當晴天09：00時刻光伏電源出力為73 kW時，此時光伏電源的接入雖然未引起母線電壓出現(xiàn)大幅度的波動。

圖6 含有分布式光伏電源的典型農(nóng)村配電網(wǎng)結構圖Fig.6 Structure of typical rural distribution network with distributed photovoltaic generations

圖7 晴天下某時刻農(nóng)村配電網(wǎng)仿真圖Fig.7 Simulation of rural distribution network at a certain time in sunny days

根據(jù)圖8可知，有些母線電壓例如Bus23電壓升高幅度已達到2.63%，有超出國家標準的趨勢，如果光伏電源的出力再次提高，有可能出現(xiàn)電壓越限情況。在晴天天氣情況下，一天中的絕大部分時刻如06：00、09：00、15：00和17:00，不同出力的光伏電源接入所引起的各母線電壓波動影響不大，且均在國家允許范圍內(nèi)即±7%。而在12：00時刻由于該時刻太陽輻射度較強，光伏電源發(fā)電量大，農(nóng)村地區(qū)負荷使用較小，即出現(xiàn)變壓器、逆變器及母線過載情況，部分母線電壓例如Bus21及Bus24電壓偏差幅值達到11.68%和11.12%已超過國家規(guī)定電壓允許偏差上限+7%，電壓越限情況比較嚴重，影響了配電網(wǎng)的電能質(zhì)量進而會影響到配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，因此需要采取合適的措施來降低電壓越限的發(fā)生。

圖8 晴天不同時刻下農(nóng)村配電網(wǎng)母線電壓仿真圖Fig.8 Simulation of bus voltage in rural distribution network at different times in sunny days

4 電壓越限的解決方案

光伏電源接入會對農(nóng)村配電網(wǎng)各節(jié)點的電壓產(chǎn)生影響，從潮流計算結果圖和各母線電壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖可知，當某時刻光伏電源輸出功率較高而負荷較小時，例如晴天12：00時刻，會出現(xiàn)電壓越限的情況。針對電壓越限問題，可以通過串聯(lián)補償、并聯(lián)補償、安裝靜止無功補償器等方式對電壓進行補償。本文以晴天12：00為例，通過在農(nóng)村配電網(wǎng)的中樞點加入電抗器對各節(jié)點電壓進行改善，通過不斷調(diào)整所加電抗器的參數(shù)，將越限的各節(jié)點電壓調(diào)節(jié)至國家標準要求范圍內(nèi)。并將改善之后各節(jié)點電壓與改善前各節(jié)點電壓進行比較，驗證了在配電網(wǎng)的中樞點加入電抗器能有效改善由于光伏的接入引起的母線電壓越限的問題。

圖9 投入電抗器后晴天12：00潮流仿真圖Fig.9 Simulation diagram of power flow with reactors at 12:00 in sunny days

通過對投入電抗器的農(nóng)村配電網(wǎng)模型進行潮流仿真，得到的潮流計算結果如圖9所示，得到各380 V母線電壓曲線如圖10(a)所示，各10 kV母線電壓曲線如圖10(b)所示。

圖10 投入電抗器前后母線電壓曲線Fig.10 Bus voltage without or with reactors

由仿真結果可知，晴天12：00在農(nóng)村配電網(wǎng)的中樞點投入電抗器后，各母線電壓與投入電抗器前相比明顯降低，例如Bus19及Bus20母線電壓偏差已調(diào)節(jié)到2.55%和5.79%，在國家標準即±7%范圍內(nèi)，說明采用在配網(wǎng)中樞點加入電抗器調(diào)節(jié)電壓的策略可以有效降低母線電壓，防止電壓越限，提高了分布式光伏接入農(nóng)村配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

5 結論

1) 本文通過對晴天不同時刻光伏接入農(nóng)村配網(wǎng)的情景進行研究，得出晴天06:00、09:00、15:00和17:00不同出力的光伏電源接入農(nóng)村配網(wǎng)所引起的各母線電壓波動影響不大，且均在國家允許范圍內(nèi)。晴天12:00左右，隨著光照強度的增加，導致光伏出力的增大，并且農(nóng)村居民用電負荷偏小，因此變壓器、逆變器及母線過載的情況將會發(fā)生，嚴重影響了農(nóng)村配網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

2) 針對分布式光伏接入引起的電壓越限問題，提出了一種中樞點調(diào)壓的解決方案。以晴天12：00為例，將投入電抗器后的各母線電壓與投入電抗器前的各母線電壓幅值繪制曲線進行對比，驗證了在農(nóng)村配電網(wǎng)中樞點加入電抗器可以有效地降低母線電壓，進而提高分布式光伏并網(wǎng)后的電壓質(zhì)量。