楊 莉， 楊曉輝， 楊 磊， 聶 佳

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，南昌 330031)

0 引 言

如今，隨著社會的不斷發(fā)展，一次能源的儲備越來越少，所造成的環(huán)境問題也越來越嚴重，因此開發(fā)如太陽能等清潔能源變得越來越重要[1]。在幾種利用太陽能的方式中，太陽能通過分布式結(jié)構(gòu)并網(wǎng)進行發(fā)電的方式被利用的最為廣泛。由于太陽能自身的間歇性、隨機性等特點，并入配電網(wǎng)后將對配網(wǎng)的電能質(zhì)量及穩(wěn)定性造成很大的影響[2-3]，且隨著光伏在配電網(wǎng)中滲透率的提高，傳統(tǒng)配電網(wǎng)潮流會出現(xiàn)變化，甚至產(chǎn)生反向潮流[4-5]，導(dǎo)致配電網(wǎng)末端電壓抬升，嚴重的情況下甚至?xí)斐上到y(tǒng)失去穩(wěn)定，因此，分布式光伏接入配網(wǎng)對電壓的影響的研究尤為重要。

目前，已有大量文獻對分布式光伏接入對配電網(wǎng)電壓的影響展開了較為深入的研究。文獻[6-7]中首先研究了分布式光伏接入配網(wǎng)后所產(chǎn)生的可靠性及電能質(zhì)量問題，然后分析了分布式光伏自身特點，最后得出了由于光伏出力不確定所導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題也很突出。文獻[8]中對分布式光伏接入對配電網(wǎng)的影響機理進行了分析，然后在考慮電壓偏差的基礎(chǔ)上研究了分布式光伏的最大準入容量。文獻[9-10]中采用粒子群算法研究了分布式光伏的最優(yōu)接入問題，其目標函數(shù)為電壓偏差及網(wǎng)絡(luò)損耗，然而文章并沒有對分布式光伏接入配網(wǎng)對電壓的影響做定量分析。

本文研究了分布式光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)電壓的作用機理，然后通過實驗分別從單個集中接入和多個分散接入兩方面對理論分析進行了驗證。

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如圖1所示[11-13]，光伏發(fā)電技術(shù)通過光生伏特效應(yīng)可以把光能轉(zhuǎn)化為電能，其優(yōu)點是無污染、可再生、運行維護簡單及建設(shè)周期較短，因此可以被用于分布式發(fā)電系統(tǒng)[14-16]。光伏陣列的實際電源為直流電源，其等效圖如圖1所示，其中漏電阻Rsh一般認為是可以忽略的，因此輸出電流為：

(1)

式中,Isc為恒電流源的電流。

圖1 光伏電池的等效電路圖

1.2 接有分布式光伏的輻射式配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

正常情況下，配電網(wǎng)的接線模式可視為一個單電源輻射連接。實際情況中，對地電容和相間電感的作用往往被忽視,只考慮電抗和電阻的影響。分布式光伏和負載接入饋線的不同位置，圖2為一個典型低壓配電網(wǎng)。線路上有N個節(jié)點，Pn+jQn為第n個節(jié)點的視在功率，單位為MVA;U0為線路首端的電壓;Un是第n個節(jié)點上的電壓;線路上2個節(jié)點間的阻抗為Rn+jXn=ln(r+jx)，其中l(wèi)n為兩節(jié)點間的線路長度，r和x分別為單位長度線路的電阻和電抗。

圖2 典型低壓配電網(wǎng)的負荷分布

2 分布式光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)電壓的作用機理

分布式光伏的接入使配網(wǎng)變?yōu)槎嚯娫淳W(wǎng)絡(luò)，可以通過疊加法進行計算。

以圖2系統(tǒng)為例進行分析，設(shè)定U0不變，定義功率從始端流向負載端為正方向，不計線路的網(wǎng)絡(luò)損耗，設(shè)線路上有一個用戶m,則第m與第m-1個用戶之間壓降為：

(2)

由于負載上的有功功率及無功功率均大于零，則通過上式可知線路的壓降也大于零，因此可以得出以下結(jié)論：越遠離首端，電壓就越低。線路上第m個用戶處的電壓為

(3)

2.1 單個光伏接入對配電網(wǎng)電壓的影響

分布式光伏接入在節(jié)點P的位置時，其配電網(wǎng)如圖3所示。

圖3 單個光伏接入的輻射式配電網(wǎng)

(1) 分布式光伏接入配網(wǎng)后，位于光伏接入點前用戶的電壓為(0

(4)

由于功率因數(shù)較高及線路電抗較小兩個因數(shù)導(dǎo)致無功功率也較小，因此可以將無功功率忽略不計，去掉無功功率后上式可以簡化為

通過上式可知，隨著分布式光伏的接入，配電網(wǎng)線路上的電壓也明顯提升，且光伏接入位置及接入容量是其中的兩個影響因數(shù)。此時，m戶與m-1戶之間的電壓差為：

(6)

由上式可得，電壓的升降趨勢和光伏容量與m戶及m戶之后的所有用戶消耗的有功功率之和的大小有關(guān)，若用戶消耗的有功功率之和較大，則電壓呈下降趨勢;若用戶消耗的有功功率之和較小，則電壓為上升趨勢。

(2) 分布式光伏接入配網(wǎng)后，位于光伏接入點后的用戶的電壓為(m>p)：

(7)

此時，m戶與m-1戶之間的電壓差為

(8)

通過上式可得，位于光伏接入點后的用戶上的電壓分布是隨著距離的增大而降低的趨勢。

綜上所述，線路上的電壓分布趨勢主要有以下幾種：① 隨著距離的增加逐漸下降；② 隨著距離的增加先降低后升高，再降低；③ 隨著距離的增加先升高后降低。其中，后兩種情況時的接入點處的電壓為局部極大值，其電壓可表示為

(9)

2.2 多個光伏接入對配電網(wǎng)電壓的影響

圖4為多個分布式光伏接入配電網(wǎng)的情況，同樣忽略線路電抗和無功功率的作用，此時用戶m處的電壓為

(10)

此時，m戶與m-1戶之間的電壓差為

(11)

式中:PVn為第n個用戶所接入的光伏容量。由上式可得，電壓的升降趨勢和光伏總?cè)萘颗cm戶及m戶之后的所有用戶消耗的有功功率之和的大小有關(guān)，當(dāng)光伏總?cè)萘扛髸r，電壓升高，當(dāng)光伏總?cè)萘枯^小時，電壓下降。

圖4 多個光伏接入的輻射式配電網(wǎng)

3 實驗分析

3.1 單個光伏接入

以圖5系統(tǒng)為實驗?zāi)Ｐ?，線路電壓等級380 V，線路型號為LJG-25 mm2，變壓器容量50 kW,供電半徑270 m,線路上共有10個用戶接入，負載率按配電容量10%平均分布在10個用戶上，線路單位長度阻抗為1.38+j0.432 Ω/km。

圖5 10節(jié)點配電系統(tǒng)

3.1.1 單個光伏容量對配電網(wǎng)電壓的影響

分布式光伏集中接入在5節(jié)點上，通過潮流計算研究接入容量為0、2、10、20 kW時，配電網(wǎng)中各節(jié)點的電壓分布如圖6所示；各節(jié)點電壓幅值如表1所示。

圖6 單個分布式光伏接入容量變化引起電壓分布變化曲線

表1 不同光伏容量集中接入節(jié)點5時各節(jié)點電壓 V

從圖6可知，分布式光伏接入后的電壓水平相比未接入之前有明顯的提升，且線路的電壓提升幅度與分布式光伏的容量成正比。分布式光伏的接入減小了接入點前的線路有功功率，導(dǎo)致ΔU下降，節(jié)點1～5電壓降低程度明顯減緩或者出現(xiàn)電壓提升現(xiàn)象；光伏接入點之后，由于傳輸功率不變，ΔU不變，線路電壓仍然沿潮流方向降低。但是，由于光伏接入點處的電壓升高，接入點后電壓水平也有所提高。節(jié)點5及節(jié)點5后的所有節(jié)點的負荷的有功功率之和為2.7 kW，由圖6也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光伏容量為2 kW時，此時的光伏容量小于2.7 kW，故節(jié)點5之前的電壓分布呈下降趨勢，和理論一致。當(dāng)光伏容量為10、20 kW時，此時的光伏容量大于2.7 kW，故節(jié)點5之前的節(jié)點呈上升趨勢，此時曲線的極大值出現(xiàn)在光伏接入點處，其中光伏容量為20 kW時的線路最高電壓已經(jīng)超過電壓偏差允許的最大范圍。

3.1.2 單個光伏接入位置對配電網(wǎng)電壓的影響

為研究光伏接入位置不同對配電網(wǎng)電壓的影響。依然以圖5系統(tǒng)為實驗?zāi)Ｐ?，線路參數(shù)保持不變。仿真研究當(dāng)2 kW的分布式光伏分別在節(jié)點1、5、8、10接入時其電壓分布情況，各節(jié)點電壓幅值如表2所示，其電壓變化曲線如圖7所示。

表2 2 kW的分布式光伏集中接入不同節(jié)點時的各節(jié)點電壓 V

圖7 單個分布式光伏接入位置變化引起電壓分布變化曲線

從圖7可知，相同容量的分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的不同位置，對配電網(wǎng)電壓的提升作用也不同。分布式光伏電源接在節(jié)點1處，靠近母線，其對電壓的提升作用不是很明顯，各負荷處電壓也是隨著與初始端距離的増加而降低；分布式光伏電源在線路的中間位置接入節(jié)點5，線路電壓明顯提升，且遠離首端位置，各節(jié)點的電壓就越?。环植际焦夥娫唇釉诠?jié)點8處時，節(jié)點電壓從節(jié)點1～6呈下降趨勢，從節(jié)點6～8呈上升趨勢，最后節(jié)點8～10又呈下降趨勢，線路中會出現(xiàn)兩個極值，其中分布式光伏電源接入點處是局部極大值；末端接入分布式光伏對配網(wǎng)電壓影響最大，線路電壓先降低后升高，系統(tǒng)構(gòu)成一個雙源結(jié)構(gòu)，線路的電壓分布呈“U”型，此時線路末端電壓不再是局部極小值。綜上可知，光伏容量保持不變時，分布式光伏的位置也能影響配網(wǎng)電壓的分布，越靠近首端，對電壓的影響作用就越小。

3.2 多個光伏接入

3.2.1 多個光伏接入容量對配電網(wǎng)電壓的影響

為研究多個分布式光伏接入對配電網(wǎng)電壓的影響，依然以圖5系統(tǒng)為實驗?zāi)Ｐ?，線路參數(shù)與單個接入一致，假設(shè)分布式光伏均勻接入10個節(jié)點上。通過潮流計算研究接入總?cè)萘繛?、2、10、19、25 kW時，配電網(wǎng)中各節(jié)點的電壓分布，各節(jié)點電壓幅值如表3所示，其電壓變化曲線如圖8所示。

從圖8可知，多個分布式光伏接入和單個接入情況類似，都是接入容量越大，對配電網(wǎng)電壓的影響就越大。當(dāng)系統(tǒng)分散接入2 kW的分布式光伏，相比未接入光伏時，各節(jié)點電壓有所提升，但由于此時接入的光

表3 不同光伏容量分散接入時各節(jié)點電壓 V

圖8 多個分布式光伏接入容量變化引起電壓分布變化曲線

伏容量很小，因此電壓分布依然和未接入光伏時的趨勢相似，節(jié)點電壓都是隨著距離的增加而降低；當(dāng)總?cè)萘繛?9 kW的分布式光伏均勻接入每個節(jié)點時，結(jié)點電壓隨著距離的增加而增加，此時線路末端電壓最高，且剛好處于電壓偏差允許的臨界值；當(dāng)總?cè)萘吭黾訛?5 kW時，結(jié)點電壓隨著距離的增加而增加，很明顯的可以看到線路電壓已經(jīng)處于越限狀態(tài)。

對比光伏總?cè)萘繛?0 kW均勻接入10個節(jié)點與節(jié)點5集中接入相同的10 kW容量時的兩條曲線可以看出，光伏并網(wǎng)容量相同時，集中接入某節(jié)點與分散接入時對電壓的提升作用不同，集中接入點之前各節(jié)點電壓提升幅度大，而集中接入點之后各節(jié)點的電壓提升幅度小，分散接入對電壓穩(wěn)定性更有利，集中接入電壓波動范圍較大。

3.2.2 多個光伏接入位置對配電網(wǎng)電壓的影響

依然以圖5系統(tǒng)為實驗?zāi)Ｐ脱芯慷鄠€分布式光伏接入不同位置對線路電壓的影響，假設(shè)分布式光伏總?cè)萘繛? kW，分別研究以下幾種情況下的配電網(wǎng)電壓分布：① 9 kW光伏集中接入節(jié)點1,② 9 kW光伏集中接入節(jié)點5,③ 9 kW光伏集中接入節(jié)點10,④ 9 kW平均分散在1、2、3節(jié)點,⑤ 9 kW平均分散在2、4、5節(jié)點,⑥ 9 kW平均分散在2、5、8節(jié)點,⑦ 9 kW平均分散在5、7、8節(jié)點。

通過潮流計算仿真得到上述7種情況下配電網(wǎng)中的電壓分布，各節(jié)點電壓幅值如表4所示，其電壓變化曲線如圖9所示。

表4 9 kW的分布式光伏分散接入不同節(jié)點時的各節(jié)點電壓 V

圖9 多個分布式光伏接入位置變化引起電壓分布變化曲線

由圖9可知，多個分布式光伏接入時，光伏接入位置對配網(wǎng)電壓也有影響。從圖中可以看出，分布式光伏分散接入多個不同位置時，分散接入在1～3節(jié)點時對電壓的提升作用最小，分散接入在5、7、8節(jié)點時對電壓的提升作用最大，因此分散接入時選取中偏后的位置節(jié)點對電壓的提升作用更大。

分析圖中所有曲線可以發(fā)現(xiàn)，多個分布式光伏分散接入的電壓提升幅度要小于集中接入在末端時的情況，但要大于集中接入在首端，因此可以得出和理論一致的結(jié)論：相同的接入條件下，分布式光伏集中接入在末端時的電壓提升最大。

4 結(jié) 語

無論是單個光伏集中接入還是多個光伏分散接入，當(dāng)接入位置不變時，光伏接入容量越大，對線路電壓的提升也越大。

無論是單個光伏集中接入還是多個光伏分散接入，接入容量一定時，接入位置越遠離首端，配電線路電壓升得越高，末端集中接入光伏對電壓的提升最大。