基于DIgSILENT的配電網大規模光伏接入影響分析

蔣愈勇，雷金勇，董旭柱，于力，許愛東，郭曉斌（1.南方電網科學研究院有限責任公司，廣州510080；2.中國南方電網有限責任公司電網技術研究中心，廣州510080）

基于DIgSILENT的配電網大規模光伏接入影響分析

蔣愈勇1，2，雷金勇1，2，董旭柱1，2，于力1，2，許愛東1，2，郭曉斌1，2
（1.南方電網科學研究院有限責任公司，廣州510080；2.中國南方電網有限責任公司電網技術研究中心，廣州510080）

為研究大規模光伏接入對配電系統安全、穩定運行的影響，結合國內某實際配電系統，利用商業電力系統仿真與分析軟件DIgSILENT/PowerFactory，從穩態分析和動態分析兩個角度，研究了大規模光伏接入對配電系統無功電壓、網絡損耗、故障特性和短路電流等方面的影響。結果表明，大規模光伏接入會對配電系統的正常運行造成一定的影響，并與光伏接入容量相關。根據分析結果，提出了相應的改進措施與運行建議，為含大規模光伏發電系統的配電系統的規劃與運行奠定基礎。

DIgSILENT/PowerFactory；大規模光伏接入；配電系統；系統電壓；網損

近年來，分布式發電DG（distributed generation）技術因其可再生性和低碳性而得到快速發展，光伏發電系統PV（photovoltaic）作為分布式電源的一種，隨著接入電壓等級的不斷升高和并網容量的不斷增大，大規模光伏接入對配電系統的規劃與運行帶來了新的挑戰。光伏電池經電力電子裝置接入傳統配電系統后，配電系統由傳統的單電源供電轉變成多電源供電，系統各饋線潮流分布發生變化[1-2]，進而影響整個配電系統的穩態及動態特性，主要體現在無功電壓、網絡損耗、短路電流及故障特性等幾個方面，且隨著光伏接入容量的不斷增大，對系統的影響也愈發顯著。

目前，已有大量文獻針對配電系統光伏接入的影響展開理論分析與研究，其中，文獻[3-7]主要研究了光伏接入配電網對系統電壓造成的影響。文獻[3-4]基于解析法對光伏接入后的電壓抬升現象進行了理論分析；文獻[5]利用靈敏度分析方法，計算了包括光伏發電系統在內的分布式電源接入對系統電壓的影響；文獻[6]給出了考慮電壓約束的光伏最大接入容量計算方法；文獻[7]提出了配電網靜態電壓穩定分析中的常用指標，以評價光伏發電系統接入容量及接入位置對系統靜態電壓穩定性的影響。另外，文獻[8-9]將光伏發電系統集中接入到配電系統的末端，改變系統運行功率因數、光伏接入容量和接入位置等運行條件，分析了光伏接入對配電系統網絡損耗的影響。系統發生故障后，接入配電網的光伏電源向短路點提供部分短路電流，可能會導致系統短路電流的大小和方向發生改變，進而影響保護裝置的正確可靠動作[10]。文獻[11]在光伏并網逆變器電路拓撲結構和控制策略研究的基礎上，分析了系統發生短路故障后逆變器輸出電流的動態響應特性，并對光伏并網逆變器的保護整定提出要求。

上述關于配電系統光伏接入影響的理論分析主要圍繞光伏接入配電系統的機理開展研究，光伏的接入容量及配電系統規模較小。對于含大規模光伏接入的實際配電系統的運行特性研究，考慮到網絡復雜性以及光伏的波動性、間歇性和隨機性，此時單純依靠理論分析已無法滿足研究需要，因此需借助數字仿真與計算工具對大規模光伏接入對實際配電系統的影響進行分析與計算。商業軟件DIgSILENT/PowerFactory[12]是德國DIgSILENTGmbH公司開發的一款商業電力系統仿真與計算軟件，該軟件可實現圖形化操作和數據庫管理，具有電力系統潮流計算、短路計算、保護、諧波、機電暫態和電磁暫態仿真等功能，用戶可采用軟件內嵌的光伏電池、燃料電池、蓄電池等分布式電源模型，也可通過用戶自定義功能自行搭建，適于含大規模光伏接入的實際配電系統的計算與分析。

本文在配電系統光伏接入影響機理分析的基礎上，基于國內某實際配電系統，在DIgSILENT中分別搭建光伏發電系統和配電系統模型，從穩態分析和動態分析兩個方面，研究不同接入容量和方式下，大規模光伏發電系統對配電系統電壓、網絡損耗、故障特性和短路電流等方面的影響，并與理論分析結果進行比較。最終，根據計算分析結果，提出相應的改善措施與建議。

2 配電系統光伏接入影響機理分析

以圖1所示的簡單系統為例分析光伏接入對系統潮流的影響。

圖1 光伏接入影響機理分析算例系統示意Fig.1 Sketchmap ofmechanis Manalysissyste Mon the influenceof PV integration

圖中，Pi和Qi分別為節點i處負荷的有功功率和無功功率，PPVi和QPVi分別為節點i處接入光伏的有功功率和無功功率，Ui為節點i處的節點電壓。節點i-1與節點i通過阻抗為Ri+j Xi的線路i相連。

光伏接入前，節點i-1與節點i之間的電壓降落ΔUi和線路i的有功損耗Piloss分別為

將光伏發電系統接入到節點i處，此時，節點i-1與節點i之間的電壓降落和線路i有功損耗[5]分別變為

從式（4）可以看出，光伏接入后，光伏電源為饋線提供了一定的功率支撐，導致并網節點與連接節點之間電壓降落的程度減少，并網節點電壓抬升。光伏電源同時為本地負荷提供了一定的功率支撐，減少了對系統的功率需求，系統網損下降。光伏電源有功出力的變化會對系統電壓和網損造成較為顯著的影響。

3 配電系統DIgSILENT建模

3.1 光伏發電系統建模

一個完整的光伏并網發電系統由光伏電池、電力電子變換裝置、最大功率控制器、并網控制系統和直流電容器等幾部分構成。光伏電池是一種非線性直流電源，根據詳細程度，其數學模型可分為理想模型、單二極管模型和雙二極管模型，其中由單二極管光伏電池模型串、并聯組成的光伏陣列等效電路[13]如圖2所示。

圖2 單二極管模型光伏陣列的等效電路Fig.2 Single-diode equivalent circuitof a PV array

在圖1中，其輸出電壓和電流的關系為

式中：U為光伏電池輸出電壓；I為光伏電池輸出電流；Iph為二極管擴散效應飽和電流；Is為二極管飽和電流；q為電子電量常量，1.602×10-19C；k為玻耳茲曼常量，1.381×10-23J/K；T為光伏電池工作絕對溫度值；A為二極管特性擬合系數；NS和NP分別為串聯和并聯的光伏電池數目。

光伏并網發電系統[14]常采用單級式并網系統，即直接通過逆變器將光伏陣列輸出的直流電能變換成交流電能，實現并網，如圖3所示。光伏并網發電系統控制系統采用雙環控制方式，外環控制分為兩部分：最大功率點跟蹤環節[15-16]和直流電壓及無功功率控制環節；內環控制采用dq0旋轉坐標系下的電流內環控制。

圖3 單級式光伏并網發電系統拓撲結構Fig.3 Topologicalstructure of the single-stage，gridconnected PV system

3.2 算例系統建模

本文以國內某實際局部配電網作為研究對象，該系統含1座220 kV變電站和3座110 kV變電站，配電網結構及各變電站負荷如圖4所示。

在DIgSILENT中搭建的配電系統如圖5所示。其中，MZ站、NJ站和YZK站110 kV高壓側母線分別經ML單線、NL雙線和LY雙線與220 kV LH站中壓側110 kV母線相接。各110 kV變電站經過110 kV/10.5 kV降壓變壓器向負荷送電，其中110 kVMZ站經由饋線LM1~LM8（其中，LM7~LM8為聯絡線，正常運行方式下傳輸功率為0）供電、110 kV NJ站由饋線LN1~LN9供電。MZ站、NJ站各線路負荷功率分布如表1所示。

圖4 局部電網結構示意Fig.4 Sketchmap ofnetwork structure of local distribution system

圖5 局部配電網DIgSILENT算例Fig.5 Localdistribution syste Mconstructed in DIgSILENT

4 配電系統光伏接入影響穩態分析

4.1 光伏接入對系統節點電壓的影響

為衡量不同節點光伏接入前后系統電壓的變化程度，引入節點電壓變化率指標，即

表1 MZ、NJ站各線路所載負荷功率分布Tab.1 Load power distribution of substation MZ and NJ

電壓變化率=

電壓變化率為光伏接入前后節點電壓的差值與接入前節點電壓的百分比，電壓變化率越大，表明光伏接入對該節點電壓的影響程度越大。

4.1.1 光伏接入容量對系統節點電壓的影響

在110 kVMZ站LM1線路末端分別接入不同容量的光伏發電系統，比較光伏接入前后MZ站10.5 kV母線和各線路末端節點的電壓變化情況，如圖6所示。

由圖可見，光伏接入后，由于并網點所連線路傳輸的功率降低，線路兩端電壓降落減少，并網點電壓顯著抬升，且隨著光伏接入容量的增大，并網點電壓逐漸增大，驗證了前文的理論分析結果；但對于包括10.5 kV母線在內的其他節點，由于線路潮流基本不發生變化，電壓抬升作用并不明顯。

圖6 不同容量光伏接入時MZ站各節點電壓Fig.6 Busvoltagesof substation MZ w ith integration of different PVscapacities

圖7 不同接入位置時光伏并網點電壓隨接入容量的變化曲線Fig.7 U-P curvesof substation MZ and NJwith the integration of different PVs locations

4.1.2 光伏接入位置對并網點電壓的影響

將光伏發電系統分別接入MZ站LM1至LM6線、NJ站LN1至LN9線的末端；其中，MZ站LM1至LM6線、NJ站LN1至LN9線的線路長度，即光伏并網點距其變電站低壓側母線的電氣距離分別依次遞減。逐漸增大光伏的接入容量，MZ站和NJ站各并網點電壓變化率的變化情況如圖7所示。從圖7可以看出，在MZ站的LM1線和NJ站的LN1線和LN2線末端節點處分別接入光伏發電系統，其對并網點電壓的抬升作用明顯高于光伏接入其它節點時的并網點電壓，即光伏接入位置距離變電站低壓側母線的線路越長，光伏電源對并網點電壓的抬升作用越明顯。這是由于隨著光伏并網點與變電站低壓側母線之間的電氣距離的逐漸增大，光伏并網母線受主網的影響逐漸減弱，并網點受光伏接入的影響就越明顯。

另外，從圖7還可看出，保持某一接入位置不變，光伏接入容量不斷增大，起初光伏并網點電壓隨著光伏接入容量的增大而逐漸升高，但當光伏接入容量超過某一特定值時，光伏并網點電壓迅速下降。這是由于此時并網點線路通過電流超過其載流量，整個系統無法繼續維持穩定運行。

4.1.3 光伏接入容量對并網點無功功率的影響

分別在MZ站LM1線和NJ站LN1線末端接入光伏發電系統，改變光伏接入容量，分析不同接入容量下光伏并網母線無功功率的變化情況，如表2所示。

從表2可知，光伏接入后會從系統吸收一定的無功功率，且隨著光伏有功出力的增大，其無功吸收也逐漸增大。這是由于光伏發電系統經過升壓變壓器并網，并網變壓器存在一定的無功功率損耗。值得注意的是，當接入光伏的有功功率輸出較小時，光伏有功出力對并網點電壓的抬升作用可能小于其并網變壓器吸收的無功功率對其電壓的降低作用，此時，光伏接入可能會導致并網點母線電壓小幅下降。

表1 不同接入容量下光伏并網點吸收的無功功率Tab.1 Reactive power absorption of grid-connected buses the integration of different PVscapacities

4.2 光伏接入對系統網絡損耗的影響

配電系統的網絡有功損耗Ploss可描述為

式中：N為系統總支路數；Piloss為各支路網損。通過比較光伏系統不同接入方式下系統網損的變化情況，分析光伏接入對系統網損的影響。

對于圖5所示的配電系統，分別在MZ站LM1~ LM6線以及NJ站LN1~LN9線末端接入光伏發電系統，改變光伏接入容量，系統網損的變化情況如圖8所示。

圖8 光伏接入后系統網損的變化情況Fig.8 Syste Mgrid lossesw ith integration of PVs

從圖中可以看出，光伏系統的接入容量和接入位置均會對系統網損造成影響，隨著光伏接入容量的逐漸增大，系統網損呈先減小后增大的變化趨勢。這是由于光伏接入容量較小時，配電系統線路傳輸的凈有功功率隨著光伏有功出力的增大而逐漸下降，系統網損也隨之降低；而當光伏接入容量繼續增大直至超過接入饋線負載時，光伏系統開始向配電網中其它饋線的負荷或外部電網提供有功功率，此時系統中線路傳輸的凈有功功率隨著光伏接入容量的增大而逐漸增大，系統網損也隨之逐漸升高。

另外，圖8中，對于電氣距離長且負載較重的線路，如MZ站的LM2線和LM3線，NJ站的LN1線和LN2線，接入光伏發電系統可以使系統網損大幅降低，對系統網損具有非常明顯的改善作用。

5 配電系統光伏接入影響動態分析

5.1 光伏接入對并網點電壓故障特性的影響

利用DIgSILENT對圖5所示的配電系統進行動態仿真，仿真時間設置為5 s，仿真步長為0.005 s，2.5 s時刻MZ站低壓側10.5 kV母線發生三相接地短路故障，0.1 s后故障清除。在MZ站LM1線路末端，光伏接入容量分別設置為100 kW，500 kW，1MW和1.5MW，光伏并網點電壓標幺值的變化情況如圖9所示。

從仿真結果可以看出，故障發生時，并網點電壓大幅下降，故障清除后系統恢復穩定運行。系統穩定運行時，隨著光伏輸出的有功功率輸出逐漸增大，并網點母線的穩態電壓逐漸升高，與上文光伏接入穩態分析結果一致。當系統發生短路故障而進入暫態過程后，光伏發電系統對并網點提供一定的暫態電壓支撐，且光伏有功出力越大，對暫態電壓的支撐作用越明顯。

圖9 光伏接入后并網點電壓故障特性曲線Fig.9 Fault characteristicscurvesof voltage of grid-connected busw ith integration of PVs

5.2 光伏接入對系統短路電流的影響

分別在MZ站LM1線路、NJ站LN1線路末端接入光伏發電系統，假設在光伏并網點、光伏并網點上游（線路LM1和LN1的中間節點）處分別發生三相短路故障，短路電阻為0.1Ω。比較光伏接入前后系統短路電流的變化情況，如表3所示。

表3 光伏接入前后配電系統的短路電流Tab.3 Short-current circuitof distribution syste Mw ithout/w ith integration of PV syste Ms

由表3可知，當光伏接入容量為1MW時，并網點額定電壓為58 A；短路過程中，光伏提供的短路電流不超過其額定電流的1.5倍。另外，當光伏并網點發生三相短路故障時，主網和光伏電源同時向短路點注入短路電流，光伏接入后短路點短路電流小幅增大，短路電流增大的部分主要由光伏系統提供。另外，光伏并網點上游三相短路故障時的系統短路電流遠大于光伏并網點發生故障時的短路電流，這是由于光伏并網點上游故障使得短路點與主網之間的電氣距離縮短，進而導致短路電流增大。但是，光伏發電系統提供的短路電流基本不受故障點位置的影響。

6 結論

本文基于光伏接入影響的理論研究，結合國內某實際配電系統，利用商業仿真軟件DIgSILENT，分別從穩態分析和動態分析的角度，研究了大規模光伏發電系統接入對配電系統無功電壓、網絡損耗、故障特性以及短路電流等方面的影響。

（1）基于數字仿真軟件DIgSILENT的大規模光伏接入影響研究，在對理論分析結果正確性進行驗證的同時，較理論分析具有更好的適應性與通用性，適于配電系統的設計、規劃與運行等工程實際應用。

（2）配電系統穩態運行過程中，大規模光伏發電系統的接入對并網點的無功電壓以及系統網絡損耗產生顯著的影響，且隨著光伏接入方式（接入容量和接入位置）的改變而發生明顯變化。

（3）配電系統發生故障而進入暫態過程時，光伏接入會對并網點暫態電壓起到一定的支撐作用，且向短路點提供部分短路電流，并維持在其額定電流的1.5倍以內，故障清除后系統恢復穩定運行。

（4）本文基于大規模光伏接入對配電系統影響的分析結果，提出如下建議：①根據光伏接入對系統潮流的影響分析，合理配置各節點光伏接入容量；②在光伏并網點處安裝一定的無功補償裝置或儲能裝置，可以在平抑由于光伏隨機性和波動性造成的潮流波動的同時，提高配電系統的暫態穩定性。

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Analysison Impactsof Integration of Large-scale Photovoltaic to Distribution Systemsvia DIgSILENT

JIANGYuyong1，2，LEIJinyong1，2，DONGXuzhu1，2，YU Li1，2，XU Aidong1，2，GUOXiaobin1，2
（1.Electric Power Research Institute ofChina Southern Power Grid，Guangzhou 510080，China；2.PowerGrid Technology Research CenterofChina Southern PowerGrid，Guangzhou 510080，China）

The influencesof the integration of large-scale photovoltaic（PV）systems on thenormaloperation ofdistribution systems cannotbe neglected.This paperanalyzes the impactsof large-scale PV systemson the voltage，grid loss and short-circuit currentof distribution networks via the simulation tool DIgSILENT/PowerFactory，and an actual distribution network is utilized as the test case.It is illustrated fro Mthe simulation results that the influences of the integration of PV systemswith differentpower outputsare notquite the same.According to the results，some enhancement measuresare suggested to lay the foundation for the planningand operation ofdistribution systems.

DIgSILENT/PowerFactory；large-scale photovoltaic integration；distribution system；syste Mvoltage；grid loss

TM74

A

1003-8930（2015）07-0035-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.07.07

蔣愈勇（1977—），男，本科，工程師，從事配網自動化方面的研究和管理工作。Email：jiangyy@csg.cn

2014-11-21；

2015-01-06

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（2011AA05A114）；南方電網公司2013年科技項目“含分布式電源的智能配網試驗與檢測關鍵技術研究”（K-KY-2012-2-009）

雷金勇（1982—），男，博士，高級工程師，研究方向為新能源、分布式電源和微電網。Email：byron_lei@msn.com

董旭柱（1970—），男，博士，千人計劃特聘專家，研究方向為配電自動化、儲能、新能源和微網。Email：dongxz@csg.cn