分布式光伏接入配電網對電壓分布的影響

郭鵬超，楊秀，張美霞，劉雋

(1.上海電力學院電氣工程學院，上海200090；2.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海200437)

分布式光伏接入配電網對電壓分布的影響

郭鵬超1，楊秀1，張美霞1，劉雋2

(1.上海電力學院電氣工程學院，上海200090；2.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海200437)

位于負荷中心的分布式光伏電源對配電網線路的電壓分布有重大影響，在考慮無功負荷和線路電抗影響的前提下，首先經過理論計算和仿真驗證，說明了單個分布式光伏(PV)對線路電壓分布的影響與其接入位置和注入容量有很大關系；當多個PV接入時，不同容量組合和位置接入對電壓分布的影響也不同。然后計算得出隨接入位置的改變，PV的最大可接入容量不同，最后用仿真的方式說明了在PV接入點并聯電抗器補償或通過逆變器控制可以防止PV的接入所引起的電壓越限問題。

分布式光伏；配電網；電壓越限；電抗器補償；逆變器控制

目前以大機組、大電網、高電壓為特征的單一式供能系統占全世界供能系統的90%以上，但是由于能源枯竭和環境問題，環保高效、靈活的分布式發電方式已經被世界各國所重視[1]。例如德國的“10萬個太陽能屋頂計劃”和美國的“百萬太陽能屋頂計劃”[2]的實施等，我國2012年發布的《中國的能源政策(2012》、由國家能源局公布的《太陽能發電發展“十二五”規劃》、國家電網公司2012年10月出臺的《關于做好分布式光伏發電并網服務工作的意見》等文件或政策的頒布與實施，為分布式光伏發電項目的發展打開電網支持“綠燈”。2013年8月，發改委頒布了新的分布式光伏補貼政策，2014年1月，能源局下發關于下達2014年光伏發電年度新增建設規模的通知，指出2014年新增備案總規模14 GW中分布式為8 GW。

通過上述政策整理可以看出，國家對分布式光伏支持力度非常大，分布式光伏項目的收益率已具備較強的吸引力。

分布式光伏電源(Generated Photovoltaic，PV)是指在配電網層面接入的光伏電源，PV以電力電子裝置接入到配電網，一般以單位功率因數運行，不參與接入點電壓調節[3]，PV的接入可能導致接入點出現過電壓現象[4-5]，因此，為了避免過電壓，有必要研究PV接入配網線路后引起線路電壓的變化以及限制PV的接入容量等。文獻[6]以不同的運行方式分析了最大負荷和最小負荷情況下的光伏最大接入容量；文獻[7]基于恒電流負荷模型和恒電流DG穩態模型，對含有DG的放射狀配網的電壓分布、DG的可行接入位置以及注入容量限制進行了理論探討，文獻[8-10]分別從不同的角度計算了分布式電源的準入功率極限。

本文將以10 kV單饋線配網結構為例，在考慮無功負荷和線路電抗影響的前提下，分析單個與多個分布式光伏電源接入配網后對電壓分布的影響，并計算特定配網結構下PV可接入的最大接入容量，最后對改善電壓分布的措施做簡要仿真分析。

1 分布式光伏電源對線路電壓分布的影響

配電網網絡的拓撲結構類型較多，我國城鄉大多數的配電系統仍以放射狀鏈式結構為主。配網中的負荷種類繁多，為便于研究，本文將采用恒功率模型來表示饋線上各節點的負荷。

本文配網采用如圖1所示的17節點輻射狀配網圖，電壓基準值為10 kV，線路阻抗數據和節點負荷數據則采用IEEE33節點標準模型中對應節點和線路的數據[11]。線路首端0節點作為平衡節點，電壓標幺值設為PSD-BPA最大允許限值，即1.052，且恒定不變，線路第i節點的電壓為Ui(i=1，2，3，…，17)，節點i與節點i－1之間線路阻抗為Ri+jXi，節點i處的負荷容量為Pi+Qi，負荷和分布式光伏電源均采用恒功率模型。

圖1 單個分布式光伏電源接入10 kV線路的負荷分布

本文使用PSD-BPA電力系統仿真工具，將17節點配網阻抗數據和節點負荷數據輸入，進行潮流計算后，可得總的線路損耗值為0.009 MW，而已知配網負荷容量為1.51 MW，因此線路損耗所占負荷容量比例極小，本文的理論分析將忽略損耗對計算的影響。

定義有功功率和無功功率向負載方向流動為正值，反之為負值。根據電力系統基礎知識可得，PV接入前，節點i和節點i－1之間的電壓降如式(1)所示[11]。

由于用戶消耗的有功功率Pn和無功功率Qn均大于0，故ΔUi<0，Ui

式中：U0為線路初始端電壓。

1.1 單個分布式光伏電源接入的情況

設PV在節點m處接入配網，容量為PV，運行功率因數為1.0。當負荷節點i位于PV接入點前時，即0

當式(3)中ΔUi>0時，Ui－Ui－1>0，可求得結果如式(4)所示：

由式(3)可以求得節點i的電壓如式(5)所示：

由式(5)和式(2)比較可知，光伏電源接入后對饋線各節點電壓有一定的提升作用，提升幅度與線路參數、節點負荷容量、PV發電容量及其接入位置有關。

當負荷節點i位于光伏接入點之后時，即m

由式(6)和式(1)比較可得，當負荷節點位于PV接入點之后時，兩節點的電壓差未發生變化，但由于光伏接入點m的電壓被抬高，因此，PV接入點之后的節點電壓均被抬高，電壓分布趨勢與PV接入前相同，呈下降趨勢。

綜上所述，設光伏接入點為m，在線路初始端電壓保持不變的前提下，單個PV接入后，隨著PV出力的逐漸增加，線路電壓變化趨勢如下：

1.2 多個分布式光伏電源接入的情況

設節點i處接入光伏容量為PVi，與式(4)類似，PV接入配網系統后，節點i處的電壓如式(7)所示：

節點i與節點i－1之間的電壓差如式(8)所示：

由式(8)可得，當ΔUi<0時，即節點i的電壓低于節點i－1的電壓，反之，節點i的電壓高于節點i－1的電壓。

綜上所述，多個PV接入配網后的電壓分布與各節點接入PV的發電容量、線路參數和各節點的負荷容量有關，電壓分布情況應視具體情況而定。

1.3 分布式光伏最大接入容量

(1)單個分布式光伏電源接入配網的情況

在所選的10 kV配網模型中，由于線路首端電壓已經確定為最大允許限值，即U0=1.052，且恒定不變，因此在式(5)中，應使Ui≤U0，可得結果如式(9)所示：

由式(9)即可求得各節點PV可接入的最大容量，由于0.95≤Ui≤1.052，i=1，2，…17，這里做Ui=1近似處理，因此可求得各節點PV可接入的最大容量的近似結果如式(10)所示：

由式(10)和線路以及節點參數便可求得配網線路中各節點PV可接入的最大容量，可以看出不同節點可接入PV的最大容量是不同的。

(2)多個分布式光伏電源接入配網的情況

由式(7)可得，要使Ui≤U0，節點i處的PV接入容量需滿足式(11)：

由式(11)可以看出，當多個PV接入配網時，各節點PV可接入的最大容量不僅與線路和節點參數有關，還與其它節點接入PV的容量有關，因此，節點i處的光伏電源最大接入容量應根據具體情況而定。

2 仿真結果分析

2.1 單個分布式光伏電源接入配網的情況

已知10 kV配網線路電抗和節點負荷數據，可求得配網模型的容量為1.686 MVar。由式(9)和線路及節點參數可計算得到單個PV在不同位置接入時的最大可接入容量，結果如表1所示，表中CP(Capacity Penetration)為PV的容量滲透率，即PV的接入容量占配網負荷容量的比例[12]，PVmax為節點的PV最大可接入容量。

為驗證計算結果，本文采用PSD-BPA仿真工具，在節點4、9、17處分別按表2數據接入分布式光伏，表中的“接入容量2”即為表1中對應節點PV的最大可接入容量，仿真結果如圖2、圖3、圖4所示。

????????????????????? 4 9 17????1/MW(???/%)0.100(5.93)????2/MW(???/%)0.600(35.59)1.000(59.31)0.828(49.11)????3/MW(???/%)0.900(53.38)????4/MW(???/%)1.653(98.04)1.273(75.50)1.700(100.83)1.300(77.11)1.900(124.56)1.500(88.97)1.000(59.31)

圖2 在節點4處接入分布式光伏的電壓分布

圖3 在節點9處接入分布式光伏的電壓分布

圖4 在節點17處接入分布式光伏的電壓分布

(1)PV的接入對電壓分布的影響分析

由仿真結果圖2、圖3、圖4可以看出，隨著PV接入容量的增加，饋線的電壓分布出現了三種趨勢：1)逐漸降低；2)先降低再升高再升高；3)先升高再降低。在趨勢2)和3)中，PV接入點成為系統的局部電壓最高點。

(2)PV可接入最大容量分析

在圖2、圖3、圖4中，當接入點PV的容量為最大可接入容量時，接入點的電壓與首端電壓相等，均達到配網線路的最大允許限值；當接入點PV的容量大于最大可接入容量時，已有部分節點電壓越限，仿真結果與計算結果完全吻合。

2.2 多個分布式光伏電源接入配網的情況

本文選擇節點11和15作為PV接入點，PV接入容量為1.041 MW，滲透率為61.74%，通過不同容量組合來分析多個PV接入配網后對電壓分布的影響，接入容量組合如表3所示，由PSD-BPA仿真所得電壓分布如圖5所示。

?????????????????????/CP(MW/%) ??11 ??15??1 0.100(5.93) 0.941(55.81)??2 0.300(17.79) 0.741(43.95)??3 0.600(35.59) 0.441(26.15)

圖5 兩節點不同容量組合接入的電壓分布曲線

由圖5可以看出，當節點11處PV容量為0.100 MW、節點15處接入PV容量為0.941 MW時，饋線部分節點電壓已經越限。而當節點11處PV容量為0.600 MW、節點15處接入PV容量為0.441 MW時，各節點電壓均沒有越限情況。

因此可以得出結論：多個PV同時接入配網時，當相同PV總容量不變的情況下：(1)不同的PV容量組合接入饋線對電壓分布的影響不同；(2)靠近饋線末端的PV接入容量越大，靠近饋線首端的PV最大可接入容量就會偏小，反之，靠近饋線首端的PV最大可接入容量較大。

3 改善電壓分布的措施

在實際運行中，光伏電源運行出力是隨機的，不可能一成不變，當光照較強或負荷容量較低時，就有可能導致接入點甚至周圍節點的電壓越限，因此有必要采取措施來改善PV接入后的電壓分布。常規的調壓方式一般包括發電機調壓，同步補償機、電容器組、并聯電抗器和靜止補償器調壓，變壓器調壓[13]等。

本文將采用PV接入點電抗器補償和逆變器控制的方式分析單個PV接入配網時對線路電壓分布影響的改善措施，多個光伏電源接入時可采取類似的措施。

3.1 電抗器補償

本文以節點9為例，來說明采用電抗器補償的方式可以有效防止電壓越限。在節點9接入PV容量為1.500 MW(滲透率為88.97%)，電抗器補償容量為2.00 MVar前后的電壓分布曲線對比如圖6。

由圖6可以看出，在PV接入點處并聯一定容量的電抗器，可以防止接入點電壓越限甚至使節點電壓恢復至接入光伏電源之前的狀態。

圖6 在節點9處接入PV和電抗器前后電壓分布曲線

3.2 逆變器控制

當逆變器輸出有功功率一定，可以通過調整逆變器的有功輸出來調整接入點電壓，本文以節點9為例，PV發電容量為1.5 MW(滲透率為88.97%)，功率因數為超前，逆變器不同功率因數運行時的電壓分布曲線如圖7所示。

圖7 定有功輸出，逆變器調節功率因數時的電壓分布曲線

由圖7可以看出，當逆變器以超前功率因數0.7運行時，線路電壓分布最接近于PV接入前狀態，但此時逆變器的輸出功率已達到2.14 MVA，即此種運行方式需要較大容量的逆變器。

當逆變器容量一定時，可以通過調節逆變器的有功和無功輸出來調整接入點電壓，仍以節點9為例，逆變器容量為1.5 MVA，功率因數為超前，逆變器不同功率因數運行時的電壓分布如圖8所示。

圖8 逆變器容量一定，調節功率因數時的電壓分布曲線

由圖8可以看出，當逆變器以超前功率因數0.7運行時，線路電壓分布最接近于PV接入前狀態，但此時逆變器有功輸出為1.05 MW，無功輸出為1.07 MVar，此時改善電壓分布是以損失有功輸出為代價的。

4 結論

分布式光伏電源接入配網后，會對配網線路的電壓分布產生影響，甚至導致電壓越限現象，本文通過理論分析和仿真驗證的方式，得出以下結論：

(1)單個PV接入配網，隨著PV容量的增加，線路電壓分布趨勢呈現逐漸降低、先降低后升高再降低以及先升高再降低三種趨勢；

(2)單個PV接入配網，越靠近饋線首端，可接入的PV容量越大。當一定容量的光伏電源接入配網可能導致接入點電壓越限時，建議將PV接入靠近饋線首端的位置；

(3)多個PV接入配網，不同容量組合接入時，為減小PV的接入對饋線電壓分布的影響，可將較小容量PV接入靠近饋線末端節點，將較大容量PV接入靠近饋線首端節點；

(4)PV接入點并聯電抗器補償或通過逆變器控制可以防止由于PV的接入引起的電壓越限問題，并改善PV接入配網的電壓分布。

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Influence of distribute photovoltaic access to distribution network on voltage profile

GUO Peng-chao1,YANG Xiu1,ZHANG Mei-xia1,LIU Jun2
(1.College of Electric Power Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China;
2.Electric Power Research Institute of SG Shanghai Electric Power Company,Shanghai 200437,China)

The distribute photovoltaic located at load center has significant impact on feeders'voltage profile.Considering the reactive power and line reactance,after theoretical calculation and simulation,it is proved that the influence of distribution PV access to distribution network on voltage profile has great relationship with its access position and injection capacity;when there are multiple PV access to distribution network,the influence on voltage profile is different when combined capacity and location are different.Then the maximum alternative capacity at each node was calculated.Al last,it is illustrated through simulation that shunt reactor at PV node and inverter controlling can solve the voltage violation problem.

distribute photovoltaic;distribution network;voltage violation;reactor compensation;inverter controlling

TM 615

A

1002-087 X(2016)08-1660-05

2016-01-25

郭鵬超(1990—)，男，河南省人，碩士，主要研究方向為分布式光伏對配網的影響。