分布式光伏電源對配電網(wǎng)電壓波動的影響研究*

陳懿，劉滌塵，吳軍，陳煒,徐雨田

(武漢大學 電氣工程學院，武漢 430072)

0 引 言

如今，能源儲備逐漸減少、環(huán)境質(zhì)量逐漸下降，采取開發(fā)利用清潔可再生能源是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，其中太陽能具有具有資源充足、取用便捷的優(yōu)點，是被社會普遍認可最值得開發(fā)的可再生能源[1]，而在多種光伏接入形式中，分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電逐漸成為未來太陽能利用的主要形式之一。太陽能間歇性、隨機性的特點，會對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響[2-3]，限制其發(fā)展，光伏電源輸出功率變化導致的電網(wǎng)的電壓波動是一個不可忽視的重要問題，嚴重情況下會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，存在研究的必要性。

目前，對光伏電源接入對配電網(wǎng)電壓波動影響研究尚不多，主要涉及光伏功率波動原因[4]、影響電壓波動大小因素[5-6]以及解決措施[7-8]這幾個方面。文獻[9]通過基于潮流計算分析穩(wěn)態(tài)電壓波動和基于短路容量法分析電壓波動，得出了影響電壓波動的重要因素，穩(wěn)態(tài)分析方法簡單，方便、快速但并未考慮暫態(tài)過程，不夠精細化；文獻[10]基于PSCAD仿真平臺，對光伏電源接入電網(wǎng)的選點問題進行了仿真研究，結(jié)果表明配電網(wǎng)絡的短路容量、負荷水平對配網(wǎng)電壓波動有較大的影響，在對配電網(wǎng)建模時采用無窮大電源及等效電阻進行等效，與實際仍存在一定差距；文獻[11]基于單饋線多節(jié)點的10kV線路探討了影響電壓變化的各種因素，如光伏出力大小、接入位置、電網(wǎng)線路參數(shù)、負荷大小等，并給出了防止電壓越限的措施，但未曾考慮環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其可接入光伏接入容量大小也過于保守。

鑒于上述分析，文章首先從理論角度分析光伏接入配電網(wǎng)影響電壓波動大小的因素；接著從短路容量角度出發(fā)，研究環(huán)網(wǎng)構(gòu)架對電壓波動的影響；最后利用 PSCAD/EMTDC仿真軟件，搭建了完整的光伏電源以及IEEE13節(jié)點模型，建立相應算例驗證上述理論，為分布式光伏電源的良好發(fā)展奠定基礎。

1 電壓波動相關內(nèi)容理論分析

1.1 配電網(wǎng)電壓波動定義

電壓波動：電壓方均根值也即有效值一系列的變動和連續(xù)的改變，通常用電壓變動加以評估。

電壓變動：電壓方均根值曲線上相鄰的兩個極值之差，再與系統(tǒng)額定電壓的比值，用百分數(shù)表示，即：

(1)

式中Umin與Umax分別為電壓有效值的最大和最小極值，電壓有效值的離散計算公式為：

(2)

式中uk為k點的電壓瞬時值;N為一個周期的采樣點數(shù)。

1.2 光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)電壓波動的作用機理

電網(wǎng)的電壓受到其潮流分布情況影響，當電網(wǎng)中負荷所需要能量以及電源送達功率發(fā)生變動時，就會導致配網(wǎng)各個母線節(jié)點產(chǎn)生電壓波動和閃變[12]。光伏電源接入后，除了傳統(tǒng)電壓波動原因以外，光伏電源頻繁的起停以及外界條件尤其是光輻射強度和溫度發(fā)生改變?nèi)缓髮е鹿夥娫窗l(fā)出功率的變動，從而引起電網(wǎng)的電壓波動。

一般光伏電源對并網(wǎng)點(Point of Common Coupling ，PCC)的沖擊最大[13]，即PCC點電壓波動最大，對其進行分析有著指導意義，正常情況下研究光伏電源的功率波動導致的配電網(wǎng)電壓波動的方法是，首先得到功率發(fā)生變動的電源發(fā)出的功率或者是電流，接著進行全網(wǎng)潮流計算取得每個節(jié)點的電壓波動圖形。為方便計算功率的變動，將接入配網(wǎng)的光伏電源等效為電流源，以下進行光伏電源對配網(wǎng)電壓波動的機理分析，圖1是光伏電源接入配電網(wǎng)等效電路圖。

圖1 光伏電源接入配電網(wǎng)的等效電路

ΔUPCC=(Rz+jXz)·(ΔIpv-p+ΔjIpv-q)=

Zz(cosφ+jsinφ)ΔI(cosθ+jsinθ)=

(3)

(4)

從關系式得出光伏電源并入對系統(tǒng)電壓波動影響與以下幾個條件關聯(lián)，即光伏電源功率的波動值以及改變的功率因數(shù)、所接入配電網(wǎng)處的短路容量以及短路阻抗角。因為控制光伏電源工作在單位功率因數(shù)下，由此得到光伏電源的發(fā)出功率改變?nèi)际前l(fā)出有功的改變，同時線路的阻抗角一般恒定，因此影響配電網(wǎng)電壓波動的正常情況下是光伏發(fā)出功率的變動以及接入點短路容量大小。

1.3 環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)下電壓波動分析

在上述分析中可知，光伏接入容量及接入點短路容量的大小是影響電壓波動的主要因素， 而光伏容量必將不斷增加，不能通過限制發(fā)展光伏電源來降低電壓波動，因此文章從短路容量出發(fā)來削弱波動，考慮到環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)增大短路容量，有利于減小電壓波動，為此做出以下分析。

電力網(wǎng)絡某點的短路容量或功率等于該點三相短路電流與額定電壓的乘積[14]，而短路電流通常考慮為額定電壓除以該點與系統(tǒng)之間的等效的阻抗或電抗。

(5)

式中SK為短路容量;UN為額定電壓;Id為短路電流;ZK為研究點到電源點的等效阻抗。

短路容量用于評估系統(tǒng)的狀態(tài)脆弱性和電壓穩(wěn)定水平，短路容量越大電壓波動越小，而電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是影響系統(tǒng)短路容量的重要因素[15]。目前，國內(nèi)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)基本形成環(huán)網(wǎng)構(gòu)架，大大增強了電網(wǎng)的短路容量，提高其堅強性，但是基本上依舊是開環(huán)運行并未真正利用環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而未來必將實現(xiàn)閉環(huán)運行。

環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以增大短路容量，正常情況下，電壓保持額定不變，因此從短路容量表達式可以看出其主要受系統(tǒng)阻抗值的影響，彼此成反比。然而環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)會使系統(tǒng)到某點的阻抗值減小，從而導致短路容量增大，有利于光伏接入。圖2是簡單的環(huán)形網(wǎng)絡示意圖。

圖2 簡單環(huán)形網(wǎng)絡

當開關S斷開時，網(wǎng)絡中各個節(jié)點的阻抗分別可以通過式(6)表示:

(6)

式中Z11、Z12、Z21、Z22分別表示節(jié)點11、節(jié)點12、節(jié)點21、節(jié)點22到主節(jié)點之間的阻抗，ZL11、ZL12、ZL21、ZL22表示各段線路對應的阻抗值。

當開關S閉合即環(huán)網(wǎng)運行情況下，各個節(jié)點阻抗分別為

(7)

式中Z0表示節(jié)點11和節(jié)點21之間線路的阻抗值。眾所周知在原有線路上并聯(lián)一根線路，其阻抗必然會小于原有線路阻抗，從式(6)和式(7)也可以看出，雖然聯(lián)絡線上有一定電阻，但是每個節(jié)點的阻抗都有所減小，因此短路容量均會增大。

從式(4)可以看出，短路容量同電壓波動成反比，而從上述分析又可得到環(huán)網(wǎng)構(gòu)架增大了短路容量，因此環(huán)網(wǎng)情況下電壓波動會減小，有利于分布式光伏接入。

2 光伏接入對配電網(wǎng)電壓波動仿真分析

2.1 PSCAD/EMTDC中仿真模型

為了更為準確得驗證光伏接入對配電網(wǎng)電壓波動的影響，光伏電源不再使用電流源等效，而是在PSCAD/EMTDC中搭建了詳細的適用于分布式接入的雙級型并網(wǎng)光伏電源系統(tǒng)，具有最大功率跟蹤控制功能輸出功率能隨溫度光照發(fā)生改變，如圖3所示；配電網(wǎng)不再使用單機無窮大系統(tǒng)代替而是搭建了具有典型代表的IEEE13節(jié)點配電網(wǎng)模型，該模型不對稱性，有多個電壓等級、不平衡負荷及各種相數(shù)供電，如圖4所示，具體參數(shù)見文獻[16]。

圖3 分布式光伏電源系統(tǒng)

圖4 IEEE13節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

考慮到光伏接入對配電網(wǎng)電壓波動的極端影響是其突然并網(wǎng)或脫網(wǎng)過程，而影響大小的因素主要是光伏容量及其接入點短路容量，因此分別進行以下仿真實驗。

2.2 光伏容量對電壓波動的影響仿真

光伏電源接入造成的電壓波動與其容量大小有著很強的聯(lián)系，因此進行在同一點接入不同容量分布式光伏電源的算例仿真。在671節(jié)點，分別配置0.25 MW、0.5 MW、0.75 MW容量的光伏電源，運行在相同功率因數(shù)下，2 s并網(wǎng)、4 s脫網(wǎng)，觀察三相節(jié)點671、675、632、633的電壓波動情況。表1是671接入不同容量時各節(jié)點電壓波動表，圖5是各節(jié)點的部分電壓波動仿真圖。

表1 不同并網(wǎng)容量下各節(jié)點電壓波動統(tǒng)計表

圖5 部分電壓波動仿真圖

根據(jù)仿真結(jié)果可以得出：

(1)從圖5可以看出相對于光伏電源忽然脫離電網(wǎng)而言，光伏電源忽然并入電網(wǎng)造成的接入點電壓波動比較嚴重，原因是并網(wǎng)過程光伏電源與配網(wǎng)之間交互影響，共同調(diào)整，造成較大波動，離網(wǎng)過程光伏和配網(wǎng)分離獨自調(diào)整，導致波動比較弱，因此需要重點觀測光伏并入電網(wǎng)過程；

(2)從表1和圖5可以看出，并網(wǎng)造成的電壓波動，光伏電源接入點處最大，且相鄰節(jié)點的電壓波動相對較大，而未來光伏電源將分散接入，因此必須得多點監(jiān)測，保證所有點電壓波動不越限；

(3)從表1和圖5可以看出，光伏電源接入點電壓波動與其容量大小有著很強的聯(lián)系，光伏電源容量愈大，對接入點電壓波動影響愈大，光伏電源容量愈小，對接入點電壓波動影響愈小。

2.3 接入點短路容量對電壓波動的影響仿真

光伏接入點的短路容量會對電壓波動的大小產(chǎn)生影響，而為了實現(xiàn)接入點短路容量不同文章采取選用IEEE13節(jié)點中不同位置的接入光伏電源進行仿真分析，同時保證接入容量相等。分別在節(jié)點675、671、633配置0.5 MW光伏電源，各節(jié)點短路容量排序從大到小是632、633、671、675，運行在相同功率因數(shù)下，2 s并網(wǎng)、4 s脫網(wǎng)，觀察三相節(jié)點電壓波動情況。表2是在671、675、633分別接入0.5 MW光伏時各節(jié)點電壓波動表，圖6是各節(jié)點電壓波動折線圖。

表2 不同接入位置下各節(jié)點電壓波動表

從表2可以看出，不同位置接入相同容量光伏電源的電壓波動不同，而實際上位置的不同體現(xiàn)的是短路容量的大小不同。短路容量愈大的位置，電壓波動愈小，如675短路容量最小，配置相同大小容量情況引起電壓波動最大；短路容量愈小的位置，電壓波動愈大，如633短路容量最大，配置相同大小容量情況引起電壓波動最小。在光伏電源選擇配電網(wǎng)接入點時，盡可能選擇短路容量較大節(jié)點。

3 環(huán)網(wǎng)情況下電壓波動仿真分析

根據(jù)前述分析，如果是環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以增大原有光伏電源的接入點處的短路容量，從而減小電壓波動，有利于更多的分布式光伏電源的接入，因此，將節(jié)點632和671連接成環(huán)如圖6所示，線路長度為500英尺，線型同線路632-633線，然后重復2.3仿真算例，分別在節(jié)點675、671、633配置0.5 MW光伏電源。運行在相同功率因數(shù)下，2 s并網(wǎng)、4 s脫網(wǎng)，觀察三相節(jié)點電壓波動情況。表3是環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)下在671、675、633分別接入0.5 MW光伏電源時各節(jié)點電壓波動表，圖7表示的是無環(huán)網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)下在671、675、633分別接入光伏電源電壓波動的對比圖。

圖6 環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)下分布式光伏接入示意圖

接入位置電壓波動6716756326336751.562%1.827%1.178%1.418%6711.562%1.562%1.178%1.418%6331.442%1.442%1.178%1.490%

從圖7可以看出，環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)下分布式光伏電源接入，接入點的電壓波有很大程度的減小，而環(huán)網(wǎng)連接點的電壓波動較原來有所增加，但依舊小于最大電壓波動，由此可以得出若實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)閉環(huán)運行，則將大大有利于分布式光伏電源的接入，驗證了理論分析。然而環(huán)網(wǎng)閉環(huán)運行會增加短路容量有利于光伏電源接入，同時會造成因短路電流增大帶來的問題，因此雖然現(xiàn)有電網(wǎng)大部分都建成環(huán)網(wǎng)架構(gòu)，但依舊開環(huán)運行，而從文章及其他文章分析可得，未來環(huán)網(wǎng)閉環(huán)運行是毋容置疑的必然趨勢，需要重點關注因短路電流增大導致的安全問題及解決措施。

圖7 電壓波動對比圖

4 結(jié)束語

分布式光伏電源的大量接入給配電網(wǎng)帶來新的挑戰(zhàn)，為充分利用太陽能，研究分布式光伏電源接入對配電網(wǎng)電壓波動的影響具有重要的意義。文章在機理分析基礎上得到光伏接入影響配電網(wǎng)電壓波動的重要因素，并且從短路容量角度分析環(huán)網(wǎng)閉環(huán)運行對電壓波動的影響，最后在PSCAD/EMTDC中搭建具體模型進行仿真驗證，得到以下結(jié)論：

(1)光伏電源并網(wǎng)過程中的電壓波動大于脫網(wǎng)過程，因此需要重點監(jiān)測并網(wǎng)過程；

(2)光伏電源接入點電壓波動最大，其相鄰節(jié)點電壓波動也較大，而未來光伏電源將分散接入，因此需要多點監(jiān)測，確保所有點電壓波動不越限；

(3)分布式光伏電源的容量以及并網(wǎng)點的短路容量是影響電壓波動的重要因素，電源容量越大，并網(wǎng)點短路容量越小，產(chǎn)生電壓波動越大，因此光伏電源接入配網(wǎng)時需要重點考慮這兩個因素；

(4)環(huán)網(wǎng)閉環(huán)運行大大增加了短路容量，增強了電網(wǎng)抗擾能力，減弱電壓波動，有利于電網(wǎng)接納更多的光伏電源，因此未來電網(wǎng)必將實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)閉環(huán)運行，但必須考慮因短路電流增大導致的安全問題及解決措施。