光伏并網引起主動配電網電壓越限問題研究

0 引言

近年來，傳統化石能源日益枯竭，氣候環境危機加重，為應對持續增長的電力負荷和能源短缺問題，以光伏、風電、生物能為代表的分布式電源以其清潔、靈活的發電方式已經逐漸廣泛接入配電網[1]。隨著新能源裝機容量迅速增長，配電網從無源系統變為有源系統，傳統配電網的拓撲結構和潮流運行發生了巨大的變化，其可靠性面臨巨大的挑戰。分布式電源的大量接入和高度滲透，使配電網成為一個電力分配和交換網絡，實現智能化是解決分布式電源與配電網的集成問題，提高配電網供電質量和運行效率的必由之路。

光伏發電作為一種可再生能源，正由大型集中并網向分布式并網發展。集中式并網結構復雜，不利于控制，所消耗的經濟成本非常大，不適用于一般的小型電網；但是分布式并網結構相比集中式并網較為容易，便于控制，占地面積小，所用的花費也相比于集中式少[2]。分布式光伏并網接入到主動配電網中，雖然節約了成本，提高了效率；但是也存在一些比較常見的問題，比如分布式光伏出力的隨機性和波動性與電網負荷不平衡時會加大配電網調壓的難度，且電路中存在大量電力電子開關器件，會產生諧波污染，還會引起一些潮流分布的影響和電壓的分布影響，尤其是引起電壓越限[3]。中低壓配電變壓器無帶載調壓能力，光伏系統接入電網后，用電高峰期可為配電網運行提供支撐，減輕負荷壓力，一旦出現光伏系統出力較高而負荷較低時，同時會出現過電壓現象。

1 分布式光伏并網對配電網可靠性的影響

近年來，以光伏為代表的分布式電源以其清潔、靈活的發電方式逐漸廣泛接入配電網。當光照足夠強烈或負荷較低時，分布式光伏的輸出將使并網點和周圍節點的電壓超過限值，甚至引起保護裝置動作將其切出電網。光伏電源的配電網系統由光伏陣列、直流轉換器（DC/DC轉換器）、逆變器、控制器等組成，其系統結構圖如圖1所示[4]。

圖1 分布式光伏發電系統的結構圖

在理想情況下，傳輸線電壓保持不變，但在遠距離傳輸情況下，線路阻抗使電壓產生畸變，圖2為光伏電源接入后的鏈式配電網。

圖2 鏈式配電網

圖2 中，U0為初始位置電壓，Un、Pn、Qn分別為第n個用戶的電壓、消耗的有功功率和無功功率（n＝1，2，3，…，N），兩個用戶之間的線路阻抗為Rn+jXn＝ln（r+jx），Pv代表第p個用戶接入的光伏容量。兩個用戶之間的電壓差ΔU可表示為

光伏接入前，對普通用戶來說，無功功率Qn和有功功率Pn均大于 0，即 ΔUm＜0，Um＜Um－1，于是，第m個點用戶的電壓為

光伏并網接入時，0＜m＜p，第m個點用戶的電壓可表示為

可得到電壓差

如果所用的電在光伏接入點之后，即p＜m＜N時

由式（6） 知，（m－1） 點始終大于m點的電壓，電壓沿饋線方向降落。

2 光伏逆變器的控制策略

對于配電網來說，阻抗比R/X越大，有功功率越大，會導致電壓越限。從上面的推導可以看出，有功功率越大，電壓差越大，為了防止電壓越限需要大量的無功功率來平衡，但這樣會增大電流，增加線路損耗，必須增加逆變器的容量[5-6]。簡單地利用逆變器的無功功率控制有很大的缺陷。

可以利用有功和無功功率協調控制策略，通過有功控制降低電壓，利用逆變器的剩余容量吸收無功功率，既節省了逆變器容量，又降低了電壓，對消除分布式光伏接入主動配電網引起電壓越限風險具有較高的實用價值。

3 光伏并網引起的主動配電網電壓越限仿真結果與分析

3.1 影響電壓越限因素的仿真模型

基于以上理論建立影響電壓越限因素的仿真模型，假設線路為理想線路，即只存在有功，不存在無功。通過仿真分析光伏在不同的條件下的電壓值，可以得到不同影響因素下的電壓變化趨勢。圖3為光伏接入不同線路長度后的各點電壓，圖4為光伏接入不同電壓負荷后的各點電壓，圖5為光伏接入不同線路橫截面積后的各點電壓。

圖3 光伏接入不同線路長度后的各點電壓

圖4 光伏接入后不同電壓負荷的各點電壓

圖5 光伏接入不同線路橫截面積后的各點電壓

由仿真結果可知，光伏接入系統后，線路電壓會上升，且與接入不同線路長度、負荷大小和導線的橫截面積有關，初始時電壓值均線性遞增，當達到一定值之后開始緩慢地平滑衰減。

3.2 光伏逆變器控制對電壓的改善

電網運行中，當光照足夠強烈或負荷較低時，分布式光伏輸出將使并網點和周圍節點的電壓超過極限，甚至引起保護裝置動作將其切出電網，利用光伏逆變器的有功和無功功率協調控制可以降低電壓越限的風險[7]。

由分布式光伏并網引起的有源配電網電壓越限通常是由光伏系統輸出過大的有功功率引起。圖6所示為添加光伏逆變器后電壓的改善情況。

圖6 加入光伏逆變器后電壓的改善情況

4 結束語

分布式光伏電源的輸出功率易受環境因素影響，當接入有源配電網時可能導致電壓越限問題。建立分布式光伏接入主動配電網的仿真模型，通過有功和無功功率協調控制方法消除電壓越限風險，采用有功功率控制降低電壓，利用逆變器的剩余容量吸收無功功率。分析分布式光伏接入后不同線路長度、電壓負荷和導線截面積的電壓變化，提出通過光伏逆變器解決電壓越限風險的控制策略。仿真結果驗證了其正確性和可行性。