分布式光伏對配電網電壓的影響機理及仿真分析

楊曉輝，楊 莉，楊 磊，鐘偉杰

分布式光伏對配電網電壓的影響機理及仿真分析

楊曉輝，楊 莉，楊 磊，鐘偉杰

（南昌大學 信息工程學院，江西 南昌 330031）

通過分析分布式光伏并入配電網對電壓偏差的影響機理，得出光伏接入后將提高線路電壓水平，且線路某點電壓變化量與相對光伏并網點位置、光伏容量及線路參數有關。搭建了6節點配電網網絡和分布式光伏并網仿真模型，仿真分析了分布式光伏容量、并網點位置及線路參數對配電網電壓偏差帶來的影響。仿真結果表明：光伏接入容量越大、接入位置越遠離首端，對線路電壓的提升也越大；線路越長、導線線徑越小、負荷越小、配變容量越小，電壓升高幅度越大。

配電網；分布式光伏；光伏并網點位置；電壓偏差

隨著經濟的飛速發展，人們對傳統能源的過度開采已愈發嚴重，石油、煤炭等傳統能源的枯竭已經不可避免。可再生能源將會成為人類未來替代傳統能源的最佳形式，其中光伏發電資源充沛；較少受地域限制、清潔可靠等特點贏得人類青睞；但隨著越來越多的光伏并入電網，問題也隨之而來[1-3]。由于太陽能自身的間歇性、隨機性等特點，并入配電網后將對配電網的電能質量及穩定性造成很大的影響[4-5]，且隨著光伏在配電網中滲透率的提高，傳統配電網潮流會出現變化，甚至產生反向潮流[6-7]，導致配電網末端電壓抬升，嚴重時甚至會造成系統失去穩定，因此分布式光伏接入配網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電壓的影響展開了較為深入的研究。文獻[8-10]分析了分布式電源滲透率提高引起的電壓波動和電壓越限等電能質量問題，實現了控制成本最低的協調電壓控制策略。文獻[11-12]研究了分布式光伏接入配網后所產生的可靠性及電能質量問題，分析了分布式光伏自身特點，得出了由于光伏出力不確定所導致的電能質量問題也很突出。文獻[13]利用靈敏度的方法分析了光伏并網后對電壓的影響，通過仿真驗證了分布式光伏接入系統薄弱點和支撐點對配網電壓的影響。

本文研究了分布式光伏并網對配電網電壓的作用機理，并通過仿真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，為分布式光伏電源的良好發展奠定基礎。

1 光伏容量及位置對配電網電壓的作用機理

分布式光伏的接入使配電網變為多電源網絡，多電源系統在進行研究時，可以通過疊加法進行計算。

式中，為節點有功功率，為節點電阻，為節點無功功率，為節點電抗，為單位長度電阻，為節點間距離，為單位電抗。

1.1 單個光伏接入對配電網電壓的影響

單個光伏接在節點的位置時，其配電網如圖2所示（P為光伏有功功率）。

（1）分布式光伏接入配網后，位于光伏接入點前的用戶的電壓為（此時0<<）：

式（3）中由于功率因數較高及線路電抗較小，導致無功功率也較小，因此可以將無功功率忽略不計。去掉無功功率后式（3）可以簡化為

由式（4）可知，隨著分布式光伏的接入，配電網線路上的電壓也明顯提升，且光伏接入位置及接入容量是2個影響因數。此時，戶與–1戶之間的電壓差為

由式（5）可知，電壓的升降趨勢和光伏容量與戶及戶之后的所有用戶消耗的有功功率之和的大小有關，若用戶消耗的有功功率之和更大，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后，位于光伏接入點后的用戶的電壓為（此時>）

此時，戶與–1戶之間的電壓差為

由式（7）可知，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。

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。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

1.2 多個光伏接入對配電網電壓的影響

圖3為多個分布式光伏接入配電網的情況，同樣忽略線路電抗和無功功率的作用。此時用戶處的電壓為

此時，戶與–1戶之間的電壓差為

2 線路參數對配電網電壓的作用機理

對上述線路電壓計算式進行迭代線性化。將各參數的初始值看成1，然后將函數進行泰勒展開，可得其線性近似結果如下：

其中：

代入上式，得：

在實際線路中有：

、變量有：

式中，為電阻，為電阻率，為線徑截面面積，為長度，為阻抗率，為頻率。

通過分析上述公式，線路長度及線徑面積波動可忽略不計，因此、可以理解成和線路長度及線徑面積有關，也就是說節點電壓與線路長度及線徑面積有關。

3 仿真分析

3.1 光伏容量對配電網電壓影響的仿真分析

3.1.1 單個光伏接入情況

以圖4系統為實驗模型，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1 km，線路上共有6個用戶接入，負載率按配電容量10%平均分布在6個用戶上，線路單位長度阻抗為1.38+j0.432 Ω/km。

圖4 10節點配電系統

光伏集中接在節點3上，通過潮流計算研究接入容量為0、1、5、10 kW時，配電網中各節點的電壓分布，以及各節點電壓變化曲線如圖5所示。

圖5 單個分布式光伏接入容量變化引起電壓分布變化曲線

3.1.2 多個光伏接入情況

為研究多個分布式光伏的接入對配電網電壓的影響，依然以圖4系統為實驗模型，線路參數與單個接入一致，假設光伏總容量被均勻接到6個節點上。通過潮流計算得到接入總容量為0、0.6、5、12、18 kW時，配電網中各節點的電壓分布以及電壓變化曲線如圖6所示。

圖6 多個分布式光伏接入引起的電壓分布變化曲線

從圖6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，對配電網電壓的影響就越大。當系統分散接入0.6 kW的分布式光伏，相比未接入光伏時，各節點電壓有所提升，但由于此時接入的光伏容量很小，因此電壓分布依然和未接入光伏時的趨勢相似，節點電壓都是隨著距離的增加而降低；當總容量為12 kW的分布式光伏均勻接入每個節點時，結點電壓隨著距離的增加而增加，此時線路末端電壓最高；當總容量增加為18 kW時，結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處于越限狀態。

對比光伏總容量為5 kW均勻接入6個節點與節點3集中接入相同的5 kW容量時的兩條曲線可以看出，光伏并網容量相同時，集中接入某節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點電壓提升幅度大，而集中接入點之后各節點的電壓提升幅度小，分散接入對電壓穩定性更有利，集中接入電壓波動范圍較大。

3.2 光伏接入位置對配電網電壓影響的仿真分析

3.2.1 單個光伏接入情況

為研究光伏接入位置不同對配電網電壓的影響。依然以圖4系統為實驗模型，線路參數保持不變。當3 kW的分布式光伏分別在節點１、3、5、6接入時，仿真得到的電壓分布變化曲線如圖7所示。

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的不同位置，對配電網電壓的提升作用也不同。分布式光伏電源接在節點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；分布式光伏電源接在節點3處時，線路電壓明顯提升，且遠離首端位置，各節點的電壓就越小；分布式光伏電源接在節點5處時，節點電壓從節點1到節點3呈下降趨勢，從節點3到節點5呈上升趨勢，最后節點5到節點6又呈下降趨勢，線路中會出現2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電壓影響最大，線路電壓先降低后升高，系統構成一個雙源結構，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電壓的分布，越靠近首端，對電壓的影響作用就越小。

3.2.2 多個光伏接入情況

依然以圖4系統為實驗模型研究多個分布式光伏接入不同位置對線路電壓的影響。假設分布式光伏總容量為6 kW，分別研究以下幾種情況下的配電網電壓分布：

（1）6 kW光伏集中接入節點1；

（2）6 kW光伏集中接入節點3；

（3）6 kW光伏集中接入節點6；

（4）6 kW平均分散在1、2節點；

（5）6 kW平均分散在2、3節點；

（6）6 kW平均分散在2、5節點；

（7）6 kW平均分散在4、5節點。

通過潮流計算仿真得到上述7種情況下配電網中的電壓分布變化曲線如圖8所示。

圖8 多個光伏接入位置變化引起電壓分布變化曲線

由圖8可知，多個分布式光伏接入時，光伏接入位置對配網電壓也有影響。從圖8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、2節點時對電壓的提升作用最小，分散接入在4、5節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點對電壓的提升作用更大。

分析圖8中所有曲線可以發現，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論：相同的接入條件下，分布式光伏集中接在末端時的電壓提升最大。

3.3 線路參數對配電網電壓影響的仿真分析

為研究線路參數對配電網電壓的影響，依然以圖4系統為算例，用戶末端接入容量為10 kW的分布式光伏。研究在保持其他參數為基準值時，每次只改變一個參數時對配電網電壓的具體影響。設定各參數的具體基準值分別為：線徑為25 mm2，半徑為1 km，配變容量為50 kW，負載率為10%。

3.3.1 線路長度對配電網電壓影響的仿真分析

末端接入10 kW光伏，10%負荷均勻分布于6個節點，線徑LJG-25 mm2，變壓器容量50 kW，仿真研究在其他條件保持不變的情況下，線路長度發生變化對配電網電壓分布的影響。不同線路長度下各節點電壓分布曲線如圖9所示。

圖9 單個分布式光伏接入線路長度變化引起電壓分布變化曲線

分析圖9可知，在接入容量和接入位置保持不變的情況下，線路長度的改變對配電網電壓也有影響，線路越長，電壓提升越明顯，與理論結論一致。

3.3.2 導線線徑對配電網電壓影響的仿真分析

末端接入10 kW光伏，10%負荷均勻分布于6個節點，變壓器容量為50 kW，線路長度為1 km，仿真研究在其他條件保持不變的情況下，導線線徑發生變化對配電網電壓分布的影響。不同線徑下各節點電壓分布曲線如圖10所示。

圖10 單個分布式光伏接入導線線徑變化引起電壓分布變化曲線

分析圖10可知，在接入容量和接入位置保持不變的情況下，導線線徑的改變對配電網電壓也有影響，且隨著線徑的不斷增大，電壓提升幅度有所下降，與理論結論一致。

3.3.3 配變容量對配電網電壓影響的仿真分析

末端接入10 kW光伏，10%負荷均勻分布于6個節點，線徑為LJG-25 mm2，線路長度為1 km，仿真研究在其他條件保持不變的情況下，配變容量發生變化對配電網電壓分布的影響，不同配變容量下各節點電壓分布曲線如圖11所示。

圖11 單個分布式光伏接入配變容量變化引起電壓分布變化曲線

分析圖11可知，在接入容量和接入位置保持不變的情況下，配變容量的改變對配電網電壓也有影響。隨著配變容量的增加，電壓升高幅度有所減小；但是，減小的幅值隨著配變容量的再提升影響較小，與理論結論一致。

3.3.4 負載對配電網電壓影響的仿真分析

末端接入10 kW光伏，負荷均勻分布于6個節點，線徑為LJG-25 mm2，配變容量為50 kW，線路長度為1 km，仿真研究不同負載率對配電網電壓分布的影響，其電壓變化曲線如圖12所示。

圖12 單個分布式光伏接入負載率變化引起電壓分布變化曲線

分析圖12可知，在接入容量和接入位置保持不變的情況下，負載的改變對配電網電壓也有影響，且負載越小，電壓提升越明顯，與理論結論一致。

4 結論

（1）當線路始端電壓恒定不變時，根據并網光伏容量、光伏并網點位置及線路參數不同，線路電壓主要呈現3種不同形式：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。

（2）配電網電壓偏差隨著注入配電網絡的分布式光伏容量的增大而增大。

（3）隨著并網位置遠離線路首段，電壓偏差逐漸增大，且并網點處電壓偏差受影響最明顯。

（4）線路參數的改變也會引起配電網電壓的改變，且線路越長、導線線徑越小、負荷越小、配變容量越小，電壓升高幅度越大。

[1] 周孝信，陳樹勇，魯宗相，等.能源轉型中我國新一代電力系統的技術特征[J].中國電機工程學報，2018, 38(7): 1893–1904, 2205.

[2] 舒印彪，張智剛，郭劍波，等.新能源消納關鍵因素分析及解決措施研究[J].中國電機工程學報，2017, 37(1): 1–9.

[3] 劉振亞.全球能源互聯網跨國跨洲互聯研究及展望[J].中國電機工程學報，2016, 36(19): 5103–5110, 5391.

[4] BO Z, ZHI X, CHEN X, et al. Network Partition Based Zonal Voltage Control for Distribution Networks with Distributed PV Systems[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2017(99): 1.

[5] KIM I, HARLEY R G. A study on the effect of the high-penetration photovoltaic system on an increase in overvoltage of distribution feeders[C]//North American Power Symposium. 2015.

[6] 李瑞生，翟登輝.光伏DG接入配電網及微電網的過電壓自動調節方法研究[J].電力系統保護與控制，2015, 43(22): 62–68.

[7] 程繩.分布式電源接入配電網滲透率及運行協調優化研究[D].北京：中國電力科學研究院，2014.

[8] 劉子悅，鄒婷，李奇峰，等.分布式電源的建模研究[J].現代經濟信息，2017(2): 370.

[9] 鮑薇，胡學浩，何國慶，等.分布式電源并網標準研究[J].電網技術，2012, 36(11): 46–52.

[10] 溫嘉斌，劉密富.光伏系統最大功率點追蹤方法的改進[J].電力自動化設備，2009, 29(6): 81–84.

[11] 趙爭鳴，雷一，賀凡波，等.大容量并網光伏電站技術綜述[J].電力系統自動化，2011, 35(12): 101–107.

[12] 陳煒，艾欣，吳濤.光伏并網發電系統對電網的影響研究綜述[J].電力自動化設備，2013, 33(2): 26–32.

[13] 李斌，劉天琪，李興源.分布式電源接入對系統電壓穩定性的影響[J].電網技術，2009, 33(3): 84–88.

Influence mechanism and simulation analysis of distributed photovoltaic on distribution network voltage

YANG Xiaohui, YANG Li, YANG Lei, ZHONG Weijie

(School of Information Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

By analyzing the influence mechanism of distributed photovoltaic integrated into distribution network on voltage deviation, it is concluded that the line voltage level is increased after the photovoltaic connection, and the variation of line voltage at a certain point is related to the position of relative photovoltaic grid-connected point, photovoltaic capacity and line parameters. The six-node distribution network and distributed photovoltaic grid-connected simulation model are built, and the effects of distributed photovoltaic capacity, grid-connected point location and line parameters on voltage deviation of distribution network are simulated and analyzed. The simulation results show that the larger the photovoltaic access capacity, the farther the access location is from the head, the greater the voltage rise of the line, the longer the line is, the smaller the wire diameter, the smaller the load is, and the smaller the distribution capacity, the larger the voltage increase is.

distribution network; distributed photovoltaic; position of photovoltaic grid-connected point; voltage deviation

TM615

A

1002-4956(2019)10-0063-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.015

2019-03-02

國家自然科學基金項目（51765042，61463031，61662044，61773051）；江西省教育廳教學改革項目（JXYJG-2017-02，JXJG-18-1-43）

楊曉輝（1978—），男，江西南昌，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為工業控制、智能控制、電力電子在新能源中的應用。E-mail: yangxiaohui@ncu.edu.cn