計及分布式電源的配電網電壓波動特性研究

陳 霖，朱志杰

（國網江西省電力有限公司，南昌330000）

隨著能源短缺和環境污染問題的日益嚴重，分布式電源因具有清潔環保和高效等優點而獲得廣泛關注[1]，然而分布式電源輸出功率具有波動特性，其在配電網的接入會使配電網出現電壓波動加重的問題，甚至影響配電網的安全穩定運行[2]，因此，需對分布式電源并網后的配電網電壓波動情況進行深入研究。

針對分布式電源并網后給配電網電壓波動帶來的影響，國內外學者進行了一定的研究，文獻[3]、文獻[4]分析了分布式光伏及分布式風電的輸出功率波動的原因；文獻[5]對分布式電源在配電網并網后的電壓波動進行了理論研究；文獻[6]對分布式光伏并網點的電壓波動情況進行了仿真分析；文獻[7]研究了分布式風電并網后電壓波動的機理，但其未考慮分布式風電出力波動性；文獻[8]對分布式光伏電源并網后的電壓波動進行了仿真計算，以上文獻均未有效考慮分布式電源出力波動的影響，也未對并網后的電壓波動情況進行深入研究。

本文在分析分布式電源并網造成配電網電壓波動影響原理的基礎上，建立了配電網電壓波動仿真模型，對分布式電源并網后的配電網電壓波動情況進行系統的深入研究。

1 分布式電源功率特性

1.1 分布式光伏功率特性

太陽能光伏發電是指光伏電池利用半導體材料的光生伏特效應把太陽能轉化為電能，太陽能光伏電池的出力與溫度與光照等因素相關，具有很強的隨機波動特征[9]，其簡化的等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路Fig.1 Photovoltaic cell equivalent circuit

光伏電池的輸出特性為

式中：I，V分別為光伏電池的輸出電流、輸出電壓；Iph為光生電流；I0為電池反向飽和電流；Rs，Rsh分別為串聯等效電阻、并聯等效電阻；q=1.6×10-19為電荷常數；K=1.38×10-23為普爾滋曼常數；A為二極管因子；T為絕對溫度。

光伏發電系統的主要構成有光伏陣列、逆變器和控制器等[10]，其結構如圖2所示。光伏陣列由光伏電池串并聯而成，其常用數學模型為

式中：m為光伏電池并聯的數目；n為光伏電池串聯的數目。

圖2 光伏發電系統結構Fig.2 Structure of photovoltaic power generation system

在此采用核密度估計法，對1 d的光伏出力概率密度函數進行模擬：

式中：n為歷史數據的天數；h為核密度估計的帶寬；Pt，i為光伏出力；i為天數；t為時段。

1.2 分布式風電功率特性分析

風力發電機主要是將風的動能通過風機葉片和內部發電機轉化成電能，分布式風電主要采用大容量的雙饋風力發電機組，具有變速恒頻運行和功率輸出平穩等眾多優點[11]，其結構如圖3所示。

圖3 風力發電機結構Fig.3 Wind turbine structure

相關研究表明，地區的風速規律滿足Weibull分布函數[12]：

式中：f（v）為Weibull分布函數；v為風速，m/s；v0為風機所處的位置參數；k，c分別為威布爾的形狀參數、尺度參數。

風力發電機輸出功率Pw與風速v的關系為

式中：Pe為額定功率；k1，k2為形狀系數；vci，vco，vr分別為風機風速的切入值、切出值和額定值。

結合式（1）和式（2），可得風機功率的概率密度函數表達式，即

2 計及分布式電源的配電網電壓波動分析

電壓波動是指電壓幅值的一系列規律性的或隨機性的變化，它是由一系列電壓方均根值變化引起的，可以由電壓方均根值曲線兩相鄰的電壓極值之差與額定電壓的百分比來表示[13]，即

配電網電壓與網絡潮流分布相關，當配電網各節點的負荷大小或分布式電源的有功功率發生變化時，就會引起配電網各節點發生電壓波動[14]。

含分布式電源配電網的等效電路如圖4所示。圖中，SN為無限大系統，UN為母線額定電壓。假設該配電網網絡節點數為n，每個節點都有相應的負荷和分布式電源，如果該節點無分布式電源接入時，則將該節點的分布式電源功率設為0，配電網饋線

k的等值阻抗為Rk+jXk，節點k的負荷功率、分布式電源功率分別為PLk+jQLk和PDGk+jQDGk，則可得總負荷功率和總分布式電源功率為

其中

式中：SNTk為節點k所帶配變的額定容量；αk為無功損耗占比；βk為有功損耗占比；φ1，φ2分別為負荷、分布式電源的功率因數。

圖4 含分布式電源配電網等效電路Fig.4 Equivalent circuit of distribution network with distributed power supply

僅由分布式電源DG造成的節點k的電壓波動為

式中：λ為分布式電源DG輸出功率與其額定功率的比值。

假設配電網中饋線的型號均是相同的，導線單位長度的等值阻抗為R+jX，則可得抗阻比KZ為

忽略系統電源側的母線系統阻抗，則可得節點k的短路容量為

結合式（13）?式（15），可得

根據式（16）的電壓波動計算公式可以知道，分布式電源接入配電網后造成的配電網節點電壓波動與分布式電源輸出功率的波動大小、節點短路容量值、功率因數以及抗阻比等因素有關，而配電網饋線的阻抗角一般情況下保持恒定，分布式電源的功率因數也為一個相對穩定的值，因此分布式電源接入配電網后造成的配電網電壓波動閾值情況主要與分布式電源輸出功率的變化和節點短路容量值的大小有關。

3 配電網電壓波動仿真分析

3.1 配電網電壓波動仿真模型

在此，利用PSCAD/EMTDC 電力系統仿真軟件，對分布式電源接入后的配電網電壓波動情況進行了相應的仿真分析[15]，配電網仿真模型以某地區配電網為例，其結構如圖5所示，選取該地區的某典型日下的分布式光伏和風電出力情況如圖6所示。

3.2 不同分布式電源容量下的電壓波動

分布式電源在配電網的并網位置選為節點10，改變分布式電源的接入容量，仿真得到的500 kW，1000 kW，1500 kW容量下的配電網電壓波動情況見表1，1000 kW容量的分布式光伏、分布式風電分別在2 s 并網，此時并網節點10的電壓波動如圖7所示。

圖5 配電網系統結構Fig.5 Distribution network system structure

圖6 分布式電源功率曲線Fig.6 Power curves of distributed power supply

表1 不同容量下電壓波動Tab.1 Voltage fluctuation under different capacity

圖7 配電網節點10 電壓波動仿真Fig.7 Voltage fluctuation simulation of node 10 in distribution network

由表1和圖7的仿真結果可知，分布式電源接入配電網后會使配電網電壓波動增大，分布式電源并網瞬間的電壓波動情況最嚴重，離并網點越遠，節點受到的電壓波動越小，分布式電源并網所在節點的波動情況最嚴重，且分布式電源接入的容量越大，其造成的配電網電壓波動也越大；在相同并網容量下，分布式風電造成的電壓波動要比分布式光伏更大。

為獲得分布式電源容量與配電網電壓波動大小的關系，保持分布式電源并網位置不變，改變分布式電源的容量大小，計算得到的配電網電壓波動結果及使用高斯擬合函數進行擬合后的結果如圖8所示，擬合函數表達式分別為

圖8 配電網電壓波動計算結果及擬合曲線Fig.8 Calculation results and fitting curve of distribution network voltage fluctuation

3.3 不同并網位置下的電壓波動分析

配電網各節點的短路容量與其所在位置相關。為研究不同短路容量下，即不同并網位置下的電壓波動情況，在此選取節點2，6，10為分布式電源的并網節點，分布式電源的容量為1000 kW，利用所建立的配電網電壓波動仿真模型進行仿真計算，獲得的各節點電壓波動結果見表2，配電網節點2，6，10的短路容量按從大到小排序為節點2，6，10。

表2 不同并網位置下電壓波動情況Tab.2 Voltage fluctuation at different grid connection positions

由表可知，分布式電源在配電網的并網位置對配電網電壓波動有較大的影響，分布式電源并網位置的短路容量越大，則由分布式電源并網引起的電壓波動越小，配電網節點離并網位置越遠，其電壓波動越小，因此在設計分布式電源在配電網的并網位置時，應選擇短路容量較大的位置，以減小分布式電源并網造成的影響。

4 結語

在分析分布式電源并網對配電網電壓波動的影響原理的基礎上，利用PSCAD/EMTDC 仿真軟件對配電網在分布式光伏和分布式風電作用下的電壓波動情況進行仿真計算，結果表明，分布式電源接入配電網后會使配電網電壓波動增大，分布式電源并網瞬間的電壓波動情況最嚴重，分布式電源并網所在節點的波動情況最嚴重，離并網點越遠，節點受到的電壓波動越小，且接入的容量越大，造成的電壓波動越大；在相同并網容量下，分布式風電造成的電壓波動比分布式光伏的大，分布式電源在配電網的并網位置對配電網電壓波動有較大的影響，并網位置的短路容量越大，并網引起的電壓波動越小，該研究成果可為分布式電源的發展及配電網安全穩定運行提供有效的理論參考和技術指導。