光伏電源接入對配電網(wǎng)電壓的影響研究

張 昕魏立明

(吉林建筑大學(xué),吉林 長春 130119)

隨著電網(wǎng)中光伏滲透率的提高,光伏系統(tǒng)對配電網(wǎng)電壓的影響逐漸增加,因此,研究光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)對配電網(wǎng)電壓的影響性能,促進(jìn)光伏電源和電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行,具有十分重要的實(shí)用價(jià)值[1-2]。針對光伏發(fā)電并網(wǎng)對配電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的影響,目前已有一些文獻(xiàn)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[3]針對光伏電源并網(wǎng)后線路電壓的變化情況,對單個(gè)和多個(gè)光伏電源并網(wǎng)后的電壓變化進(jìn)行了公式推導(dǎo)。文獻(xiàn)[4]分析了分布式發(fā)電接入對配電網(wǎng)電壓的影響,并提出了利用分布式發(fā)電提高配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度的措施。文獻(xiàn)[5]考慮諧波、電壓波動(dòng)與閃變等問題,研究了多個(gè)光伏電源接入點(diǎn)和配電網(wǎng)之間的交互影響。文獻(xiàn)[6]研究了風(fēng)力、光伏發(fā)電等不同新能源發(fā)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量問題,并給出了切實(shí)的思路和方案。本文從理論和實(shí)際算例仿真兩個(gè)方面闡述與驗(yàn)證了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)對配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓分布以及并網(wǎng)處電壓產(chǎn)生的影響。

1 單個(gè)光伏電源接入對配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響

光伏發(fā)電系統(tǒng)并入配電網(wǎng)后將改變配電網(wǎng)原有結(jié)構(gòu),不但改變配電網(wǎng)潮流流向和大小,其發(fā)電功率的波動(dòng)性還會(huì)影響配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的安全[7-8]。

配電網(wǎng)系統(tǒng)大多為輻射式結(jié)構(gòu),在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí),配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓從首至尾逐漸降低。在光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后,配電網(wǎng)將轉(zhuǎn)變?yōu)橛性淳W(wǎng)絡(luò),結(jié)構(gòu)明顯改變。

圖1為一般低壓配電網(wǎng)系統(tǒng),共有N個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中負(fù)荷Pn+jQn(n=1、2、3...N)為第N個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓為Un(n=1、2、3...N),線路始端電壓為U0,第N個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓為UN,第n條線路與n-1 條線路之間的阻抗為Rn+jXn=ln(r+jx),其中l(wèi)n為2個(gè)節(jié)點(diǎn)間線路的長度,r、x分別為線路單位長度的電阻與電抗,P節(jié)點(diǎn)處(1≤P≤N)接入的光伏容量為PV。

圖1 單個(gè)光伏接入配電網(wǎng)示意

1.1 光伏接入前饋線電壓分布

以功率向負(fù)載方向流動(dòng)為正,并忽略線路損耗。若節(jié)點(diǎn)P未接入光伏電源,由電力系統(tǒng)知識(shí)可得,第m與m-1節(jié)點(diǎn)間的電壓降落為

式中:Um、Um-1分別為圖1所示配電網(wǎng)第m、m-1的電壓,l≤m≤N。

因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)都有負(fù)荷且Pn>0,所以節(jié)點(diǎn)電壓從頭至尾逐漸降低,可推得線路上節(jié)點(diǎn)m處的電壓為

因?yàn)樵谂潆娤到y(tǒng)中負(fù)荷Qn較小且線路電抗較低,忽略負(fù)荷無功的影響,將公式(1)與(2)簡化后可得

1.2 光伏接入后饋線電壓的分布

在節(jié)點(diǎn)P接入光伏電源,位于光伏接入點(diǎn)前的節(jié)點(diǎn)電壓為

觀察公式(5)和公式(4)可以看出,光伏并網(wǎng)后,位于光伏接入點(diǎn)前的節(jié)點(diǎn)電壓將得到一定的提高,而節(jié)點(diǎn)電壓提升的大小不僅與配電網(wǎng)饋線的參數(shù)、負(fù)荷的功率大小相關(guān),還與光伏接入的容量大小和并入的位置相關(guān)。

從公式(5)可以得到,第m與第m-1節(jié)點(diǎn)間的電壓變化為

在節(jié)點(diǎn)P接入光伏電源,位于光伏接入點(diǎn)后面的節(jié)點(diǎn)電壓為:P≤m≤N

其中,P≤m≤N。

第m與第m-1節(jié)點(diǎn)間的電壓變化為

分析公式(8)可以得出,當(dāng)在節(jié)點(diǎn)P接入光伏電源,位于光伏接入點(diǎn)后面的節(jié)點(diǎn)電壓母線電壓逐漸降低。

由以上分析可知,配電網(wǎng)中只并入一個(gè)光伏電源時(shí),會(huì)提升配電網(wǎng)線路各節(jié)點(diǎn)電壓。若改變光伏電源出力大小以及并網(wǎng)位置,配電網(wǎng)線路節(jié)點(diǎn)電壓將有以下3種情況:逐漸降低;先降低后升高,再降低;先升高,再降低。

對于后2種情況,光伏電源接入位置的電壓Up是局部電壓最高點(diǎn),其大小可表示為

這時(shí),若要保證配電網(wǎng)線路上各節(jié)點(diǎn)電壓幅值都滿足運(yùn)行要求,應(yīng)使Up在線路允許的最大電壓偏差范圍之內(nèi),也就是Up要小于最大值。由此可確定線路應(yīng)接入的最大光伏容量以及相應(yīng)的功率因數(shù)從而進(jìn)行有功無功的輸出控制。

2 多個(gè)光伏電源接入對配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響

圖2為傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中接入多個(gè)光伏電源的情況,設(shè)接入的光伏容量為Pvn(n=1,2,3,...,N),若存在節(jié)點(diǎn)未接入光伏發(fā)電,則表示這個(gè)節(jié)點(diǎn)并入的光伏容量Pv=0。

圖2 多個(gè)光伏接入配電網(wǎng)示意

當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)接入光伏電源發(fā)電后,節(jié)點(diǎn)m的電壓為

同上節(jié),在不考慮無功功率的影響時(shí)

由公式(12)可得,若節(jié)點(diǎn)m后接入的全部負(fù)荷小于光伏發(fā)電功率時(shí),配電網(wǎng)的各節(jié)點(diǎn)電壓升高。在光伏電源并網(wǎng)后,配電網(wǎng)潮流分布發(fā)生改變。光伏電源的接入降低了配電網(wǎng)線路上功率的流動(dòng),從而導(dǎo)致配電網(wǎng)線路上節(jié)點(diǎn)電壓大幅升高,甚至出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓越上限的問題。電壓變化的大小與多種因素相關(guān),例如,光伏電源接入容量、實(shí)際發(fā)電功率情況以及光伏電源并網(wǎng)位置等。

3 仿真驗(yàn)證

為檢驗(yàn)光伏電源接入配電網(wǎng)后具體的影響程度,驗(yàn)證上面分析的準(zhǔn)確性,本節(jié)在MATLAB 仿真軟件上搭建IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。測試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 IEEE33節(jié)點(diǎn)測試系統(tǒng)

在此IEEE33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)模型中,設(shè)置系統(tǒng)功率的基準(zhǔn)值SB=10 000 k VA,設(shè)置線電壓的基準(zhǔn)值UB=12.66 k V,系統(tǒng)總有功功率P總=3 715 k W,系統(tǒng)總無功功率Q總=2 300 kvar。設(shè)置母線“0”處為IEEE33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)的理想電源。為研究光伏并網(wǎng)特性,這里假定光伏電源為恒定功率電源,并網(wǎng)不考慮其本身控制。

3.1 光伏輸出功率對配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響

為分析光伏出力變化對配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響,這里分別設(shè)置500 k W、2 000 k W 和4 000 k W的光伏電源并到節(jié)點(diǎn)8號位置。對比不同光伏輸出功率時(shí),IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓分布情況如圖4所示。

圖4 光伏電源不同接入容量對節(jié)點(diǎn)電壓影響

由圖4 可以看出,當(dāng)接入光伏輸出功率為4 000 k W 時(shí),節(jié)點(diǎn)8號母線電壓超過了1.02 pu,可能越上限。隨著光伏輸出功率的增加,各節(jié)點(diǎn)電壓提升的幅度逐漸增加。并且在特殊情況下,光伏接入位置母線電壓會(huì)出現(xiàn)局部峰值,有超越規(guī)定上限的可能。若光伏電源出力大于配電網(wǎng)負(fù)載總和時(shí),光伏接入位置母線電壓以及其周圍母線處的電壓都會(huì)出現(xiàn)電壓越上限的情況,影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 光伏接入位置對配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響

依次在IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)的不同節(jié)點(diǎn)上并入光伏電源,設(shè)置并入的光伏額定容量相同,大小均為1 000 k W,對比不同位置接入光伏電源后配電網(wǎng)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓大小,節(jié)點(diǎn)電壓分布情況如圖5所示。

圖5 光伏電源不同接入點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)電壓影響

由圖5可以發(fā)現(xiàn),線路電壓因?yàn)椴⒕W(wǎng)光伏位置的變化而改變。尤其是將光伏電源接入配電網(wǎng)線路末尾時(shí)(如32節(jié)點(diǎn)處接入,電壓升高近0.05 pu),配電網(wǎng)的電壓升高最為明顯,極易出現(xiàn)電壓越上限問題。為避免電壓越限問題的產(chǎn)生,在光伏電源規(guī)劃時(shí)應(yīng)避免在配電網(wǎng)末端并網(wǎng),而是將光伏電源的并網(wǎng)位置規(guī)劃在配電網(wǎng)中間靠后的線路上,這時(shí)能夠有效利用光伏并網(wǎng)的升壓效果。

4 結(jié)束語

隨著光伏發(fā)電在電網(wǎng)中接入的比例逐年遞增,電力系統(tǒng)對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性也提出了更高的要求。本文對光伏發(fā)電并網(wǎng)后有功功率和無功功率對電壓偏差的影響機(jī)理進(jìn)行了分析,并對光伏電源并網(wǎng)后配電網(wǎng)電壓越限機(jī)理進(jìn)行了研究,得出了不同情況下光伏電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)電壓的影響規(guī)律,為合理設(shè)置光伏電源的運(yùn)行方式,提升配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量提供了理論基礎(chǔ)。