光伏電源接入故障配電網的電壓分布研究

張 瑞

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南 232001）

0 引言

光伏發電作為一種優質的可再生能源，和傳統的化石能源相比，具有在基礎設施建設完畢后物資投入少，對環境幾乎沒有污染，易于接入配電系統等優點。雖然在發電設施基數較小時，光伏發電受到天氣、時段的影響較大，但是我國的陸地面積極其廣闊，與之對應的就是數量眾多的光伏發電基站和豐富的太陽能資源，不會因為某一地區的天氣問題而導致光伏發電量波動過大。得益于地域優勢，我國的光伏電源發展前景十分樂觀，對于改善當下的能源消耗結構具有重大意義。

文獻[1]分析了DG（分布式電源）接入對配電網電壓分布的影響，研究了利用DG提高配電網電壓穩定裕度的方法；文獻[2]提出配電網系統中的有功功率和無功功率不平衡時，DG自身可以對系統提供一定的無功補償；文獻[3]體現了DG出力和負荷的時變性，引入約束條件對模型進行優化，最終得出配電網中的DG和補償電容器的最優參數；文獻[4]把有功功率網損作為目標函數進行尋優，得出光伏電源提供一定的無功補償可以減少配電網的功率損耗；文獻[5]研究了PV節點類型的分布式電源分別改變容量和接入點位置后配電網的電壓分布，并進行仿真實驗，得到了配電網電壓波動的運行規律；文獻[6-7]在配電網諧波電壓和諧波電流方面考慮了DG不同接入位置和容量的影響；文獻[8-10]分析了電網背景諧波和含分布式光伏的配電網諧波之間的相互作用。

1 故障時電壓波動

配電網發生故障的初始網絡狀態如圖1所示，各項參數皆參照IEEE 33標準節點，節點5接入有功容量為400 kW的光伏電源。分段開關以實線表示，聯絡開關以虛線表示，支路3—23發生永久性故障，已經斷開，已經導致負荷23—25非故障停電。

比較故障發生前后的電壓分布，電壓大小以標幺值表示。如圖2所示，實線為故障發生后，虛線為故障發生前，可以看出，負荷節點23、24、25失電后，各節點電壓均小幅上升。

2 分布式電源接入

傳統配電網不接入分布式電源時潮流是單向流動的，為單電源輻射式拓撲，潮流隨著傳輸距離逐漸減小；接入分布式電源后網絡拓撲結構將會發生質變，從單電源輻射系統變為雙電源供電，甚至是多電源多負荷互聯系統，而且接入位置、方式和容量的不同選擇都會使得潮流流向更加難以確定。

配電網的電壓分布由電力系統電源容量和負荷所決定，當配電網的輸入電源功率和負荷改變時，其各節點電壓必定會發生電壓波動或產生偏差。由于氣候變化和時間因素，光伏電源所依賴的太陽能具有較大波動性和不可操控性，因此光伏電源無法像常規電源那樣保持在穩定出力狀態。但是在仿真過程中暫時不考慮光伏電源出力的時變性，而是將光伏電源視為有功容量恒定的一個PV節點接入系統。通過分析配電網系統中分布式電源接入情況下的網絡節點電壓分布，得到分布式電源接入方式、容量和位置等因素對于配網系統的影響。最直觀的觀測量就是最大電壓降，最大電壓降越小，系統穩定性越好。

式中：ΔU為最大電壓偏移；U為初始節點電壓；U（i）為第i個節點電壓。

2.1 DG接入點與故障點的距離

探究DG接入點與故障發生點的距離對最大電壓降的影響。光伏電源的有功容量為400 kW，功率因數為0.85，分別接入5節點、13節點及33節點。對比每種情況下的電壓分布情況。

如圖3和圖4所示，實線為5節點接入分布式電源，虛線為13節點接入分布式電源，點線為33節點接入分布式電源。

當接入節點距離始端較近時，對于整體的配電網節點電壓影響較小，支撐效果不明顯；但是接入節點距離末端過近時，系統會近似形成雙電源供電系統，使得支撐電壓過高。33節點接入分布式電源時，末端幾個節點電壓明顯升高，且越靠近末端影響越明顯。當接入的光伏電源容量逐漸增大到一定程度時，末端節點電壓甚至可能率先越過規定的電壓上限。且接入33節點時系統最大電壓降的標幺值為0.075 p.u.，電壓最低值出現在18節點，遠低于其他情況，末端節點又遠高于正常情況，電壓波動非常不穩定。

當光伏電源接入配電網中間區域即仿真中的13節點時，系統最大電壓降的標幺值相對于接入33節點的情況下降了0.003 6 p.u.，且未出現在同一節點，而是分別位于18和33節點。接入中間區域時擁有一定的支撐效果，配電網系統更加穩定。

可以看出DG接入點離首端較近時，對各節點電壓的影響較小；光伏電源并網位置接近末端節點時，對各節點電壓的提升幅度較大。接入節點選擇配電網的中間區域較為合適。

2.2 DG容量的影響

光伏電源的較大容量代表著高滲透率分布式電源。在功率因數不變的情況下，將分布式電源容量擴大到兩倍，即功率因數依然是0.85，有功容量變為800 kW，探究容量大小對各節點電壓的影響程度。如圖5所示，虛線為加大一倍容量后的電壓分布。

可以發現光伏電源的出力大小對節點電壓有著較為明顯的影響。光伏電源容量越大，也就是光伏電源滲透率越高時，節點電壓提升幅度越大。容量加倍后最大電壓降的標幺值由0.078 p.u.下降為0.074 p.u.。

2.3 功率因數對電壓分布的影響

當光伏逆變器控制原理不同時，光伏電源的功率因數將會有所改變，下面研究功率因數改變時對配電網電壓分布的影響。分別將功率因數為0.6、0.8和1.0的光伏電源接入節點5，并且為了增大差異，將有功容量統一改為1 200 kW。如圖6所示，點畫線為0.6功率因數，實線為0.8功率因數，虛線為1.0功率因數。

由仿真結果可以得出，DG的功率因數對于配電網的電壓分布雖然有影響，但即便是在DG容量增大且功率因數相差較大的前提下，各節點電壓的波動幅度依然十分微小。同時，節點電壓隨著功率因數的降低而逐漸升高，這是由于隨著功率因數的減小，有功容量不變的光伏電源輸出的無功功率逐漸增加，節點電壓逐漸提高。

2.4 多光伏電源接入

現實情況中配電網接入的DG往往不止一個，需要研究光伏電源集中并網與分散接入對電壓分布的影響。仿真實驗中單個接入節點5的光伏有功容量依然是400 kW。然后將容量均分，同時把3個有功容量為133.3 kW的光伏電源接入配電網中。接入位置分別是節點4、節點12、節點32，得到電壓分布變化曲線，并與初始潮流情況相比較。

如圖7所示，實線為單一接入節點5，虛線為分散接入3個節點。

可以看出，同等容量和相同運行方式的配電網系統，光伏電源分多節點接入要比單節點接入的電壓支撐效果更好，系統的最大電壓降標幺值由0.078 p.u.降為0.073 p.u.，配電網也更穩定。

3 結論

通過以上仿真結果可以得出結論：同等容量下光伏電源的功率因數改變對配電網的電壓波動影響較小。對于已經發生故障而導致部分負荷失電的配電網系統，在系統的中間區域分散接入若干個滲透率較高的分布式電源能起到一定的支撐作用，使配電網系統更加穩定。