光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響研究

葛曉慧 ，趙 波

（1.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014 2.浙江省分布式電源和微網(wǎng)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310014）

0 引言

并網(wǎng)光伏電源為分布式發(fā)電方式，其工作特點(diǎn)是將光伏電池陣列產(chǎn)生的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電之后再并入交流電網(wǎng)[1]。光資源分布及太陽光輻射變化的不均衡性、隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性等特點(diǎn)導(dǎo)致了并網(wǎng)光伏電源的輸出具有不確定性，可調(diào)可控性差。此外，光伏電源接入配電網(wǎng)后改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的輻射狀結(jié)構(gòu)，在饋線末端出現(xiàn)電源，引起了配電網(wǎng)絡(luò)中的潮流改變，從而改變了系統(tǒng)電壓分布[2]，對(duì)配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性帶來不利影響。如某大區(qū)電網(wǎng)的重負(fù)荷區(qū)內(nèi)安裝大量光伏電源時(shí)，因區(qū)域內(nèi)的日照特性基本相同，當(dāng)日照出現(xiàn)突變時(shí)，光伏電源功率減少將導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)功率缺額，若該缺額很大，則可能對(duì)地區(qū)電壓質(zhì)量甚至電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

本文在仿真平臺(tái)上建立了典型配電網(wǎng)絡(luò)，并在其薄弱線路末端接入光伏電源，然后分別從光伏滲透率、線路長度、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)荷水平以及是否裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置等方面，研究并網(wǎng)光伏電源對(duì)典型配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響，并就提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定給出了相關(guān)建議。

1 仿真條件

1.1 并網(wǎng)光伏電源結(jié)構(gòu)

并網(wǎng)光伏電源由光伏電池陣列和并網(wǎng)逆變器組成，將光伏電池陣列產(chǎn)生的直流電饋送給交流電網(wǎng)，其能量的傳遞與變換方式通過逆變器實(shí)現(xiàn)，可以采用單級(jí)、雙級(jí)或多級(jí)等多種電路結(jié)構(gòu)。目前，主流的光伏電源并網(wǎng)一般采用雙級(jí)結(jié)構(gòu)[3-4]，先通過DC/DC變換器升壓，再通過DC/AC逆變器變換并網(wǎng)，其等效電路如圖1所示。

圖1 并網(wǎng)光伏電源等效電路

1.2 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

仿真采用某實(shí)際地區(qū)典型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總負(fù)荷為139.033+j45.698 MVA，主網(wǎng)架為10kV等級(jí)，光伏電源通過該等級(jí)并入。選取典型網(wǎng)架中負(fù)荷重、線路長、單端供電的一條薄弱架空線路為研究對(duì)象（如圖2所示），該線路上共有7個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，負(fù)荷合計(jì)為7.5+j2.47 MVA。并網(wǎng)光伏電源模型采用雙級(jí)結(jié)構(gòu)[5]，接在該薄弱線路末端，容量依滲透率的不同而定。仿真中將考慮不同線路長度（4 km，8 km，12 km）、不同負(fù)荷組成（動(dòng)態(tài)負(fù)荷比例為30%和60%）、不同光伏電源滲透率（10%和30%）以及線路上補(bǔ)償電容投切時(shí)，光伏電源出力變化（t=1 s時(shí)，從額定輸出突變到零輸出）對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定所造成的影響。

2 系統(tǒng)仿真及分析

2.1 線路長度不同的情況

設(shè)定動(dòng)態(tài)負(fù)荷比例為60%，光伏電源滲透率為30%，配電線路上未裝設(shè)補(bǔ)償電容。仿真結(jié)果如圖3-5所示。

圖3 線路長度為12 km時(shí)的線路末端電壓

圖4 線路長度為8 km時(shí)的線路末端電壓

圖5 線路長度為4 km時(shí)的線路末端電壓

從仿真結(jié)果可以看出，配電線路長度不同時(shí)，因光照變化導(dǎo)致的光伏電源出力改變對(duì)配電線路的電壓影響也不同。線路越短，光伏電源對(duì)配電線路的穩(wěn)態(tài)電壓提升作用越明顯，出力變化后的電壓跌落越不明顯，電壓恢復(fù)期間的震蕩幅度越小。這是因?yàn)楣夥娫吹某隽ψ兓瘯?huì)對(duì)接入線路的電壓造成影響，但由于主網(wǎng)的存在，這種影響的幅度有限。線路越短，饋線上的電壓分布受主網(wǎng)電壓的鉗制作用越明顯，因而當(dāng)光伏電源出力變化時(shí)，線路上的電壓變化也就越不明顯。

2.2 動(dòng)態(tài)負(fù)荷水平不同的情況

仿真中，保持配電線路長度為12 km，光伏電源的滲透率為30%，配電線路上未裝設(shè)補(bǔ)償電容。仿真結(jié)果如圖6-7所示。

由仿真結(jié)果可以看出，動(dòng)態(tài)負(fù)荷比例越高，光伏電源出力變化后配電線路末端電壓的抖動(dòng)越劇烈。當(dāng)配電線路上的動(dòng)態(tài)負(fù)荷比例增高，尤其是異步電動(dòng)機(jī)增加后，光伏電源出力變化引起的電壓波動(dòng)將更加劇烈，極端情況下甚至可能導(dǎo)致光伏電源接入點(diǎn)或配電網(wǎng)絡(luò)的電壓失穩(wěn)。

圖6 動(dòng)態(tài)負(fù)荷比例為60%時(shí)線路末端電壓

圖7 動(dòng)態(tài)負(fù)荷比例為30%時(shí)線路末端電壓

2.3 光伏電源滲透率不同的情況

滲透率（Penetration Percentage）是指分布式光伏電源安裝容量與上一級(jí)變壓器額定容量或其接入線路的最大輸送容量的比值。仿真中，保持線路長度為12 km，線路負(fù)荷中的動(dòng)態(tài)負(fù)荷比例保持為60%，線路上未裝設(shè)補(bǔ)償電容。仿真結(jié)果如圖8-9所示。

圖8 光伏電源滲透率為30%時(shí)線路末端電壓

圖9 光伏電源滲透率為10%時(shí)線路末端電壓

由仿真結(jié)果可知，光伏電源自身的滲透率是影響配電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的重要因素之一。當(dāng)光伏電源滲透率較高時(shí)，對(duì)接入點(diǎn)和接入線路的穩(wěn)態(tài)電壓提升作用較為明顯，但是當(dāng)天氣因素發(fā)生變化引起光伏電源出力出現(xiàn)較大抖動(dòng)時(shí)，配電線路上的電壓波動(dòng)將更為明顯。因此，當(dāng)光伏電源大規(guī)模接入配電網(wǎng)時(shí)，必須對(duì)該問題給予足夠重視并采取相應(yīng)的控制方案，以保證配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 配電線路是否裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置的情況

仿真中，線路長度保持為12 km，動(dòng)態(tài)負(fù)荷比例保持為60%，光伏電源的滲透率保持為30%。仿真結(jié)果如圖10-11所示。

圖10 配電線路上無補(bǔ)償電容時(shí)線路末端電壓

圖11 配電線路末端裝設(shè)2 Mvar補(bǔ)償電容時(shí)末端電壓

由仿真結(jié)果可以看出，補(bǔ)償電容的接入將使配電線路末端的電壓有所提高，光伏電源因光照變化導(dǎo)致出力變化時(shí)，線路末端電壓的振蕩幅度有所減小，但效果并不明顯。這是因?yàn)樵谏鲜雠潆娋€路中，與電壓穩(wěn)定性關(guān)系較大的動(dòng)態(tài)負(fù)荷的比例較高，因此，補(bǔ)償電容的接入只能對(duì)電壓的靜態(tài)穩(wěn)定性有幫助。當(dāng)系統(tǒng)因光伏電源出力變化進(jìn)入動(dòng)態(tài)過程時(shí)，補(bǔ)償電容對(duì)于電壓穩(wěn)定性的作用并不明顯，電壓穩(wěn)定性仍主要取決于動(dòng)態(tài)負(fù)荷的比例。

3 結(jié)論

光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定影響的研究，通過對(duì)比不同線路長度、負(fù)荷組成、光伏滲透率以及線路補(bǔ)償電容器的投切與否等多種情況，得到以下結(jié)論：

（1）光伏接入的配電網(wǎng)線路越長、動(dòng)態(tài)負(fù)荷比例越高、光伏電源滲透率越高，光伏電源出力變化對(duì)配電線路電壓的影響越大。

（2）進(jìn)行光伏電源接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況進(jìn)行電壓穩(wěn)定性校驗(yàn)和分析。

（3）因光伏電源出力變化引起系統(tǒng)電壓動(dòng)態(tài)變化時(shí)，投切線路上的補(bǔ)償電容對(duì)穩(wěn)定系統(tǒng)暫態(tài)電壓的作用不明顯。

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