分布式光伏接入配電網(wǎng)對電壓分布的影響

郭鵬超，楊秀，張美霞，劉雋

(1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海200090；2.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海200437)

分布式光伏接入配電網(wǎng)對電壓分布的影響

郭鵬超1，楊秀1，張美霞1，劉雋2

(1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海200090；2.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海200437)

位于負(fù)荷中心的分布式光伏電源對配電網(wǎng)線路的電壓分布有重大影響，在考慮無功負(fù)荷和線路電抗影響的前提下，首先經(jīng)過理論計算和仿真驗證，說明了單個分布式光伏(PV)對線路電壓分布的影響與其接入位置和注入容量有很大關(guān)系；當(dāng)多個PV接入時，不同容量組合和位置接入對電壓分布的影響也不同。然后計算得出隨接入位置的改變，PV的最大可接入容量不同，最后用仿真的方式說明了在PV接入點并聯(lián)電抗器補償或通過逆變器控制可以防止PV的接入所引起的電壓越限問題。

分布式光伏；配電網(wǎng)；電壓越限；電抗器補償；逆變器控制

目前以大機組、大電網(wǎng)、高電壓為特征的單一式供能系統(tǒng)占全世界供能系統(tǒng)的90%以上，但是由于能源枯竭和環(huán)境問題，環(huán)保高效、靈活的分布式發(fā)電方式已經(jīng)被世界各國所重視[1]。例如德國的“10萬個太陽能屋頂計劃”和美國的“百萬太陽能屋頂計劃”[2]的實施等，我國2012年發(fā)布的《中國的能源政策(2012》、由國家能源局公布的《太陽能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》、國家電網(wǎng)公司2012年10月出臺的《關(guān)于做好分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)服務(wù)工作的意見》等文件或政策的頒布與實施，為分布式光伏發(fā)電項目的發(fā)展打開電網(wǎng)支持“綠燈”。2013年8月，發(fā)改委頒布了新的分布式光伏補貼政策，2014年1月，能源局下發(fā)關(guān)于下達2014年光伏發(fā)電年度新增建設(shè)規(guī)模的通知，指出2014年新增備案總規(guī)模14 GW中分布式為8 GW。

通過上述政策整理可以看出，國家對分布式光伏支持力度非常大，分布式光伏項目的收益率已具備較強的吸引力。

分布式光伏電源(Generated Photovoltaic，PV)是指在配電網(wǎng)層面接入的光伏電源，PV以電力電子裝置接入到配電網(wǎng)，一般以單位功率因數(shù)運行，不參與接入點電壓調(diào)節(jié)[3]，PV的接入可能導(dǎo)致接入點出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象[4-5]，因此，為了避免過電壓，有必要研究PV接入配網(wǎng)線路后引起線路電壓的變化以及限制PV的接入容量等。文獻[6]以不同的運行方式分析了最大負(fù)荷和最小負(fù)荷情況下的光伏最大接入容量；文獻[7]基于恒電流負(fù)荷模型和恒電流DG穩(wěn)態(tài)模型，對含有DG的放射狀配網(wǎng)的電壓分布、DG的可行接入位置以及注入容量限制進行了理論探討，文獻[8-10]分別從不同的角度計算了分布式電源的準(zhǔn)入功率極限。

本文將以10 kV單饋線配網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例，在考慮無功負(fù)荷和線路電抗影響的前提下，分析單個與多個分布式光伏電源接入配網(wǎng)后對電壓分布的影響，并計算特定配網(wǎng)結(jié)構(gòu)下PV可接入的最大接入容量，最后對改善電壓分布的措施做簡要仿真分析。

1 分布式光伏電源對線路電壓分布的影響

配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型較多，我國城鄉(xiāng)大多數(shù)的配電系統(tǒng)仍以放射狀鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)為主。配網(wǎng)中的負(fù)荷種類繁多，為便于研究，本文將采用恒功率模型來表示饋線上各節(jié)點的負(fù)荷。

本文配網(wǎng)采用如圖1所示的17節(jié)點輻射狀配網(wǎng)圖，電壓基準(zhǔn)值為10 kV，線路阻抗數(shù)據(jù)和節(jié)點負(fù)荷數(shù)據(jù)則采用IEEE33節(jié)點標(biāo)準(zhǔn)模型中對應(yīng)節(jié)點和線路的數(shù)據(jù)[11]。線路首端0節(jié)點作為平衡節(jié)點，電壓標(biāo)幺值設(shè)為PSD-BPA最大允許限值，即1.052，且恒定不變，線路第i節(jié)點的電壓為Ui(i=1，2，3，…，17)，節(jié)點i與節(jié)點i－1之間線路阻抗為Ri+jXi，節(jié)點i處的負(fù)荷容量為Pi+Qi，負(fù)荷和分布式光伏電源均采用恒功率模型。

圖1 單個分布式光伏電源接入10 kV線路的負(fù)荷分布

本文使用PSD-BPA電力系統(tǒng)仿真工具，將17節(jié)點配網(wǎng)阻抗數(shù)據(jù)和節(jié)點負(fù)荷數(shù)據(jù)輸入，進行潮流計算后，可得總的線路損耗值為0.009 MW，而已知配網(wǎng)負(fù)荷容量為1.51 MW，因此線路損耗所占負(fù)荷容量比例極小，本文的理論分析將忽略損耗對計算的影響。

定義有功功率和無功功率向負(fù)載方向流動為正值，反之為負(fù)值。根據(jù)電力系統(tǒng)基礎(chǔ)知識可得，PV接入前，節(jié)點i和節(jié)點i－1之間的電壓降如式(1)所示[11]。

由于用戶消耗的有功功率Pn和無功功率Qn均大于0，故ΔUi<0，Ui

式中：U0為線路初始端電壓。

1.1 單個分布式光伏電源接入的情況

設(shè)PV在節(jié)點m處接入配網(wǎng)，容量為PV，運行功率因數(shù)為1.0。當(dāng)負(fù)荷節(jié)點i位于PV接入點前時，即0

當(dāng)式(3)中ΔUi>0時，Ui－Ui－1>0，可求得結(jié)果如式(4)所示：

由式(3)可以求得節(jié)點i的電壓如式(5)所示：

由式(5)和式(2)比較可知，光伏電源接入后對饋線各節(jié)點電壓有一定的提升作用，提升幅度與線路參數(shù)、節(jié)點負(fù)荷容量、PV發(fā)電容量及其接入位置有關(guān)。

當(dāng)負(fù)荷節(jié)點i位于光伏接入點之后時，即m

由式(6)和式(1)比較可得，當(dāng)負(fù)荷節(jié)點位于PV接入點之后時，兩節(jié)點的電壓差未發(fā)生變化，但由于光伏接入點m的電壓被抬高，因此，PV接入點之后的節(jié)點電壓均被抬高，電壓分布趨勢與PV接入前相同，呈下降趨勢。

綜上所述，設(shè)光伏接入點為m，在線路初始端電壓保持不變的前提下，單個PV接入后，隨著PV出力的逐漸增加，線路電壓變化趨勢如下：

1.2 多個分布式光伏電源接入的情況

設(shè)節(jié)點i處接入光伏容量為PVi，與式(4)類似，PV接入配網(wǎng)系統(tǒng)后，節(jié)點i處的電壓如式(7)所示：

節(jié)點i與節(jié)點i－1之間的電壓差如式(8)所示：

由式(8)可得，當(dāng)ΔUi<0時，即節(jié)點i的電壓低于節(jié)點i－1的電壓，反之，節(jié)點i的電壓高于節(jié)點i－1的電壓。

綜上所述，多個PV接入配網(wǎng)后的電壓分布與各節(jié)點接入PV的發(fā)電容量、線路參數(shù)和各節(jié)點的負(fù)荷容量有關(guān)，電壓分布情況應(yīng)視具體情況而定。

1.3 分布式光伏最大接入容量

(1)單個分布式光伏電源接入配網(wǎng)的情況

在所選的10 kV配網(wǎng)模型中，由于線路首端電壓已經(jīng)確定為最大允許限值，即U0=1.052，且恒定不變，因此在式(5)中，應(yīng)使Ui≤U0，可得結(jié)果如式(9)所示：

由式(9)即可求得各節(jié)點PV可接入的最大容量，由于0.95≤Ui≤1.052，i=1，2，…17，這里做Ui=1近似處理，因此可求得各節(jié)點PV可接入的最大容量的近似結(jié)果如式(10)所示：

由式(10)和線路以及節(jié)點參數(shù)便可求得配網(wǎng)線路中各節(jié)點PV可接入的最大容量，可以看出不同節(jié)點可接入PV的最大容量是不同的。

(2)多個分布式光伏電源接入配網(wǎng)的情況

由式(7)可得，要使Ui≤U0，節(jié)點i處的PV接入容量需滿足式(11)：

由式(11)可以看出，當(dāng)多個PV接入配網(wǎng)時，各節(jié)點PV可接入的最大容量不僅與線路和節(jié)點參數(shù)有關(guān)，還與其它節(jié)點接入PV的容量有關(guān)，因此，節(jié)點i處的光伏電源最大接入容量應(yīng)根據(jù)具體情況而定。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 單個分布式光伏電源接入配網(wǎng)的情況

已知10 kV配網(wǎng)線路電抗和節(jié)點負(fù)荷數(shù)據(jù)，可求得配網(wǎng)模型的容量為1.686 MVar。由式(9)和線路及節(jié)點參數(shù)可計算得到單個PV在不同位置接入時的最大可接入容量，結(jié)果如表1所示，表中CP(Capacity Penetration)為PV的容量滲透率，即PV的接入容量占配網(wǎng)負(fù)荷容量的比例[12]，PVmax為節(jié)點的PV最大可接入容量。

為驗證計算結(jié)果，本文采用PSD-BPA仿真工具，在節(jié)點4、9、17處分別按表2數(shù)據(jù)接入分布式光伏，表中的“接入容量2”即為表1中對應(yīng)節(jié)點PV的最大可接入容量，仿真結(jié)果如圖2、圖3、圖4所示。

????????????????????? 4 9 17????1/MW(???/%)0.100(5.93)????2/MW(???/%)0.600(35.59)1.000(59.31)0.828(49.11)????3/MW(???/%)0.900(53.38)????4/MW(???/%)1.653(98.04)1.273(75.50)1.700(100.83)1.300(77.11)1.900(124.56)1.500(88.97)1.000(59.31)

圖2 在節(jié)點4處接入分布式光伏的電壓分布

圖3 在節(jié)點9處接入分布式光伏的電壓分布

圖4 在節(jié)點17處接入分布式光伏的電壓分布

(1)PV的接入對電壓分布的影響分析

由仿真結(jié)果圖2、圖3、圖4可以看出，隨著PV接入容量的增加，饋線的電壓分布出現(xiàn)了三種趨勢：1)逐漸降低；2)先降低再升高再升高；3)先升高再降低。在趨勢2)和3)中，PV接入點成為系統(tǒng)的局部電壓最高點。

(2)PV可接入最大容量分析

在圖2、圖3、圖4中，當(dāng)接入點PV的容量為最大可接入容量時，接入點的電壓與首端電壓相等，均達到配網(wǎng)線路的最大允許限值；當(dāng)接入點PV的容量大于最大可接入容量時，已有部分節(jié)點電壓越限，仿真結(jié)果與計算結(jié)果完全吻合。

2.2 多個分布式光伏電源接入配網(wǎng)的情況

本文選擇節(jié)點11和15作為PV接入點，PV接入容量為1.041 MW，滲透率為61.74%，通過不同容量組合來分析多個PV接入配網(wǎng)后對電壓分布的影響，接入容量組合如表3所示，由PSD-BPA仿真所得電壓分布如圖5所示。

?????????????????????/CP(MW/%) ??11 ??15??1 0.100(5.93) 0.941(55.81)??2 0.300(17.79) 0.741(43.95)??3 0.600(35.59) 0.441(26.15)

圖5 兩節(jié)點不同容量組合接入的電壓分布曲線

由圖5可以看出，當(dāng)節(jié)點11處PV容量為0.100 MW、節(jié)點15處接入PV容量為0.941 MW時，饋線部分節(jié)點電壓已經(jīng)越限。而當(dāng)節(jié)點11處PV容量為0.600 MW、節(jié)點15處接入PV容量為0.441 MW時，各節(jié)點電壓均沒有越限情況。

因此可以得出結(jié)論：多個PV同時接入配網(wǎng)時，當(dāng)相同PV總?cè)萘坎蛔兊那闆r下：(1)不同的PV容量組合接入饋線對電壓分布的影響不同；(2)靠近饋線末端的PV接入容量越大，靠近饋線首端的PV最大可接入容量就會偏小，反之，靠近饋線首端的PV最大可接入容量較大。

3 改善電壓分布的措施

在實際運行中，光伏電源運行出力是隨機的，不可能一成不變，當(dāng)光照較強或負(fù)荷容量較低時，就有可能導(dǎo)致接入點甚至周圍節(jié)點的電壓越限，因此有必要采取措施來改善PV接入后的電壓分布。常規(guī)的調(diào)壓方式一般包括發(fā)電機調(diào)壓，同步補償機、電容器組、并聯(lián)電抗器和靜止補償器調(diào)壓，變壓器調(diào)壓[13]等。

本文將采用PV接入點電抗器補償和逆變器控制的方式分析單個PV接入配網(wǎng)時對線路電壓分布影響的改善措施，多個光伏電源接入時可采取類似的措施。

3.1 電抗器補償

本文以節(jié)點9為例，來說明采用電抗器補償?shù)姆绞娇梢杂行Х乐闺妷涸较?。在?jié)點9接入PV容量為1.500 MW(滲透率為88.97%)，電抗器補償容量為2.00 MVar前后的電壓分布曲線對比如圖6。

由圖6可以看出，在PV接入點處并聯(lián)一定容量的電抗器，可以防止接入點電壓越限甚至使節(jié)點電壓恢復(fù)至接入光伏電源之前的狀態(tài)。

圖6 在節(jié)點9處接入PV和電抗器前后電壓分布曲線

3.2 逆變器控制

當(dāng)逆變器輸出有功功率一定，可以通過調(diào)整逆變器的有功輸出來調(diào)整接入點電壓，本文以節(jié)點9為例，PV發(fā)電容量為1.5 MW(滲透率為88.97%)，功率因數(shù)為超前，逆變器不同功率因數(shù)運行時的電壓分布曲線如圖7所示。

圖7 定有功輸出，逆變器調(diào)節(jié)功率因數(shù)時的電壓分布曲線

由圖7可以看出，當(dāng)逆變器以超前功率因數(shù)0.7運行時，線路電壓分布最接近于PV接入前狀態(tài)，但此時逆變器的輸出功率已達到2.14 MVA，即此種運行方式需要較大容量的逆變器。

當(dāng)逆變器容量一定時，可以通過調(diào)節(jié)逆變器的有功和無功輸出來調(diào)整接入點電壓，仍以節(jié)點9為例，逆變器容量為1.5 MVA，功率因數(shù)為超前，逆變器不同功率因數(shù)運行時的電壓分布如圖8所示。

圖8 逆變器容量一定，調(diào)節(jié)功率因數(shù)時的電壓分布曲線

由圖8可以看出，當(dāng)逆變器以超前功率因數(shù)0.7運行時，線路電壓分布最接近于PV接入前狀態(tài)，但此時逆變器有功輸出為1.05 MW，無功輸出為1.07 MVar，此時改善電壓分布是以損失有功輸出為代價的。

4 結(jié)論

分布式光伏電源接入配網(wǎng)后，會對配網(wǎng)線路的電壓分布產(chǎn)生影響，甚至導(dǎo)致電壓越限現(xiàn)象，本文通過理論分析和仿真驗證的方式，得出以下結(jié)論：

(1)單個PV接入配網(wǎng)，隨著PV容量的增加，線路電壓分布趨勢呈現(xiàn)逐漸降低、先降低后升高再降低以及先升高再降低三種趨勢；

(2)單個PV接入配網(wǎng)，越靠近饋線首端，可接入的PV容量越大。當(dāng)一定容量的光伏電源接入配網(wǎng)可能導(dǎo)致接入點電壓越限時，建議將PV接入靠近饋線首端的位置；

(3)多個PV接入配網(wǎng)，不同容量組合接入時，為減小PV的接入對饋線電壓分布的影響，可將較小容量PV接入靠近饋線末端節(jié)點，將較大容量PV接入靠近饋線首端節(jié)點；

(4)PV接入點并聯(lián)電抗器補償或通過逆變器控制可以防止由于PV的接入引起的電壓越限問題，并改善PV接入配網(wǎng)的電壓分布。

[1]康珍.高滲透率下光伏電源并網(wǎng)電能質(zhì)量問題及其交互影響研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2011.

[2]栗寶卿.促進可再生能源發(fā)展的財稅政策研究[D].北京：財政部財政科學(xué)研究所，2010.

[3]CARRASCO J M,FRANQUELO L G,BIALASIEWICZ J T,et al.Power-electronic systems for the grid integration of renewable energy sources：a survey[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2006,53(4):1002-1016．

[4]BARKER P.Over voltage considerations in applying distributed resources on power systems[J].IEEE,2002(1):109-114.

[5]CONTI S,RAITI S,TINA G,et al.Study of the impact of PV generation on voltage profile in LV distribution networks[C]//2001 IEEE Porto Power Technology Conference.Porto，Portugal：IEEE，2001．

[6]Arne Faaborg POVLSEN ELSAM A/S.Impact of power penetration from photovoltaic power systems in distribution networks[R].Fredericia，Den mark：IEA，2002．

[7]王志群，朱守真，周雙喜，等.分布式發(fā)電接入位置和注入容量限制的研究[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2005，17(1)：53-58.

[8]胡驊，吳汕，夏翔，等.考慮電壓調(diào)整約束的多個分布式電源準(zhǔn)入功率計算[J].中國電機工程學(xué)報，2006，26(19)：13-17.

[9]黃偉，熊軍，徐祥海，等.考慮配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的分布式電源準(zhǔn)入功率極限計算[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31(14)：43-46，56.

[10]范元亮，趙波，江全元，等.過電壓限制下分布式光伏電源最大允許接入峰值容量的計算[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36(17)：40-44.

[11王守相，王成山.現(xiàn)代配電系統(tǒng)分析[M].北京：高等教育出版社，2007.

[12]QUEZADA V H M,ABBAD J R,ROM'AN T G S.Assessment of energy distribution losses for increasing penetration of distributed generation[J].IEEE Transactions on Power Systems,2006,21(2):533-540.

[13]端家生.發(fā)電機對電網(wǎng)電壓的調(diào)壓分析[J].南京工程學(xué)院學(xué)報，2003，1(3)：28-32.

Influence of distribute photovoltaic access to distribution network on voltage profile

GUO Peng-chao1,YANG Xiu1,ZHANG Mei-xia1,LIU Jun2
(1.College of Electric Power Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China;
2.Electric Power Research Institute of SG Shanghai Electric Power Company,Shanghai 200437,China)

The distribute photovoltaic located at load center has significant impact on feeders'voltage profile.Considering the reactive power and line reactance,after theoretical calculation and simulation,it is proved that the influence of distribution PV access to distribution network on voltage profile has great relationship with its access position and injection capacity;when there are multiple PV access to distribution network,the influence on voltage profile is different when combined capacity and location are different.Then the maximum alternative capacity at each node was calculated.Al last,it is illustrated through simulation that shunt reactor at PV node and inverter controlling can solve the voltage violation problem.

distribute photovoltaic;distribution network;voltage violation;reactor compensation;inverter controlling

TM 615

A

1002-087 X(2016)08-1660-05

2016-01-25

郭鵬超(1990—)，男，河南省人，碩士，主要研究方向為分布式光伏對配網(wǎng)的影響。