光伏發(fā)電接入對(duì)配電網(wǎng)電壓分布特征影響研究

王建波， 李艷， 程遠(yuǎn), 張志華

(1. 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710100；2. 西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著全球氣候變暖和能源危機(jī)問(wèn)題的日益突出，發(fā)展綠色可再生能源已成為解決能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的有效途徑和必然趨勢(shì)[1-3]。目前，光伏發(fā)電已成為可再生能源的典型代表，但新能源的廣泛并網(wǎng)發(fā)電又會(huì)打破傳統(tǒng)電網(wǎng)的單相輻射供電模式，甚至出現(xiàn)潮流逆流，產(chǎn)生光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓超標(biāo)的現(xiàn)象[4]。研究光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)線路電壓分布特征的影響，可以對(duì)典型的電壓越限、末端節(jié)點(diǎn)電壓較低和電壓質(zhì)量不合格等問(wèn)題提出合理的解決措施。文獻(xiàn)[5]針對(duì)配電網(wǎng)中引入分布式發(fā)電后對(duì)線路損耗的影響，從電力系統(tǒng)電壓降落的角度分析了光伏并網(wǎng)的影響公式。文獻(xiàn)[6]從光伏發(fā)電并網(wǎng)的滲透率大小角度，闡述了光伏并網(wǎng)對(duì)配網(wǎng)饋線電壓的影響。

本文從線路電壓損耗方面出發(fā)，對(duì)單個(gè)光伏發(fā)電和多個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)造成的線路電壓分布情況進(jìn)行了理論分析，以此來(lái)指導(dǎo)滿足電壓偏差時(shí)光伏發(fā)電接入的合理容量和合理并網(wǎng)地點(diǎn)，最后運(yùn)用電力系統(tǒng)專業(yè)軟件PSCAD仿真驗(yàn)證了理論的正確性，證明此次研究可以為光伏發(fā)電的合理規(guī)劃提供依據(jù)。

1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)方式分為：專線接入和T接接入。T接接入方式較靈活，方便執(zhí)行，而且相對(duì)專線接入方式較經(jīng)濟(jì)，所以本文選擇T接接入方式，將光伏非但系統(tǒng)接入110/10 kV等級(jí)的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，其并網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

10 kV電壓等級(jí)的系統(tǒng)可接入的光伏容量范圍為400 kW～6 MW，接入方式有單點(diǎn)接入和多點(diǎn)接入兩種，主要以三相形式并網(wǎng)。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏陣列通過(guò)整流電路(DC/AC)電路并網(wǎng)，逆變過(guò)程最關(guān)鍵的是逆變電路的控制環(huán)節(jié)，將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉弦蟮墓ゎl交流電。本文采用恒功率(PQ)解耦控制策略，使光伏發(fā)電系統(tǒng)為配電網(wǎng)提供恒定的有功功率P。PQ解耦控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，可通過(guò)設(shè)置Pref和Qref的值來(lái)控制注入電網(wǎng)的功率。

圖2 PQ解耦控制結(jié)構(gòu)圖

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)分析

圖3為單個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)饋線線路的負(fù)荷分布的簡(jiǎn)化模型。假設(shè)線路上分布有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，第m個(gè)節(jié)點(diǎn)的視在功率為Pm+jQm(m=1,2,…,N)。式中：Pm為有功功率，MW。圖3中，線路首端的電壓規(guī)定為U0，線路上第m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓規(guī)定為Um(m=1,2,…,N)，第m-1和m節(jié)點(diǎn)之間的線路阻抗為Rm+jXm=lm(r+jx)。式中：lm為節(jié)點(diǎn)m-1和節(jié)點(diǎn)m之間的線路距離長(zhǎng)度;r為單位電阻;x為單位電抗;PV為節(jié)點(diǎn)P接入的光伏容量，0～N為線路節(jié)點(diǎn)的編號(hào)。

圖3 單個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入饋線示意圖

從光伏發(fā)電系統(tǒng)接入與參考節(jié)點(diǎn)n的相對(duì)位置兩種情況對(duì)光伏并網(wǎng)后的電壓分布特征進(jìn)行分析。

(1)0

(1)

式中：lk為光伏接入點(diǎn)到線路首端的距離，其中k為1～n的變量。中低壓配電系統(tǒng)中，線路負(fù)荷的功率因數(shù)cosφ很高，但線路的電抗X值相對(duì)較小,分布式電源功率因數(shù)一般介于0.9～1.0之間。所以，可以忽略光伏電源無(wú)功功率QV和負(fù)荷無(wú)功功率Qm的影響，將式(1)簡(jiǎn)化為：

(2)

由式(2)可知，光伏電源接入系統(tǒng)后的Un值大于光伏電源接入前的值，由此可以說(shuō)明光伏并網(wǎng)可以提升線路電壓，并且電壓被提升的程度與r、Pm、PV以及l(fā)k直接關(guān)聯(lián)。相鄰兩節(jié)點(diǎn)間的電壓差ΔUn為：

(3)

(2)節(jié)點(diǎn)n的范圍為p

(4)

兩節(jié)點(diǎn)間電壓降ΔUn為：

(5)

當(dāng)n點(diǎn)位于并網(wǎng)點(diǎn)P之后時(shí)，相鄰節(jié)點(diǎn)間的電壓損耗與光伏電源并網(wǎng)前一致，但由于光伏電源已接入系統(tǒng)，整條線路電壓都會(huì)升高。

從單個(gè)光伏并網(wǎng)對(duì)電壓分布特征的影響分析中可得到多個(gè)光伏電源并網(wǎng)時(shí)的電壓分布特征，Un、ΔUn的表達(dá)式如式(6)、式(7)所示：

(6)

(7)

從以上分析可得以下結(jié)論：①光伏電源并網(wǎng)前，潮流方向由線路始端流向末端，沿潮流方向電壓幅值逐漸減小；②單個(gè)PV(Photovoltaic)電源并網(wǎng)后，會(huì)提升線路電壓幅值；線路參數(shù)和負(fù)荷大小一定時(shí)，電壓提高幅度主要由光伏容量PV和接入位置lk決定，PV越大，lk越大，電壓幅值被提升越高，PV大小決定并網(wǎng)點(diǎn)是否會(huì)出現(xiàn)局部極大電壓，lk決定局部極大電壓出現(xiàn)的區(qū)域；③多個(gè)PV電源接入線路后，對(duì)整條線路電壓的提升效果更加明顯。

3 PSCAD建模仿真計(jì)算分析

參照?qǐng)D1的光伏并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在PSCAD/EMTDC仿真軟件中建立光伏并網(wǎng)仿真模型，L1、L2、L3、L4是4條架空線路，線路長(zhǎng)度l=12 km，節(jié)點(diǎn)N=12，將線路均勻等分為12份，相鄰兩節(jié)點(diǎn)間架空線路長(zhǎng)度為1 km，線路呈現(xiàn)感性[7]。線路各參數(shù)如下：電阻r1=0.21 Ω/km;r0=0.36 Ω/km;感抗x1=0.398 Ω/km;x0=1.433 Ω/km;電納b1=2.862 μs/km;b0=1.812 μs/km;變壓器T為110 kV/10.5 kV的降壓變壓器；10 kV的配電線路上接入負(fù)荷的總?cè)萘繛镾=4.62 MVA;功率因數(shù)cosφ=0.9；規(guī)定線路始端電壓U0=1.05 pu。

對(duì)光伏接入容量、接入位置和接入方式3個(gè)方面進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果如下：

1)不同接入位置

將容量P=4 MW、功率因數(shù)cosφ=1的單個(gè)光伏電源(滲透率為86.9%)并網(wǎng)進(jìn)行仿真，處理數(shù)據(jù)可得到如圖4所示的結(jié)果。

圖4 負(fù)荷節(jié)點(diǎn)接入4 MW PV后的電壓分布

線路未接入光伏DG時(shí)，從始端到末端線路電壓逐漸降低，在線路末端12節(jié)點(diǎn)電壓降到0.973 pu。4 MW光伏電源接入各個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)后，可有效改善末端節(jié)點(diǎn)電壓偏低的情況，并且隨著并入的位置越靠近線路末端，線路電壓被提升的程度越明顯，在并網(wǎng)點(diǎn)還會(huì)形成一個(gè)局部最大電壓。在接入節(jié)點(diǎn)2、4、6、8、10時(shí)，被提升的電壓幅值都在電壓偏差允許范圍內(nèi)。但接入在末端12節(jié)點(diǎn)時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓已達(dá)到1.05 pu。

2)不同接入容量

選定其中一條饋線的中間節(jié)點(diǎn)6，將容量P=0 MW、2 MW、4 MW、6 MW、8 MW、10 MW的光伏電源依次并網(wǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，處理數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。

圖5 不同容量PV并網(wǎng)線路電壓分布圖

從圖5可知，饋線電壓被提升的程度還由接入光伏DG的容量決定，隨接入光伏容量的逐漸增加，上游電壓從下降狀態(tài)變?yōu)樯仙隣顟B(tài)，并網(wǎng)點(diǎn)下游電壓呈下降狀態(tài)，但饋線電壓整體被提升，改善了饋線末端電壓偏低的現(xiàn)象。接入DG容量為6 MW時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓達(dá)到1.05 pu，接入DG容量為8 MW和10 MW時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓分別為1.066 pu和1.08 pu，超出了電壓允許的偏差上限，因此，光伏并網(wǎng)還應(yīng)充分考慮DG的并網(wǎng)容量。

3)多個(gè)光伏分散接入

將總?cè)萘縋總=4 MW光伏分散接入到線路，接入方式如表1所示。

表1 P總=4 MW的光伏分散接入方式

按表1中的接入方式分別進(jìn)行仿真計(jì)算，得到圖6所示的結(jié)果。

圖6 4 MW分散接入電壓分布

將總?cè)萘縋總=6 MW的光伏分散并入到線路。接入方式如表2所示。

表2 P總=6 MW的光伏分散接入方式

按表2中的接入方式分別進(jìn)行仿真計(jì)算，得到如圖7所示的電壓分布結(jié)果。

圖7 6 MW分散接入對(duì)比圖

由圖6可知，P總=4 MW光伏的3種分散接入情況都可以提升饋線電壓，其中接入節(jié)點(diǎn)1～4的情況對(duì)電壓的提升效果最小，接入節(jié)點(diǎn)9～12對(duì)電壓提升效果最好，但存在末端電壓越限的情況，當(dāng)接入節(jié)點(diǎn)5～8時(shí)，饋線電壓被提升效果較理想。圖7所示為6 MW光伏依次接入2、4、6、8、10、12節(jié)點(diǎn)和6個(gè)1 MW光伏同時(shí)接入相同節(jié)點(diǎn)所得到的結(jié)果，分散接入的方式使線路電壓分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)局部電壓極大值，供電電壓平穩(wěn)，有效地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

在此基礎(chǔ)之上，本文給出了光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同接入情況下，配電網(wǎng)公共母線電壓的變化特征，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)PCC母線電壓變化情況

由圖8可知，在不同光伏接入容量以及不同接入位置等多工況因素下，系統(tǒng)母線電壓整體處于正常范圍內(nèi)。當(dāng)PV>4 MW時(shí)，母線電壓VPCC隨著光伏接入位置靠近線路尾部而逐漸下降，當(dāng)PV<4 MW時(shí)，母線電壓VPCC隨著光伏接入位置靠近線路尾部逐漸升高。當(dāng)光伏容量P=3～4 MW，在線路7～11 km并網(wǎng)時(shí)，PCC點(diǎn)電壓VPCC可以達(dá)到1.05 pu。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)穩(wěn)態(tài)情況下單個(gè)和多個(gè)光伏并網(wǎng)后配網(wǎng)饋線電壓的分布特征進(jìn)行了理論分析，結(jié)合PSCAD仿真分析可得到以下結(jié)論：

(1)光伏并網(wǎng)可有效改善線路末端電壓過(guò)低的現(xiàn)象，會(huì)提升線路電壓，其并網(wǎng)位置lk和并網(wǎng)容量PV決定饋線電壓被提升的程度。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)靠近線路末端或光伏并網(wǎng)容量較大時(shí)，會(huì)在并網(wǎng)點(diǎn)形成局部最大電壓，導(dǎo)致電壓越限。

(2)相同容量的光伏電源，分散接入線路比集中接入的效果好，線路整體電壓更加穩(wěn)定，并且不容易出現(xiàn)電壓越限的情況。集中并網(wǎng)方式下，并網(wǎng)點(diǎn)靠近線路末端較靠近線路首端時(shí)對(duì)線路電壓的提升效果好。

(3)光伏接入電網(wǎng)時(shí)應(yīng)充分考慮接入容量和接入位置，防止并網(wǎng)點(diǎn)及其周圍節(jié)點(diǎn)電壓越限。光伏發(fā)電系統(tǒng)在多工況下接入電網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)側(cè)母線電壓幅值有波動(dòng)，但會(huì)穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)。