分布式光伏電源對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響分析

朱林， 付東， 翟建偉， 陳達(dá)

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引 言

光伏發(fā)電出力會(huì)隨著天氣變化及晝夜交替而發(fā)生波動(dòng)，其不確定性和間歇性給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)了一系列的挑戰(zhàn)。尤其是，當(dāng)大量光伏電源接入低壓配電網(wǎng)后，會(huì)帶來(lái)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)、閃變、越限等問(wèn)題[1-5]。因而，含光伏接入的配電網(wǎng)電壓特性非常值得重點(diǎn)關(guān)注。

目前，在光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)電壓影響的相關(guān)領(lǐng)域已有了相對(duì)豐富的成果。文獻(xiàn)[6]沿用類似思路比較了光伏電源接入前后配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓降落情況。但上述工作中所涉及的場(chǎng)景局限在配電網(wǎng)常規(guī)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，較少涉及配電網(wǎng)的復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、實(shí)際運(yùn)行條件。文獻(xiàn)[7-8]以實(shí)際高密度分布式屋頂光伏園區(qū)配電系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用OpenDSS軟件分析不同滲透率下光伏發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電壓幅值的影響，但缺乏在線路阻抗、負(fù)荷容量等因素上的對(duì)比分析。

與此同時(shí)，也有學(xué)者[9]考慮了分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響，從分布式發(fā)電的容量、接入位置說(shuō)明對(duì)電網(wǎng)電壓的影響，并提出變壓器的分接頭調(diào)整、電容器調(diào)節(jié)等應(yīng)對(duì)方案[10]，然而卻忽略了配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行條件與所具備的實(shí)際調(diào)節(jié)能力，方案較難實(shí)施。

盡管上述研究工作均能緊密圍繞光伏發(fā)電所引起的節(jié)點(diǎn)壓降計(jì)算，但分析方法和采用的分析模型相對(duì)簡(jiǎn)單，僅從鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)中的單點(diǎn)接入情況進(jìn)行外推，所采用的大量理想化條件較難滿足配電網(wǎng)的實(shí)際情況。因而，難以全面把握光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)電壓降落的影響并量化影響因素的作用程度，也難以獲得考察光伏接入配電網(wǎng)的規(guī)律認(rèn)識(shí)。

本文針對(duì)含光伏接入的配電網(wǎng)，提出了基于疊加原理的電壓特性分析方法，將配電網(wǎng)任意點(diǎn)電壓降落分解為配電網(wǎng)母線引起的電壓降落和光伏電源接入引起的電壓降落兩部分，并分別展開(kāi)討論分析。方法有良好的適應(yīng)性，可用于多個(gè)光伏電源接入、配電網(wǎng)復(fù)雜拓?fù)涞葓?chǎng)景。在此基礎(chǔ)上，為了方便分析光伏電源對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)電壓分布的主要影響因素，依據(jù)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行方式，又進(jìn)一步提出了電壓降落的簡(jiǎn)化分析模型，并在此實(shí)用化模型基礎(chǔ)下，分析了各種影響因素并總結(jié)了作用規(guī)律。大量的仿真表明了本方法的有效性。

1 光伏電源對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓影響

在之前的研究中，通常是將光伏電源視為功率等價(jià)的負(fù)負(fù)荷，通過(guò)對(duì)比光伏并網(wǎng)前后節(jié)點(diǎn)壓降變化，從而分析光伏電源所引起的配電網(wǎng)中任意點(diǎn)電壓降落情況[11-12]。該方法盡管可以顯式表達(dá)光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)所引起的節(jié)點(diǎn)壓降，但也存在下述問(wèn)題：首先，將光伏電源視為等價(jià)的負(fù)負(fù)荷，因而配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓僅由系統(tǒng)電源單獨(dú)作用,這樣將難以抽取出光伏電源對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)電壓分布的全部影響因素;其次，當(dāng)有多個(gè)光伏電源接入時(shí)，易與多個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷交織混合在一起，難以推導(dǎo)配電網(wǎng)任意點(diǎn)上的電壓降落情況，甚至可能無(wú)法分析出多個(gè)光伏電源對(duì)配電網(wǎng)任意點(diǎn)電壓的影響過(guò)程，不利于總結(jié)相應(yīng)的作用規(guī)律；最后，該方法能較好適應(yīng)輻射狀配網(wǎng)，但較難適應(yīng)T接、環(huán)網(wǎng)等接線方式以及多分布式電源并網(wǎng)情況。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出利用疊加定理，討論光伏電源及系統(tǒng)電源共同作用下配電網(wǎng)任意點(diǎn)電壓降落的分析方法。在后續(xù)分析中是將光伏看作獨(dú)立供電電源，因而可將含分布式光伏電源的配電網(wǎng)可理解為多電源網(wǎng)絡(luò)。研究光伏接入后配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓變化情況，就可以等同在原有系統(tǒng)電源單獨(dú)作用的基礎(chǔ)上，加入光伏電源對(duì)配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的作用，即研究光伏接入對(duì)配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)影響時(shí)，將系統(tǒng)電源進(jìn)行接地處理，消除其他電源的影響。這樣可有效地揭示出光伏電源對(duì)電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)影響的具體過(guò)程，同時(shí)也可以顯式推導(dǎo)出光伏電源接入前后節(jié)點(diǎn)電壓的變化情況。

在本文中，將光伏電源采用電流源來(lái)建模[13-14]。當(dāng)有多個(gè)光伏電源接入配網(wǎng)中時(shí)，由疊加原理可知：考慮系統(tǒng)電源的作用，則將光伏電源開(kāi)路處理；單獨(dú)分析某個(gè)光伏電源的影響，則需要將系統(tǒng)電源接地，其他光伏電源開(kāi)路；最后需要對(duì)所有電源的作用進(jìn)行綜合，將單獨(dú)考慮電源作用下所獲得的電壓進(jìn)行加和，即可獲得配電網(wǎng)任意節(jié)點(diǎn)的電壓。

對(duì)于考察分布式光伏電源接入配電網(wǎng)引起節(jié)點(diǎn)電壓變化時(shí)，本方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)單一光伏電源影響過(guò)程的獨(dú)立分析，有效消除電源間的相互影響，可提示影響電壓特性變化的主要因素。同時(shí)，也簡(jiǎn)化了在整個(gè)配電網(wǎng)中的分析過(guò)程，對(duì)于配電網(wǎng)的組網(wǎng)形式、具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并沒(méi)有特別要求，易于從簡(jiǎn)單的輻射狀接線方式擴(kuò)展到其他較為復(fù)雜的接線方式。

2 分布式光伏電源對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響

2.1 單一光伏電源接入配電網(wǎng)

圖1 鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)模型

針對(duì)單一光伏電源接入，且節(jié)點(diǎn)數(shù)為M的常規(guī)鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)，如圖1所示。根據(jù)本方法，分析配電網(wǎng)任意一點(diǎn)m的電壓降落ΔUm，可有：

1)配電網(wǎng)系統(tǒng)電源單獨(dú)作用情況

在系統(tǒng)電源作用下，可認(rèn)為系統(tǒng)母線電壓為額定電壓UN。因此，對(duì)于配電網(wǎng)任意一點(diǎn)m的電壓降落ΔUm1，可表示為：

(1)

式中：Pn和Qn為第n節(jié)點(diǎn)處的有功負(fù)荷和無(wú)功負(fù)荷;Rk=rklk，Xk=xklk，rk、xk、lk分別為第k段線路的單位電阻值，單位電抗值及長(zhǎng)度。

2)光伏電源單獨(dú)作用情況

圖2 單光伏電源接入鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)模型

設(shè)光伏接入點(diǎn)為q，接入容量為PVq+jQVq。當(dāng)光伏電源單獨(dú)作用時(shí)，系統(tǒng)電源視為短路，即配電網(wǎng)母線進(jìn)行接地處理，如圖2所示。

在q點(diǎn)接入光伏電源后，其有功、無(wú)功出力直接改變了接入點(diǎn)的負(fù)荷。同時(shí)，對(duì)于接入點(diǎn)之前、后的各個(gè)節(jié)點(diǎn)所引起的電壓降落，需要分別討論。

當(dāng)m位于光伏接入點(diǎn)q之前，由光伏電源接入引起的電壓降落ΔUm_qf為：

(2)

式中:PVq和QVq為q點(diǎn)接入光伏的有功功率和無(wú)功功率。

當(dāng)m位于光伏接入點(diǎn)q之后，由光伏電源接入引起的電壓降落ΔUm_qb為：

(3)

3)綜合作用情況

根據(jù)本方法，利用疊加原理獲得配電網(wǎng)任意節(jié)點(diǎn)的電壓，需要對(duì)所有電源的作用進(jìn)行綜合，即將系統(tǒng)電源單獨(dú)作用下和光伏電源單獨(dú)作用下所獲得的電壓進(jìn)行加和處理。

綜上，配電網(wǎng)任意一點(diǎn)m，受其與光伏接入點(diǎn)位置的影響，m點(diǎn)上的電壓降落ΔUm可整理為：

(4)

2.2 多光伏電源接入配電網(wǎng)

圖3 多光伏電源接入鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)模型

設(shè)光伏接入點(diǎn)分別為q1,q2…,qj，容量分別為PVi+jQVi,(i=q1,q2…,qj)，如圖3所示。

根據(jù)本方法，利用疊加原理獲得配電網(wǎng)任意節(jié)點(diǎn)電壓的步驟與2.1節(jié)的一致。只是在考慮光伏電源作用時(shí)，需要根據(jù)光伏電源的數(shù)量，輪流考慮單個(gè)作用和其他光伏電源開(kāi)路的情況。

根據(jù)上述討論，易于推導(dǎo)在此場(chǎng)景下配電網(wǎng)任意一點(diǎn)m的電壓降落ΔUm：

式中:i=1,2,…;j由式(1)～式(3)決定。

2.3 光伏電源接入復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配電網(wǎng)

圖4 多光伏電源接入干線式配電網(wǎng)模型

圖5 光伏電源接入環(huán)狀式配電網(wǎng)模型

如圖4、圖5所示配電網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但對(duì)其分析電壓降所采用的方法和實(shí)施步驟卻與前文類似：首先，對(duì)所有光伏電源斷路處理，分析僅含系統(tǒng)電源下任意點(diǎn)的電壓降落ΔUm1；然后，對(duì)系統(tǒng)電源接地處理，逐一分析每個(gè)光伏電源對(duì)系統(tǒng)任意點(diǎn)引起的電壓降落ΔUm_i,i=1,2,…,q，q為配電網(wǎng)接入光伏電源總個(gè)數(shù)；最后，對(duì)所有電源的作用進(jìn)行綜合，即可獲得任意點(diǎn)相對(duì)于配電網(wǎng)母線電壓的電壓降落。

從上文可看出，本方法可較好體現(xiàn)光伏發(fā)電所引起的節(jié)點(diǎn)壓降，實(shí)施步驟清晰且易于掌握，對(duì)配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒(méi)有特殊要求，易于擴(kuò)展應(yīng)用。但所獲得的電壓降落公式依然相對(duì)復(fù)雜，尤其是隨著光伏電源接入點(diǎn)的顯著增多，節(jié)點(diǎn)壓降的分段討論將日益復(fù)雜，在實(shí)際配電網(wǎng)中的應(yīng)用受到限制。因而，作者嘗試在本節(jié)工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合配電網(wǎng)典型運(yùn)行方式、電氣參數(shù)等特征，在下一節(jié)中探討實(shí)用分析模型。

3 光伏電源接入對(duì)電壓降落的影響因素分析

以圖1所示系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)配電網(wǎng)母線電壓標(biāo)幺值為1.05 pu，線路初始型號(hào)為L(zhǎng)GJ-70，單位長(zhǎng)度阻抗值為(0.481+j0.413)Ω/km，線路上含有7個(gè)節(jié)點(diǎn)，2個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離為0.05 km，每個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗的有功功率均為10 kW。

3.1 單光伏電源接入

圖6為30 kW光伏電源分別接入節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)3，節(jié)點(diǎn)5，節(jié)點(diǎn)7及未接入任何節(jié)點(diǎn)時(shí)各節(jié)點(diǎn)電壓變化曲線。

圖6 節(jié)點(diǎn)電壓隨光伏電源接入點(diǎn)變化曲線

由圖6可以看出，光伏電源接入有提升各節(jié)點(diǎn)電壓的作用。有光伏電源接入時(shí)，無(wú)論光伏接入點(diǎn)在何處，各節(jié)點(diǎn)的電壓均高于光伏發(fā)電未接入時(shí)的電壓；光伏電源接入點(diǎn)的不同對(duì)電壓提升的效果也不同，接入位置越接近線路末端，對(duì)電壓提升效果越大，會(huì)容易出現(xiàn)電壓越限。

圖7為光伏電源接入節(jié)點(diǎn)5時(shí)，各節(jié)點(diǎn)電壓隨光伏出力的變化曲線。

圖7 節(jié)點(diǎn)電壓隨光伏電源出力變化曲線

由于光伏電源出力的不同，沿線電壓呈現(xiàn)三種變化趨勢(shì)。當(dāng)光伏出力為0 kW和7.5 kW時(shí)，沿線電壓逐漸下降；當(dāng)光伏出力為15 kW和22.5 kW時(shí)，沿線電壓先下降后上升再下降；當(dāng)光伏出力為30 kW時(shí)，沿線電壓先上升后下降。由圖7可以看出，出力較大的光伏電源對(duì)各節(jié)點(diǎn)的電壓提升明顯，其中對(duì)接入點(diǎn)節(jié)點(diǎn)5的電壓提升效果最為顯著，也最容易出現(xiàn)電壓越限。對(duì)于光伏電源接入節(jié)點(diǎn)，也有類似結(jié)論。

圖8為光伏電源接入節(jié)點(diǎn)5，采用四種不同線路型號(hào)，各節(jié)點(diǎn)電壓變化曲線。

圖8 節(jié)點(diǎn)電壓隨線路型號(hào)變化曲線

由圖8可以看出，電氣距離的變化直接影響電壓降落。當(dāng)線路采用型號(hào)LGJ-70，相對(duì)于型號(hào)YJV22-240,線路的單位阻抗變大，節(jié)點(diǎn)間電氣距離增大，此時(shí)在光伏接入點(diǎn)電壓提升最明顯，在接入點(diǎn)及其附近的節(jié)點(diǎn)會(huì)容易出現(xiàn)電壓越限。

3.2 多光伏電源接入

以3.1節(jié)仿真場(chǎng)景為例，重點(diǎn)研究多光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響情況。圖9為各節(jié)點(diǎn)接入光伏出力相同時(shí)的節(jié)點(diǎn)電壓曲線。

圖9 光伏電源出力相同時(shí)各節(jié)點(diǎn)電壓

調(diào)整光伏電源的出力，當(dāng)各節(jié)點(diǎn)接入20 kW光伏時(shí)，末端電壓為1.110 5 pu，出現(xiàn)電壓越限；當(dāng)各節(jié)點(diǎn)接入13.5 kW光伏時(shí)，末端電壓為1.071 9 pu，達(dá)到電壓上限值。因此，為了防止線路末端出現(xiàn)電壓越限，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多接入13.5 kW的光伏；當(dāng)各節(jié)點(diǎn)接入10 kW光伏時(shí)，與節(jié)點(diǎn)負(fù)荷相等，因此各節(jié)點(diǎn)的電壓均為1.050 0 pu，各節(jié)點(diǎn)的消耗剛好由本節(jié)點(diǎn)接入的光伏提供。多光伏電源總出力的增大，容易使線路末端節(jié)點(diǎn)電壓越限。

隨機(jī)設(shè)置各節(jié)點(diǎn)上的光伏出力，進(jìn)行模擬光伏電源的不確定性。圖10為光伏總出力由28 kW增大到140 kW時(shí)沿線各節(jié)點(diǎn)電壓分布圖。

圖10 光伏電源出力各節(jié)點(diǎn)電壓

由圖10可以看出，當(dāng)光伏電源總輸出小于70 kW時(shí)，沿線電壓呈下降趨勢(shì)，線路末端電壓最低；當(dāng)總輸出大于70 kW時(shí)，沿線電壓呈上升趨勢(shì)，線路末端電壓最高；隨著光伏電源總出力增加，線路的最大電壓值會(huì)顯著變大。

對(duì)于分布式光伏電源接入場(chǎng)景，光伏電源出力大于限定值后，線路末端節(jié)點(diǎn)容易出現(xiàn)電壓越限。因而，可以采用該限定值作為配電網(wǎng)光伏電源的極限接入容量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于疊加定理的電壓特性分析方法，分析了分布式光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響機(jī)理，并提出了忽略配電網(wǎng)無(wú)功功率及線路電抗的電壓特性分析實(shí)用化模型。通過(guò)大量仿真得知，光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)電壓具有提升效果，光伏接入點(diǎn)越靠近線路末端，光伏接入容量越大,對(duì)電壓的提升效果越顯著；減小節(jié)點(diǎn)間的電氣距離具有維持配電網(wǎng)沿線電壓穩(wěn)定的效果；當(dāng)多光伏電源接入配電網(wǎng)時(shí)，限制接入容量能夠有效地抑制電壓越限。通過(guò)理論分析及仿真驗(yàn)證了所述結(jié)論的合理性。