光伏并網(wǎng)引起主動配電網(wǎng)電壓越限問題研究

0 引言

近年來，傳統(tǒng)化石能源日益枯竭，氣候環(huán)境危機加重，為應(yīng)對持續(xù)增長的電力負荷和能源短缺問題，以光伏、風電、生物能為代表的分布式電源以其清潔、靈活的發(fā)電方式已經(jīng)逐漸廣泛接入配電網(wǎng)[1]。隨著新能源裝機容量迅速增長，配電網(wǎng)從無源系統(tǒng)變?yōu)橛性聪到y(tǒng)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和潮流運行發(fā)生了巨大的變化，其可靠性面臨巨大的挑戰(zhàn)。分布式電源的大量接入和高度滲透，使配電網(wǎng)成為一個電力分配和交換網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)智能化是解決分布式電源與配電網(wǎng)的集成問題，提高配電網(wǎng)供電質(zhì)量和運行效率的必由之路。

光伏發(fā)電作為一種可再生能源，正由大型集中并網(wǎng)向分布式并網(wǎng)發(fā)展。集中式并網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜，不利于控制，所消耗的經(jīng)濟成本非常大，不適用于一般的小型電網(wǎng)；但是分布式并網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比集中式并網(wǎng)較為容易，便于控制，占地面積小，所用的花費也相比于集中式少[2]。分布式光伏并網(wǎng)接入到主動配電網(wǎng)中，雖然節(jié)約了成本，提高了效率；但是也存在一些比較常見的問題，比如分布式光伏出力的隨機性和波動性與電網(wǎng)負荷不平衡時會加大配電網(wǎng)調(diào)壓的難度，且電路中存在大量電力電子開關(guān)器件，會產(chǎn)生諧波污染，還會引起一些潮流分布的影響和電壓的分布影響，尤其是引起電壓越限[3]。中低壓配電變壓器無帶載調(diào)壓能力，光伏系統(tǒng)接入電網(wǎng)后，用電高峰期可為配電網(wǎng)運行提供支撐，減輕負荷壓力，一旦出現(xiàn)光伏系統(tǒng)出力較高而負荷較低時，同時會出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象。

1 分布式光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)可靠性的影響

近年來，以光伏為代表的分布式電源以其清潔、靈活的發(fā)電方式逐漸廣泛接入配電網(wǎng)。當光照足夠強烈或負荷較低時，分布式光伏的輸出將使并網(wǎng)點和周圍節(jié)點的電壓超過限值，甚至引起保護裝置動作將其切出電網(wǎng)。光伏電源的配電網(wǎng)系統(tǒng)由光伏陣列、直流轉(zhuǎn)換器（DC/DC轉(zhuǎn)換器）、逆變器、控制器等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[4]。

圖1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

在理想情況下，傳輸線電壓保持不變，但在遠距離傳輸情況下，線路阻抗使電壓產(chǎn)生畸變，圖2為光伏電源接入后的鏈式配電網(wǎng)。

圖2 鏈式配電網(wǎng)

圖2 中，U0為初始位置電壓，Un、Pn、Qn分別為第n個用戶的電壓、消耗的有功功率和無功功率（n＝1，2，3，…，N），兩個用戶之間的線路阻抗為Rn+jXn＝ln（r+jx），Pv代表第p個用戶接入的光伏容量。兩個用戶之間的電壓差ΔU可表示為

光伏接入前，對普通用戶來說，無功功率Qn和有功功率Pn均大于 0，即 ΔUm＜0，Um＜Um－1，于是，第m個點用戶的電壓為

光伏并網(wǎng)接入時，0＜m＜p，第m個點用戶的電壓可表示為

可得到電壓差

如果所用的電在光伏接入點之后，即p＜m＜N時

由式（6） 知，（m－1） 點始終大于m點的電壓，電壓沿饋線方向降落。

2 光伏逆變器的控制策略

對于配電網(wǎng)來說，阻抗比R/X越大，有功功率越大，會導致電壓越限。從上面的推導可以看出，有功功率越大，電壓差越大，為了防止電壓越限需要大量的無功功率來平衡，但這樣會增大電流，增加線路損耗，必須增加逆變器的容量[5-6]。簡單地利用逆變器的無功功率控制有很大的缺陷。

可以利用有功和無功功率協(xié)調(diào)控制策略，通過有功控制降低電壓，利用逆變器的剩余容量吸收無功功率，既節(jié)省了逆變器容量，又降低了電壓，對消除分布式光伏接入主動配電網(wǎng)引起電壓越限風險具有較高的實用價值。

3 光伏并網(wǎng)引起的主動配電網(wǎng)電壓越限仿真結(jié)果與分析

3.1 影響電壓越限因素的仿真模型

基于以上理論建立影響電壓越限因素的仿真模型，假設(shè)線路為理想線路，即只存在有功，不存在無功。通過仿真分析光伏在不同的條件下的電壓值，可以得到不同影響因素下的電壓變化趨勢。圖3為光伏接入不同線路長度后的各點電壓，圖4為光伏接入不同電壓負荷后的各點電壓，圖5為光伏接入不同線路橫截面積后的各點電壓。

圖3 光伏接入不同線路長度后的各點電壓

圖4 光伏接入后不同電壓負荷的各點電壓

圖5 光伏接入不同線路橫截面積后的各點電壓

由仿真結(jié)果可知，光伏接入系統(tǒng)后，線路電壓會上升，且與接入不同線路長度、負荷大小和導線的橫截面積有關(guān)，初始時電壓值均線性遞增，當達到一定值之后開始緩慢地平滑衰減。

3.2 光伏逆變器控制對電壓的改善

電網(wǎng)運行中，當光照足夠強烈或負荷較低時，分布式光伏輸出將使并網(wǎng)點和周圍節(jié)點的電壓超過極限，甚至引起保護裝置動作將其切出電網(wǎng)，利用光伏逆變器的有功和無功功率協(xié)調(diào)控制可以降低電壓越限的風險[7]。

由分布式光伏并網(wǎng)引起的有源配電網(wǎng)電壓越限通常是由光伏系統(tǒng)輸出過大的有功功率引起。圖6所示為添加光伏逆變器后電壓的改善情況。

圖6 加入光伏逆變器后電壓的改善情況

4 結(jié)束語

分布式光伏電源的輸出功率易受環(huán)境因素影響，當接入有源配電網(wǎng)時可能導致電壓越限問題。建立分布式光伏接入主動配電網(wǎng)的仿真模型，通過有功和無功功率協(xié)調(diào)控制方法消除電壓越限風險，采用有功功率控制降低電壓，利用逆變器的剩余容量吸收無功功率。分析分布式光伏接入后不同線路長度、電壓負荷和導線截面積的電壓變化，提出通過光伏逆變器解決電壓越限風險的控制策略。仿真結(jié)果驗證了其正確性和可行性。