分布式光伏電源對配電網(wǎng)電壓的影響研究

王曉文 ，張異殊 ，于海常 ，戈陽陽

（1.沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧沈陽 110136；2.國網(wǎng)大連供電公司，遼寧大連 116001；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧沈陽 110006）

當(dāng)今能源儲備逐漸減少，環(huán)境逐漸惡化引發(fā)了各國對清潔能源的關(guān)注[1]。并入配電網(wǎng)中的分布式光伏PV（photovoltaic）系統(tǒng)得到了很大發(fā)展。然而分布式PV接入配電網(wǎng)之后，光伏電源的間歇性與隨機(jī)性的特點(diǎn)對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量與穩(wěn)定性產(chǎn)生極大影響，制約了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其輸出功率的不穩(wěn)定是導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動的重要原因，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性造成了一定的隱患。解決含分布式PV低壓配電網(wǎng)電壓越限問題對光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重大意義。

目前，解決電壓越限的方法有很多，文獻(xiàn)[2]中對分布式PV接入配電網(wǎng)的接入點(diǎn)進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明配電網(wǎng)中的負(fù)荷水平和短路容量對配電網(wǎng)電壓的波動產(chǎn)生了較大的影響。文獻(xiàn)[3]探討了接入位置、光伏出力大小、負(fù)荷大小、電網(wǎng)線路參數(shù)等對單饋線多節(jié)點(diǎn)的10 kV線路的電壓變化的影響，給出了解決電壓越限的具體措施。文獻(xiàn)[4]中提出了通過改變電網(wǎng)設(shè)備來消除電壓越限的方法，但該方法成本過高。文獻(xiàn)[5]提出了在并網(wǎng)逆變器中加入無功補(bǔ)償控制，逆變器在輸出有功功率的同時也可以消耗無功功率，以此限制電壓的升高，其分為電壓無功控制、恒功率因數(shù)控制、恒無功控制等方式，但是阻抗比值在配電網(wǎng)中較大，采用無功功率控制不能有效地控制電壓的升高，且逆變器中的功率因數(shù)不一定可調(diào)。文獻(xiàn)[6]提出了使用有載調(diào)壓變壓器抑制電壓升高的方法，但是分布式的不穩(wěn)定性導(dǎo)致了并網(wǎng)時電壓的波動，使有載調(diào)壓變壓器的分接開關(guān)動作過于頻繁，縮短了變壓器的使用壽命，且上述解決方案中均未考慮環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

結(jié)合上述分析，首先從理論上分析了分布式PV接入配電網(wǎng)對電網(wǎng)電壓影響的因素；接著從短路容量的角度研究了環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)對電壓波動的影響；最后通過Matlab/Simulink仿真軟件搭建完整光伏并網(wǎng)模型，對上述理論進(jìn)行驗(yàn)證。

1 電壓波動理論分析

1.1 配電網(wǎng)電壓波動原理分析

配電網(wǎng)中的電壓受到潮流分布的影響，當(dāng)電網(wǎng)中的負(fù)荷以及電源輸送的功率發(fā)生變化時，就會導(dǎo)致配電網(wǎng)中母線上的各個節(jié)點(diǎn)發(fā)生電壓波動[7]。分布式光伏PV并入配電網(wǎng)后，除了上述傳統(tǒng)的因素外，由于光照強(qiáng)度與溫度不斷發(fā)生變化導(dǎo)致光伏PV的功率發(fā)生了變化，從而引起了電壓的波動。

一般情況下，光伏系統(tǒng)對于配電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)（Point of Common Coupling，PCC）沖擊最大[8]。其中分布式PV發(fā)電逆變器的功率因數(shù)主要區(qū)間為（-0.95，0.95），為了簡化計算并更好地分析問題，在分析過程中忽略無功功率的影響，即將接入配電網(wǎng)中的光伏電源等效為電流源。圖1為分布式接入配電網(wǎng)模型。

圖1 分布式接入配電網(wǎng)模型

其中，SN為無限大系統(tǒng)；UN為母線額定電壓；R、X分別為電網(wǎng)的電阻與電抗；光伏PV并網(wǎng)點(diǎn)為PCC點(diǎn)。

分布式光伏PV最大功率輸出通常受到外界云層變化、陰影效應(yīng)、光照周期等影響，并網(wǎng)后會產(chǎn)生明顯的電壓波動[9]。假設(shè)分布式光伏PV瞬時輸出功率與額定功率的比值為λ，則距離母線lk處僅由光伏PV引起的第k個節(jié)點(diǎn)的電壓波動dPVk%為

其中近似認(rèn)為配電網(wǎng)中饋線的型號一致，R+jX單位距離饋線的等值阻抗，抗阻比KZ為

若忽略系統(tǒng)電源側(cè)母線系統(tǒng)阻抗，則k節(jié)點(diǎn)距離母線lk處的短路容量Slk近似為

將式（2）和（3）代入式（1）中有：

從式（4）中可以得出，分布式光伏PV接入配電網(wǎng)與如下幾個條件有關(guān)：光伏電源輸出功率的波動值、距離母線的長度、功率因數(shù)、短路容量以及抗阻比。由于光伏電源被控制在單位功率因數(shù)下，因此光伏電源的發(fā)出功率變化均為有功功率的變化，同時饋線中阻抗角的比值基本保持恒定。配電網(wǎng)中電壓波動的主要影響因素為光伏功率的變化以及短路容量值的大小。

1.2 環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中電壓波動分析

通過分析可以得出光伏電源接入配電網(wǎng)中的容量以及短路容量的大小是影響配電網(wǎng)中電壓波動的關(guān)鍵因素。由于光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，不能通過降低發(fā)電量來抑制配電網(wǎng)中電壓的波動，因此，從短路容量的角度抑制電壓波動。由于環(huán)網(wǎng)中增大了短路容量，有助于抑制波動。為此做出以下分析。

電力網(wǎng)中的短路容量為額定電壓與三相短路電流的乘積[10]，短路電流為額定電壓除以該點(diǎn)與系統(tǒng)之間的等效阻抗。

短路容量是節(jié)點(diǎn)電壓強(qiáng)度的標(biāo)志，用于評估系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定水平和狀態(tài)脆弱性，短路容量越大，電壓強(qiáng)度越高，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是影響短路容量的重要因素[11]。環(huán)網(wǎng)構(gòu)架大大增強(qiáng)了電網(wǎng)的短路容量，提高了電網(wǎng)的供電可靠性。

環(huán)網(wǎng)架構(gòu)可以有效地提高系統(tǒng)短路容量，通過式（5）可以看出，在系統(tǒng)額定電壓保持不變的情況下，短路容量與該節(jié)點(diǎn)阻抗值成反比。環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)通過減少系統(tǒng)到某點(diǎn)的阻抗值來提高短路容量，利于分布式PV接入配電網(wǎng)中。環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單示意圖如圖2所示。

圖2 環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)S斷開時，各個節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的阻抗可以表示如式（6）所示。式中，Z11、Z12、Z21、Z22分別表示各個節(jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)之間的阻抗值；ZL11、ZL12、ZL21、ZL22分別表示各段線路對應(yīng)的阻抗值。

當(dāng)S閉合時，即電網(wǎng)開始進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)行時，節(jié)點(diǎn)阻抗分布情況為

其中，Z0表示節(jié)點(diǎn)11到節(jié)點(diǎn)21之間的阻抗值。開關(guān)S閉合后，即在原有線路上并聯(lián)一個電阻，線路阻抗值會減少。比較式（6）與式（7），雖然線路有一定原始阻抗，但采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)后，環(huán)網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)阻抗值減少，短路容量增大，從而有利于分布式光伏PV的接入。

2 仿真分析

2.1 仿真建模

基于Matlab/Simulink建立仿真模型，如圖3所示，分別由分布式光伏并網(wǎng)模型和IEEE13節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)兩部分組成，其中光伏電源容量為0.4 MW，采用基于VSC并網(wǎng)控制。

圖3 仿真模型

2.2 光伏電源容量對電壓波動影響仿真

圖4 電壓波動仿真

配電網(wǎng)中由分布式接入引起的電壓波動與其容量大小有很大的關(guān)系，因此在同一節(jié)點(diǎn)中接入不同容量進(jìn)行分析對比。在節(jié)點(diǎn)7分別配置0.25 MW、0.5 MW、0.75 MW容量的光伏電源，功率因數(shù)保持一致，t=0.5 s時電源接入配電網(wǎng)中，t=2 s時電源脫網(wǎng)，分別觀察節(jié)點(diǎn)7、9、5、2的電壓波動的狀況，表1為不同節(jié)點(diǎn)在接入不同容量分布式電源的電壓波動情況。圖4為各個節(jié)點(diǎn)電壓波動的仿真圖像。

表1 不同容量下節(jié)點(diǎn)電壓波動情況

根據(jù)仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

1）從圖4可以看出，分布式光伏系統(tǒng)在t=0.5 s并入電網(wǎng)瞬間，節(jié)點(diǎn)電壓波動比較嚴(yán)重；而光伏電源在t=2 s離網(wǎng)瞬間節(jié)點(diǎn)電壓波動相對較輕。其原因?yàn)榉植际诫娫床⒕W(wǎng)過程中配電網(wǎng)與電源之間相互影響、共同調(diào)節(jié)，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動較大；而離網(wǎng)時，由于電源從網(wǎng)中分離獨(dú)立調(diào)節(jié)，導(dǎo)致電壓波動較輕。因此，重點(diǎn)關(guān)注光伏并網(wǎng)過程。

2）從表1和圖4可以看出，并網(wǎng)時離并網(wǎng)點(diǎn)越近則造成的電壓波動越大，且相鄰點(diǎn)的電壓波動相對較大。目前，分布式光伏系統(tǒng)分布相對分散，因此，必須保證多點(diǎn)監(jiān)測才能防止電壓越限。

3）從表1和圖4中可以看出，配電網(wǎng)中電壓波動與分布式電源接入配電網(wǎng)中的容量有關(guān)，電源容量越大，配電網(wǎng)中的電壓波動越大；容量越小，配電網(wǎng)中的電壓波動越小。

2.3 短路容量對電壓波動的影響

分布式光伏PV接入配電網(wǎng)時，由于短路容量對電壓波動產(chǎn)生影響，選取IEEE13節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)模型接入光伏電源進(jìn)行仿真分析，不同節(jié)點(diǎn)分別接入相同容量的光伏PV。在9、7、5配置0.5 MW電源，各個短路容量排序大小為2、5、7、9，相同功率因數(shù)下，t=0.5 s時并網(wǎng)，t=2 s時離網(wǎng)，得到了三相節(jié)點(diǎn)電壓波動情況。表2為各節(jié)點(diǎn)電壓接入0.5 MW時電壓波動情況。

表2 不同接入位置節(jié)點(diǎn)電壓波動情況 %

表2中不同接入位置接入相同容量所引起的電壓波動不同，其具體原因?yàn)椴煌?jié)點(diǎn)短路容量大小不同。對比節(jié)點(diǎn)2、9可知，在接入相同容量大小情況下，短路容量越大則電壓波動越小；短路容量越小則電壓波動越明顯。

3 環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)電壓波動仿真分析

環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以增大分布式光伏PV并網(wǎng)點(diǎn)的短路容量，繼而減弱電網(wǎng)的電壓波動，利于分布式光伏PV的并網(wǎng)接入。因此，將圖3中的節(jié)點(diǎn)5、7連接構(gòu)成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，線路型號與其他線路保持一致，分別在節(jié)點(diǎn)9、7、5配置0.5 MW光伏電源，運(yùn)行功率因數(shù)相同，t=0.5 s并網(wǎng)，t=2 s離網(wǎng)，其三相節(jié)點(diǎn)電壓波動結(jié)果如表3所示，有無環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)9、7、5分別接入光伏電源電壓波動的對比如圖6所示。

圖5 環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

表3 環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)電壓波動情況 %

圖6 電壓波動對比

從圖6可以看出，在環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，分布式電源并入電網(wǎng)對電網(wǎng)電壓波動的影響明顯減弱，雖然環(huán)網(wǎng)連接點(diǎn)處的電壓波動較原來有所增加，但是仍舊比最大電壓波動小。因此，環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行利于分布式光伏并入配電網(wǎng)中，驗(yàn)證了上述分析的正確性。但是，配電網(wǎng)中采用環(huán)網(wǎng)架構(gòu)會導(dǎo)致短路容量的增大，以致短路電流變大，有可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞，因此，重點(diǎn)關(guān)注短路電流增大導(dǎo)致的問題及解決措施是未來施行環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵[12]。

4結(jié) 論

分布式光伏電源大量接入配電網(wǎng)中，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行提出了極大的考驗(yàn)，研究光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)電壓波動的影響對提高光伏利用效率有重大的意義。從理論上分析光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)電壓波動的影響，并且從短路容量的角度對電壓波動的影響做了深入分析，最后在Matlab/Simulink上仿真驗(yàn)證，得到了如下的結(jié)論：

1）光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動最大，其相鄰的電壓節(jié)點(diǎn)電壓波動相對較大，為保證電壓波動不超過最大界限，應(yīng)該多點(diǎn)監(jiān)測。

2）光伏電源接入電網(wǎng)中所引起的電壓波動大于光伏電源離網(wǎng)時所引起的波動。

3）分布式電源的并網(wǎng)容量以及接入點(diǎn)的短路容量對電壓波動起到了重要影響。分布式電源的并網(wǎng)容量越大、短路容量越小在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生的電壓波動越明顯。

4）配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行提高了其短路容量，增大了電網(wǎng)的抗干擾能力，利于分布式電源并入電網(wǎng)中。