分布式光伏對配電網(wǎng)電壓的影響機(jī)理及仿真分析

楊曉輝，楊 莉，楊 磊，鐘偉杰

分布式光伏對配電網(wǎng)電壓的影響機(jī)理及仿真分析

楊曉輝，楊 莉，楊 磊，鐘偉杰

（南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

通過分析分布式光伏并入配電網(wǎng)對電壓偏差的影響機(jī)理，得出光伏接入后將提高線路電壓水平，且線路某點(diǎn)電壓變化量與相對光伏并網(wǎng)點(diǎn)位置、光伏容量及線路參數(shù)有關(guān)。搭建了6節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和分布式光伏并網(wǎng)仿真模型，仿真分析了分布式光伏容量、并網(wǎng)點(diǎn)位置及線路參數(shù)對配電網(wǎng)電壓偏差帶來的影響。仿真結(jié)果表明：光伏接入容量越大、接入位置越遠(yuǎn)離首端，對線路電壓的提升也越大；線路越長、導(dǎo)線線徑越小、負(fù)荷越小、配變?nèi)萘吭叫。妷荷叻仍酱蟆?/p>

配電網(wǎng)；分布式光伏；光伏并網(wǎng)點(diǎn)位置；電壓偏差

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對傳統(tǒng)能源的過度開采已愈發(fā)嚴(yán)重，石油、煤炭等傳統(tǒng)能源的枯竭已經(jīng)不可避免。可再生能源將會(huì)成為人類未來替代傳統(tǒng)能源的最佳形式，其中光伏發(fā)電資源充沛；較少受地域限制、清潔可靠等特點(diǎn)贏得人類青睞；但隨著越來越多的光伏并入電網(wǎng)，問題也隨之而來[1-3]。由于太陽能自身的間歇性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，并入配電網(wǎng)后將對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量及穩(wěn)定性造成很大的影響[4-5]，且隨著光伏在配電網(wǎng)中滲透率的提高，傳統(tǒng)配電網(wǎng)潮流會(huì)出現(xiàn)變化，甚至產(chǎn)生反向潮流[6-7]，導(dǎo)致配電網(wǎng)末端電壓抬升，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐上到y(tǒng)失去穩(wěn)定，因此分布式光伏接入配網(wǎng)對電壓的影響的研究尤為重要。

目前，已有大量文獻(xiàn)對分布式光伏接入對配電網(wǎng)電壓的影響展開了較為深入的研究。文獻(xiàn)[8-10]分析了分布式電源滲透率提高引起的電壓波動(dòng)和電壓越限等電能質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)了控制成本最低的協(xié)調(diào)電壓控制策略。文獻(xiàn)[11-12]研究了分布式光伏接入配網(wǎng)后所產(chǎn)生的可靠性及電能質(zhì)量問題，分析了分布式光伏自身特點(diǎn)，得出了由于光伏出力不確定所導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題也很突出。文獻(xiàn)[13]利用靈敏度的方法分析了光伏并網(wǎng)后對電壓的影響，通過仿真驗(yàn)證了分布式光伏接入系統(tǒng)薄弱點(diǎn)和支撐點(diǎn)對配網(wǎng)電壓的影響。

本文研究了分布式光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)電壓的作用機(jī)理，并通過仿真分別從單個(gè)集中接入和多個(gè)分散接入兩方面對理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證，為分布式光伏電源的良好發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 光伏容量及位置對配電網(wǎng)電壓的作用機(jī)理

分布式光伏的接入使配電網(wǎng)變?yōu)槎嚯娫淳W(wǎng)絡(luò)，多電源系統(tǒng)在進(jìn)行研究時(shí)，可以通過疊加法進(jìn)行計(jì)算。

式中，為節(jié)點(diǎn)有功功率，為節(jié)點(diǎn)電阻，為節(jié)點(diǎn)無功功率，為節(jié)點(diǎn)電抗，為單位長度電阻，為節(jié)點(diǎn)間距離，為單位電抗。

1.1 單個(gè)光伏接入對配電網(wǎng)電壓的影響

單個(gè)光伏接在節(jié)點(diǎn)的位置時(shí)，其配電網(wǎng)如圖2所示（P為光伏有功功率）。

（1）分布式光伏接入配網(wǎng)后，位于光伏接入點(diǎn)前的用戶的電壓為（此時(shí)0<<）：

式（3）中由于功率因數(shù)較高及線路電抗較小，導(dǎo)致無功功率也較小，因此可以將無功功率忽略不計(jì)。去掉無功功率后式（3）可以簡化為

由式（4）可知，隨著分布式光伏的接入，配電網(wǎng)線路上的電壓也明顯提升，且光伏接入位置及接入容量是2個(gè)影響因數(shù)。此時(shí)，戶與–1戶之間的電壓差為

由式（5）可知，電壓的升降趨勢和光伏容量與戶及戶之后的所有用戶消耗的有功功率之和的大小有關(guān)，若用戶消耗的有功功率之和更大，則電壓呈下降趨勢，若用戶消耗的有功功率之和較小，則電壓為上升趨勢。

（2）分布式光伏接入配網(wǎng)后，位于光伏接入點(diǎn)后的用戶的電壓為（此時(shí)>）

此時(shí)，戶與–1戶之間的電壓差為

由式（7）可知，位于光伏接入點(diǎn)后的用戶上的電壓分布是隨著距離的增大而降低。

綜上所述，線路上的電壓分布趨勢主要有以下幾種：①隨著距離的增加逐漸下降；②隨著距離的增加先降低后升高，再降低；③隨著距離的增加先升高后降低。后兩種情況時(shí)的接入點(diǎn)處的電壓為局部極大值，其電壓可表示為

1.2 多個(gè)光伏接入對配電網(wǎng)電壓的影響

圖3為多個(gè)分布式光伏接入配電網(wǎng)的情況，同樣忽略線路電抗和無功功率的作用。此時(shí)用戶處的電壓為

此時(shí)，戶與–1戶之間的電壓差為

2 線路參數(shù)對配電網(wǎng)電壓的作用機(jī)理

對上述線路電壓計(jì)算式進(jìn)行迭代線性化。將各參數(shù)的初始值看成1，然后將函數(shù)進(jìn)行泰勒展開，可得其線性近似結(jié)果如下：

其中：

代入上式，得：

在實(shí)際線路中有：

、變量有：

式中，為電阻，為電阻率，為線徑截面面積，為長度，為阻抗率，為頻率。

通過分析上述公式，線路長度及線徑面積波動(dòng)可忽略不計(jì)，因此、可以理解成和線路長度及線徑面積有關(guān)，也就是說節(jié)點(diǎn)電壓與線路長度及線徑面積有關(guān)。

3 仿真分析

3.1 光伏容量對配電網(wǎng)電壓影響的仿真分析

3.1.1 單個(gè)光伏接入情況

以圖4系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停€路電壓等級380 V，線路型號為LJG–25 mm2，變壓器容量50 kW，供電半徑1 km，線路上共有6個(gè)用戶接入，負(fù)載率按配電容量10%平均分布在6個(gè)用戶上，線路單位長度阻抗為1.38+j0.432 Ω/km。

圖4 10節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)

光伏集中接在節(jié)點(diǎn)3上，通過潮流計(jì)算研究接入容量為0、1、5、10 kW時(shí)，配電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓分布，以及各節(jié)點(diǎn)電壓變化曲線如圖5所示。

圖5 單個(gè)分布式光伏接入容量變化引起電壓分布變化曲線

3.1.2 多個(gè)光伏接入情況

為研究多個(gè)分布式光伏的接入對配電網(wǎng)電壓的影響，依然以圖4系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，線路參數(shù)與單個(gè)接入一致，假設(shè)光伏總?cè)萘勘痪鶆蚪拥?個(gè)節(jié)點(diǎn)上。通過潮流計(jì)算得到接入總?cè)萘繛?、0.6、5、12、18 kW時(shí)，配電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓分布以及電壓變化曲線如圖6所示。

圖6 多個(gè)分布式光伏接入引起的電壓分布變化曲線

從圖6可知，多個(gè)分布式光伏接入和單個(gè)接入情況類似，都是接入容量越大，對配電網(wǎng)電壓的影響就越大。當(dāng)系統(tǒng)分散接入0.6 kW的分布式光伏，相比未接入光伏時(shí)，各節(jié)點(diǎn)電壓有所提升，但由于此時(shí)接入的光伏容量很小，因此電壓分布依然和未接入光伏時(shí)的趨勢相似，節(jié)點(diǎn)電壓都是隨著距離的增加而降低；當(dāng)總?cè)萘繛?2 kW的分布式光伏均勻接入每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，結(jié)點(diǎn)電壓隨著距離的增加而增加，此時(shí)線路末端電壓最高；當(dāng)總?cè)萘吭黾訛?8 kW時(shí)，結(jié)點(diǎn)電壓隨著距離的增加而增加，很明顯的可以看到線路電壓已經(jīng)處于越限狀態(tài)。

對比光伏總?cè)萘繛? kW均勻接入6個(gè)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)3集中接入相同的5 kW容量時(shí)的兩條曲線可以看出，光伏并網(wǎng)容量相同時(shí)，集中接入某節(jié)點(diǎn)與分散接入時(shí)對電壓的提升作用不同，集中接入點(diǎn)之前各節(jié)點(diǎn)電壓提升幅度大，而集中接入點(diǎn)之后各節(jié)點(diǎn)的電壓提升幅度小，分散接入對電壓穩(wěn)定性更有利，集中接入電壓波動(dòng)范圍較大。

3.2 光伏接入位置對配電網(wǎng)電壓影響的仿真分析

3.2.1 單個(gè)光伏接入情況

為研究光伏接入位置不同對配電網(wǎng)電壓的影響。依然以圖4系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，線路參數(shù)保持不變。當(dāng)3 kW的分布式光伏分別在節(jié)點(diǎn)１、3、5、6接入時(shí)，仿真得到的電壓分布變化曲線如圖7所示。

圖7 單個(gè)分布式光伏接入位置變化引起電壓分布變化曲線

從圖7可知，相同容量的分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的不同位置，對配電網(wǎng)電壓的提升作用也不同。分布式光伏電源接在節(jié)點(diǎn)１處，靠近母線，其對電壓的提升作用不是很明顯，各負(fù)荷處電壓也是隨著與初始端距離的増加而降低；分布式光伏電源接在節(jié)點(diǎn)3處時(shí)，線路電壓明顯提升，且遠(yuǎn)離首端位置，各節(jié)點(diǎn)的電壓就越?。环植际焦夥娫唇釉诠?jié)點(diǎn)5處時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓從節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)3呈下降趨勢，從節(jié)點(diǎn)3到節(jié)點(diǎn)5呈上升趨勢，最后節(jié)點(diǎn)5到節(jié)點(diǎn)6又呈下降趨勢，線路中會(huì)出現(xiàn)2個(gè)極值，其中分布式光伏電源接入點(diǎn)處是局部極大值；末端接入分布式光伏對配網(wǎng)電壓影響最大，線路電壓先降低后升高，系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)雙源結(jié)構(gòu)，線路的電壓分布呈“U”型，此時(shí)線路末端電壓不再是局部極小值。綜上可知，光伏容量保持不變時(shí)，分布式光伏的位置也能影響配網(wǎng)電壓的分布，越靠近首端，對電壓的影響作用就越小。

3.2.2 多個(gè)光伏接入情況

依然以圖4系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯慷鄠€(gè)分布式光伏接入不同位置對線路電壓的影響。假設(shè)分布式光伏總?cè)萘繛? kW，分別研究以下幾種情況下的配電網(wǎng)電壓分布：

（1）6 kW光伏集中接入節(jié)點(diǎn)1；

（2）6 kW光伏集中接入節(jié)點(diǎn)3；

（3）6 kW光伏集中接入節(jié)點(diǎn)6；

（4）6 kW平均分散在1、2節(jié)點(diǎn)；

（5）6 kW平均分散在2、3節(jié)點(diǎn)；

（6）6 kW平均分散在2、5節(jié)點(diǎn)；

（7）6 kW平均分散在4、5節(jié)點(diǎn)。

通過潮流計(jì)算仿真得到上述7種情況下配電網(wǎng)中的電壓分布變化曲線如圖8所示。

圖8 多個(gè)光伏接入位置變化引起電壓分布變化曲線

由圖8可知，多個(gè)分布式光伏接入時(shí)，光伏接入位置對配網(wǎng)電壓也有影響。從圖8可以看出，分布式光伏分散接入多個(gè)不同位置時(shí)，分散接入在1、2節(jié)點(diǎn)時(shí)對電壓的提升作用最小，分散接入在4、5節(jié)點(diǎn)時(shí)對電壓的提升作用最大，因此分散接入時(shí)選取中偏后的位置節(jié)點(diǎn)對電壓的提升作用更大。

分析圖8中所有曲線可以發(fā)現(xiàn)，多個(gè)分布式光伏分散接入的電壓提升幅度要小于集中接入在末端時(shí)的情況，但要大于集中接入在首端，因此可以得出和理論一致的結(jié)論：相同的接入條件下，分布式光伏集中接在末端時(shí)的電壓提升最大。

3.3 線路參數(shù)對配電網(wǎng)電壓影響的仿真分析

為研究線路參數(shù)對配電網(wǎng)電壓的影響，依然以圖4系統(tǒng)為算例，用戶末端接入容量為10 kW的分布式光伏。研究在保持其他參數(shù)為基準(zhǔn)值時(shí)，每次只改變一個(gè)參數(shù)時(shí)對配電網(wǎng)電壓的具體影響。設(shè)定各參數(shù)的具體基準(zhǔn)值分別為：線徑為25 mm2，半徑為1 km，配變?nèi)萘繛?0 kW，負(fù)載率為10%。

3.3.1 線路長度對配電網(wǎng)電壓影響的仿真分析

末端接入10 kW光伏，10%負(fù)荷均勻分布于6個(gè)節(jié)點(diǎn)，線徑LJG-25 mm2，變壓器容量50 kW，仿真研究在其他條件保持不變的情況下，線路長度發(fā)生變化對配電網(wǎng)電壓分布的影響。不同線路長度下各節(jié)點(diǎn)電壓分布曲線如圖9所示。

圖9 單個(gè)分布式光伏接入線路長度變化引起電壓分布變化曲線

分析圖9可知，在接入容量和接入位置保持不變的情況下，線路長度的改變對配電網(wǎng)電壓也有影響，線路越長，電壓提升越明顯，與理論結(jié)論一致。

3.3.2 導(dǎo)線線徑對配電網(wǎng)電壓影響的仿真分析

末端接入10 kW光伏，10%負(fù)荷均勻分布于6個(gè)節(jié)點(diǎn)，變壓器容量為50 kW，線路長度為1 km，仿真研究在其他條件保持不變的情況下，導(dǎo)線線徑發(fā)生變化對配電網(wǎng)電壓分布的影響。不同線徑下各節(jié)點(diǎn)電壓分布曲線如圖10所示。

圖10 單個(gè)分布式光伏接入導(dǎo)線線徑變化引起電壓分布變化曲線

分析圖10可知，在接入容量和接入位置保持不變的情況下，導(dǎo)線線徑的改變對配電網(wǎng)電壓也有影響，且隨著線徑的不斷增大，電壓提升幅度有所下降，與理論結(jié)論一致。

3.3.3 配變?nèi)萘繉ε潆娋W(wǎng)電壓影響的仿真分析

末端接入10 kW光伏，10%負(fù)荷均勻分布于6個(gè)節(jié)點(diǎn)，線徑為LJG-25 mm2，線路長度為1 km，仿真研究在其他條件保持不變的情況下，配變?nèi)萘堪l(fā)生變化對配電網(wǎng)電壓分布的影響，不同配變?nèi)萘肯赂鞴?jié)點(diǎn)電壓分布曲線如圖11所示。

圖11 單個(gè)分布式光伏接入配變?nèi)萘孔兓痣妷悍植甲兓€

分析圖11可知，在接入容量和接入位置保持不變的情況下，配變?nèi)萘康母淖儗ε潆娋W(wǎng)電壓也有影響。隨著配變?nèi)萘康脑黾?，電壓升高幅度有所減小；但是，減小的幅值隨著配變?nèi)萘康脑偬嵘绊戄^小，與理論結(jié)論一致。

3.3.4 負(fù)載對配電網(wǎng)電壓影響的仿真分析

末端接入10 kW光伏，負(fù)荷均勻分布于6個(gè)節(jié)點(diǎn)，線徑為LJG-25 mm2，配變?nèi)萘繛?0 kW，線路長度為1 km，仿真研究不同負(fù)載率對配電網(wǎng)電壓分布的影響，其電壓變化曲線如圖12所示。

圖12 單個(gè)分布式光伏接入負(fù)載率變化引起電壓分布變化曲線

分析圖12可知，在接入容量和接入位置保持不變的情況下，負(fù)載的改變對配電網(wǎng)電壓也有影響，且負(fù)載越小，電壓提升越明顯，與理論結(jié)論一致。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)線路始端電壓恒定不變時(shí)，根據(jù)并網(wǎng)光伏容量、光伏并網(wǎng)點(diǎn)位置及線路參數(shù)不同，線路電壓主要呈現(xiàn)3種不同形式：①隨著距離的增加逐漸下降；②隨著距離的增加先降低后升高，再降低；③隨著距離的增加先升高后降低。

（2）配電網(wǎng)電壓偏差隨著注入配電網(wǎng)絡(luò)的分布式光伏容量的增大而增大。

（3）隨著并網(wǎng)位置遠(yuǎn)離線路首段，電壓偏差逐漸增大，且并網(wǎng)點(diǎn)處電壓偏差受影響最明顯。

（4）線路參數(shù)的改變也會(huì)引起配電網(wǎng)電壓的改變，且線路越長、導(dǎo)線線徑越小、負(fù)荷越小、配變?nèi)萘吭叫?，電壓升高幅度越大?/p>

[1] 周孝信，陳樹勇，魯宗相，等.能源轉(zhuǎn)型中我國新一代電力系統(tǒng)的技術(shù)特征[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2018, 38(7): 1893–1904, 2205.

[2] 舒印彪，張智剛，郭劍波，等.新能源消納關(guān)鍵因素分析及解決措施研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017, 37(1): 1–9.

[3] 劉振亞.全球能源互聯(lián)網(wǎng)跨國跨洲互聯(lián)研究及展望[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016, 36(19): 5103–5110, 5391.

[4] BO Z, ZHI X, CHEN X, et al. Network Partition Based Zonal Voltage Control for Distribution Networks with Distributed PV Systems[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2017(99): 1.

[5] KIM I, HARLEY R G. A study on the effect of the high-penetration photovoltaic system on an increase in overvoltage of distribution feeders[C]//North American Power Symposium. 2015.

[6] 李瑞生，翟登輝.光伏DG接入配電網(wǎng)及微電網(wǎng)的過電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)方法研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015, 43(22): 62–68.

[7] 程繩.分布式電源接入配電網(wǎng)滲透率及運(yùn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化研究[D].北京：中國電力科學(xué)研究院，2014.

[8] 劉子悅，鄒婷，李奇峰，等.分布式電源的建模研究[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2017(2): 370.

[9] 鮑薇，胡學(xué)浩，何國慶，等.分布式電源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012, 36(11): 46–52.

[10] 溫嘉斌，劉密富.光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)追蹤方法的改進(jìn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009, 29(6): 81–84.

[11] 趙爭鳴，雷一，賀凡波，等.大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011, 35(12): 101–107.

[12] 陳煒，艾欣，吳濤.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響研究綜述[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013, 33(2): 26–32.

[13] 李斌，劉天琪，李興源.分布式電源接入對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009, 33(3): 84–88.

Influence mechanism and simulation analysis of distributed photovoltaic on distribution network voltage

YANG Xiaohui, YANG Li, YANG Lei, ZHONG Weijie

(School of Information Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

By analyzing the influence mechanism of distributed photovoltaic integrated into distribution network on voltage deviation, it is concluded that the line voltage level is increased after the photovoltaic connection, and the variation of line voltage at a certain point is related to the position of relative photovoltaic grid-connected point, photovoltaic capacity and line parameters. The six-node distribution network and distributed photovoltaic grid-connected simulation model are built, and the effects of distributed photovoltaic capacity, grid-connected point location and line parameters on voltage deviation of distribution network are simulated and analyzed. The simulation results show that the larger the photovoltaic access capacity, the farther the access location is from the head, the greater the voltage rise of the line, the longer the line is, the smaller the wire diameter, the smaller the load is, and the smaller the distribution capacity, the larger the voltage increase is.

distribution network; distributed photovoltaic; position of photovoltaic grid-connected point; voltage deviation

TM615

A

1002-4956(2019)10-0063-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.015

2019-03-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51765042，61463031，61662044，61773051）；江西省教育廳教學(xué)改革項(xiàng)目（JXYJG-2017-02，JXJG-18-1-43）

楊曉輝（1978—），男，江西南昌，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣I(yè)控制、智能控制、電力電子在新能源中的應(yīng)用。E-mail: yangxiaohui@ncu.edu.cn