含分布式電源并網的配電網電壓波動特性分析

呂風儀，曾次玲，葉文浩，劉一科，楊東文

(1.長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410114；2. 國網湖南電力有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引 言

為有效解決能源緊張和環(huán)境污染之間的嚴峻關系，需大力發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的新型能源，分布式電源因發(fā)電方式靈活、環(huán)境友好和效率高等特性而獲得廣泛應用[1]，但分布式電源由于自身出力的隨機性和波動性，會使配電網出現(xiàn)電壓波動性增大等現(xiàn)象，給配電網的正常運行帶來了不良的負面影響，并造成分布式電源發(fā)展受限[2]，因此，需研究分布式電源并網后的電壓波動規(guī)律。

針對分布式電源在配電網并網造成的影響，國內外學者做了相應的研究工作。文獻[3]研究分布式電源出力的波動特性。文獻[4]研究發(fā)現(xiàn)分布式電源并網后對配電網電壓有一定的抬升作用，但存在波動加重的現(xiàn)象。文獻[5]從理論上分析了分布式電源對配電網電壓波動的影響。文獻[6]建立了分布式光伏在配電網并網的仿真模型，但其對配電網非并網點的電壓波動進行分析。文獻[7]對配電網分布式光伏并網進行了建模，分析了單分布式電源不同并網情況下的電壓波動情況，但未對配電網多分布式電源并網的電壓波動進行分析。

本文建立分布式電源并網后的配電網電壓仿真計算模型，對分布式電源在不同并網情況下的配電網電壓波動情況做了深入研究。

1 分布式電源出力特性分析

1.1 分布式光伏出力特性

光伏電池的出力大小受溫度和光照等影響，其出力特性表達式如下所示[8]：

(1)

式中：I、Iph、I0為輸出電流、光生電流和反向飽和電流;V為輸出電壓;Rs、Rsh為串并聯(lián)等效電阻;q、K為電荷常數(shù)和普爾滋曼常數(shù);T為絕對溫度;A為二極管因子。

分布式電源光伏板的出力Pst為[9]：

(2)

式中：PN、IN、TN分別為額定功率、額定電流、光伏板額定溫度;αT為功率溫度系數(shù);rt、Tt為t時刻的光照強度值、光伏板溫度。

某時刻的光照強度是一個服從Beta分布的變量[10]，表達式如式(3)所示。

(3)

式中：rt、rt max為光照強度及其最大值；α、β為Beta分布參數(shù)。

根據式(2)可知分布式電源出力與光照強度呈線性關系，因此分布式電源的出力也服從Beta分布，如式(4)所示。

(4)

式中：Pst max為分布式光伏出力的最大值。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結構圖

1.2 分布式風電出力特性

分布式風電的出力大小PW主要與風速ν相關，兩者的函數(shù)關系如式(5)所示[11]。

(5)

k1=Pr/(vr-vci)

(6)

k2=-k1vci

(7)

式中：vr、vci、vco為額定風速、切入風速和切出風速；Pr為額定功率值。

風速服從weibull分布[12]，其表達式為：

(8)

式中：k、c為分布參數(shù)中的形狀和尺寸系數(shù)值。

結合式(5)和式(8)可得，風電出力也服從weibull分布函數(shù)，其表達式為：

(9)

分布式風電系統(tǒng)的系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 分布式風電系統(tǒng)結構圖

2 計及分布式電源的配電網電壓波動分析

(10)

圖3 配電網等效電路模型

假設分布式電源的并網節(jié)點為p，如果m節(jié)點位于節(jié)點p之前，則可得并網后節(jié)點m的電壓值為：

(11)

式中：ΔPzn為分布式電源出力變化量等效分配到各段饋線的阻抗功率。

假設無功損耗占比為αk=QL·k/PL·k，饋線電抗占比為βk=Xk/Rk，則m節(jié)點處的電壓波動值為：

(12)

式中：U′為配電網系統(tǒng)標稱電壓值。

如果m節(jié)點位于節(jié)點p之后，則可得并網后節(jié)點m的電壓值為：

(13)

此時m節(jié)點處的電壓波動值為：

(14)

分布式電源并網時，離并網點越遠，該節(jié)點處的電壓波動程度越小，分布式電源并網點處的電壓波動程度最大，且根據式(12)可知，當p=N，m=N時，即分布式電源并網點位于配電網饋線末端時，末端節(jié)點處的電壓波動最大，表達式為：

(15)

3 配電網電壓波動仿真分析

3.1 配電網電壓波動仿真模型

以某地區(qū)配電網實例為對象進行分析，結構如圖4所示，在PSCAD/EMTDC軟件中建立相應的仿真模型，分布式光伏、風電的出力采用該地區(qū)典型日下的日出力曲線，如圖5所示。

圖4 配電網系統(tǒng)結構圖

3.2 不同并網情況下的電壓波動特性分析

圖5 分布式電源有功出力情況圖

保持分布式電源并網容量為1.0 MW，改變分布式電源在配電網的并網位置(節(jié)點3、8、15)，進行相應的仿真計算，得到配電網電壓波動結果如表1所示，圖6為并網位置為節(jié)點8時，節(jié)點8的電壓波動情況圖(t=1 s時并網，t=5 s時離網)。

表1 配電網電壓波動仿真結果

由表1和圖6可知，分布式電源并網后會使配電網電壓波動情況加重，并網瞬間的電壓波動最大，配電網電壓波動情況會隨著并網位置的不同而變化，并網點越靠近配電網末端，并網后的

圖6 節(jié)點8電壓波動情況仿真圖

電壓波動程度越嚴重，而配電網各節(jié)點越靠近并網節(jié)點，則其電壓波動越大，并網處的節(jié)點電壓波動程度最大。當并網容量相同時，分布式風電并網后的電壓波動程度要略大于分布式光伏。

圖7 配電網電壓波動仿真結果

為進一步分析配電網電壓波動程度與分布式電源并網容量的關系，并網位置均為節(jié)點8，改變并網容量，仿真后獲得的節(jié)點8電壓波動結果如圖7所示，可知配電網電壓波動程度會隨著分布式電源并網容量的增大而增大，兩者近似呈線性關系。

為分析多分布式電源并網方式對配電網電壓波動的影響，設置三個分布式光伏電源DG1(0.5 MW)、DG2(1.0 MW)、DG3(1.5 MW)，并網方式共三種：①DG1、DG2、DG3分別接入節(jié)點3、8、15；②DG1、DG2、DG3分別接入節(jié)點15、8、3；③DG1、DG2、DG3都接入節(jié)點15，對各并網方式下進行相應的仿真，結果如表2所示。

表2 不同并網方式下電壓波動仿真結果 %

由表2可知，多分布式電源的并網方式對配電網電壓波動程度有較大的影響，大容量的分布式電源并網位置越靠近饋線末端，電壓波動程度更大。當分布式電源均在饋線末端并網時，配電網電壓波動程度最大。

4 結束語

本文建立了分布式電源并網后的配電網電壓仿真計算模型，對不同并網情況下的電壓波動進行了相應的仿真計算，結果表明：

(1) 分布式電源并網后會使配電網電壓波動情況加重，并網瞬間波動最大，并網點越靠近配電網饋線末端，并網后造成的波動越嚴重。

(2) 配電網電壓波動程度會隨著并網容量的增大而增大，兩者近似呈線性關系，且分布式風電造成的電壓波動程度要略大于分布式光伏。

(3) 多分布式電源的并網方式對配電網電壓波動程度有較大的影響，大容量的分布式電源并網位置越靠近饋線末端造成配電網電壓波動程度越大。