光伏分布式接入對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響研究

張 昕，魏立明，張 師

(1.吉林建筑大學(xué)，長(zhǎng)春 130011；2. 東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

“十四五”是我國(guó)能源轉(zhuǎn)型關(guān)鍵時(shí)期，光伏發(fā)電作為技術(shù)較為成熟的清潔能源之一，在國(guó)內(nèi)得到了迅猛發(fā)展[1-3]。由于集中接入對(duì)電網(wǎng)安全性和經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)很大挑戰(zhàn)，因此在國(guó)家大力支持下，大規(guī)模分布式光伏在農(nóng)村接入配電網(wǎng)。大規(guī)模光伏接入配電網(wǎng)后，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及電能質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生一定影響[4-6]。因此，光伏分布式接入對(duì)配電網(wǎng)的影響是一項(xiàng)值得研究的工作。目前，關(guān)于分布式光伏接入配電網(wǎng)方面已經(jīng)取得了一些研究成果。文獻(xiàn)[7]基于多時(shí)間斷面計(jì)算結(jié)果采用復(fù)合差分進(jìn)化算法對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)最優(yōu)接入容量進(jìn)行計(jì)算；文獻(xiàn)[8]研究了一種適用于分布式光伏交易的區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制，并采用10節(jié)點(diǎn)算例驗(yàn)證其有效性；文獻(xiàn)[9]采用故障點(diǎn)法研究了光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電壓凹陷域的影響，結(jié)果表明適當(dāng)增加光伏并網(wǎng)可以減少電壓凹陷域，但該文獻(xiàn)影響機(jī)理及其是否適用于其他系統(tǒng)仍有待進(jìn)一步考證；文獻(xiàn)[10]在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，并仿真分析了分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響；文獻(xiàn)[11]研究了光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響，并提出了如何配置無(wú)功容量可以更有效地調(diào)節(jié)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電壓波動(dòng)和降低網(wǎng)損。

現(xiàn)有的研究成果中，大部分研究成果是關(guān)于光伏分布式接入對(duì)配電網(wǎng)電壓質(zhì)量和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響，且主要基于仿真分析得出，對(duì)分布式光伏接入配電網(wǎng)的影響機(jī)理分析較少。

基于此，本文將在分析配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定指標(biāo)及光伏波動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，研究光伏分布式接入對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響，并通過(guò)某實(shí)際算例系統(tǒng)加以驗(yàn)證。

1 配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定指標(biāo)

配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定L指標(biāo)是基于潮流可解性推導(dǎo)出的。系統(tǒng)中任意兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)i和j，假設(shè)功率從i節(jié)點(diǎn)流向j節(jié)點(diǎn)，則i節(jié)點(diǎn)和j節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系可以表示為：

(1)

(2)

式中：Ui為i節(jié)點(diǎn)電壓幅值；Uj為j節(jié)點(diǎn)電壓幅值。

公式(2)可以化簡(jiǎn)為：

(3)

若Uj有解，則根據(jù)一元二次方程根的判別式可知：

QjXij)2+(PjXij-QjRij)2]≥0

(4)

將公式(4)化簡(jiǎn)可得：

(5)

因此可得出電壓穩(wěn)定L指標(biāo)：

(6)

取各支路中最大的L值作為系統(tǒng)的L指標(biāo)。如果L≤1，則Uj有解，電壓穩(wěn)定；如果L>1，則Uj無(wú)解，電壓不穩(wěn)定。

2 光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響機(jī)理

某光伏觀測(cè)站不同典型天氣類型日的光伏功率數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，不同天氣的光伏功率波動(dòng)大小有顯著區(qū)別，晴天光伏功率峰值最大，雨天光伏功率峰值最?。还夥β什▌?dòng)峰值主要出現(xiàn)在10∶00-14∶00。不同天氣下的光伏功率在17∶00-第二天5∶00均為0。

圖1 光伏觀測(cè)站實(shí)際數(shù)據(jù)

若將各節(jié)點(diǎn)電壓近似為額定電壓UN，公式(6)可以變?yōu)椋?/p>

(7)

采用標(biāo)幺制計(jì)算，可將式(7)改為：

L=4[(PjXij-QjRij)2+(PjRij+QjXij)]

(8)

當(dāng)少量光伏接入配電網(wǎng)末端，光伏發(fā)電就地消納抵消部分負(fù)荷，式(8)中的末端功率Pj將減少，從而減小L，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。當(dāng)末端接入光伏較多而負(fù)荷較少時(shí)，末端功率Pj為負(fù)，即有功功率由末端流向始端，可能會(huì)使L增加，從而降低系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

基于以上分析可知，光伏適量接入會(huì)減少線路流過(guò)功率，提高電壓穩(wěn)定性。

3 算例分析

采用吉林市某地區(qū)10 kV配電網(wǎng)進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2，圖中1節(jié)點(diǎn)為平衡節(jié)點(diǎn)，共20個(gè)節(jié)點(diǎn)，25條支路。設(shè)定收斂精度為1×10-6，采用極坐標(biāo)形式的牛頓法進(jìn)行潮流求解。

圖2 某地區(qū)20節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)

接入光伏前，該系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)L=0.280 2。

按光伏發(fā)電功率50 W/m2，接入2 000 m2計(jì)算，光伏峰值日照時(shí)發(fā)電量約為0.1 MW；若在農(nóng)村接入，則可接入的光伏會(huì)比較大，按接入12 000 m2計(jì)算，光伏峰值日照時(shí)發(fā)電量約為0.6 MW。

在不同節(jié)點(diǎn)分別接入不同容量的光伏后，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定L指標(biāo)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

圖3 光伏接入不同位置后系統(tǒng)電壓穩(wěn)定L指標(biāo)

當(dāng)光伏接入13節(jié)點(diǎn)、14節(jié)點(diǎn)、15節(jié)點(diǎn)、16節(jié)點(diǎn)、17節(jié)點(diǎn)、18節(jié)點(diǎn)時(shí)，L較小，電壓穩(wěn)定性較好。根據(jù)圖2可知，這6個(gè)節(jié)點(diǎn)均在配電網(wǎng)末端。根據(jù)以上分析可知，當(dāng)光伏接入配電網(wǎng)末端對(duì)電壓穩(wěn)定性的改善效果較好。

根據(jù)該地區(qū)實(shí)際情況，按各地點(diǎn)不同的允許接入光伏面積，分布式接入光伏，接入容量見(jiàn)表1。

表1 光伏接入節(jié)點(diǎn)及容量 kW

系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定指標(biāo)取系統(tǒng)中最大的L值，即系統(tǒng)中相對(duì)最不穩(wěn)定的線路的L指標(biāo)。

光伏分布式接入配電網(wǎng)后，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定L指標(biāo)為0.072 2，系統(tǒng)接入分布式光伏前后各支路電壓穩(wěn)定L指標(biāo)見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，當(dāng)光伏分布式接入后，改變了各支路的L指標(biāo)，其中17支路的L指標(biāo)由0.280 2變?yōu)?.060 3。根據(jù)前面的分析，光伏接入后對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響機(jī)理是由于對(duì)支路的功率產(chǎn)生了影響，減少了支路潮流從而減小了L指標(biāo)，提高了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。為驗(yàn)證本文的分析，將各支路首端的有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行計(jì)算并分析，功率變化見(jiàn)圖5和圖6。

圖4 光伏分布式接入配電網(wǎng)前后各支路L指標(biāo)

圖5 光伏分布式接入系統(tǒng)前后各支路首端有功功率

圖6 光伏分布式接入系統(tǒng)前后各支路首端無(wú)功功率

從圖5和圖6可以看出，光伏接入前后對(duì)各支路的有功功率流動(dòng)影響較大，對(duì)無(wú)功功率的流動(dòng)影響不大。根據(jù)公式(7)，由于線路流過(guò)的功率改變，使得支路L指標(biāo)改變，從而影響了系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

根據(jù)以上分析可知，光伏分布式接入對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響機(jī)理為改變了各支路的功率流動(dòng)，從而減小了L指標(biāo)，提高了電壓穩(wěn)定性。光伏集中接入時(shí)，接入到配電網(wǎng)末端位置，改善效果更為明顯。

對(duì)于不同天氣的光伏峰值日照輸出功率變動(dòng)對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定指標(biāo)的影響見(jiàn)圖7。

圖7 不同天氣各支路L指標(biāo)

從圖7可以看出，晴天系統(tǒng)的L指標(biāo)最小，電壓穩(wěn)定性最好，大雨天系統(tǒng)的L指標(biāo)最大，電壓穩(wěn)定性最差。這是由于大雨天光伏輸出功率最小，而晴天輸出功率最多；光伏輸出功率越小，線路流過(guò)的功率越多，越不利于電壓穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文分析了分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定的影響機(jī)理。通過(guò)本文分析可得出以下結(jié)論：

a.相同容量光伏接入配電網(wǎng)末端，會(huì)提高電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定;

b.受天氣影響，光伏峰值日照輸出功率會(huì)發(fā)生變化，少量光伏并網(wǎng)，隨著光伏輸出功率增多，線路流過(guò)功率越少，越利于電壓穩(wěn)定。