光伏電源接入對配電網電壓的影響研究

張 昕魏立明

(吉林建筑大學,吉林 長春 130119)

隨著電網中光伏滲透率的提高,光伏系統(tǒng)對配電網電壓的影響逐漸增加,因此,研究光伏發(fā)電系統(tǒng)并網對配電網電壓的影響性能,促進光伏電源和電力系統(tǒng)協(xié)調運行,具有十分重要的實用價值[1-2]。針對光伏發(fā)電并網對配電網電壓產生的影響,目前已有一些文獻進行研究。文獻[3]針對光伏電源并網后線路電壓的變化情況,對單個和多個光伏電源并網后的電壓變化進行了公式推導。文獻[4]分析了分布式發(fā)電接入對配電網電壓的影響,并提出了利用分布式發(fā)電提高配電網電壓穩(wěn)定裕度的措施。文獻[5]考慮諧波、電壓波動與閃變等問題,研究了多個光伏電源接入點和配電網之間的交互影響。文獻[6]研究了風力、光伏發(fā)電等不同新能源發(fā)電并網的電能質量問題,并給出了切實的思路和方案。本文從理論和實際算例仿真兩個方面闡述與驗證了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)對配電網穩(wěn)態(tài)電壓分布以及并網處電壓產生的影響。

1 單個光伏電源接入對配電網節(jié)點電壓的影響

光伏發(fā)電系統(tǒng)并入配電網后將改變配電網原有結構,不但改變配電網潮流流向和大小,其發(fā)電功率的波動性還會影響配電網節(jié)點電壓的安全[7-8]。

配電網系統(tǒng)大多為輻射式結構,在穩(wěn)定運行狀態(tài)時,配電網節(jié)點電壓從首至尾逐漸降低。在光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網后,配電網將轉變?yōu)橛性淳W絡,結構明顯改變。

圖1為一般低壓配電網系統(tǒng),共有N個節(jié)點。其中負荷Pn+jQn(n=1、2、3...N)為第N個節(jié)點,每個節(jié)點的電壓為Un(n=1、2、3...N),線路始端電壓為U0,第N個節(jié)點的電壓為UN,第n條線路與n-1 條線路之間的阻抗為Rn+jXn=ln(r+jx),其中l(wèi)n為2個節(jié)點間線路的長度,r、x分別為線路單位長度的電阻與電抗,P節(jié)點處(1≤P≤N)接入的光伏容量為PV。

圖1 單個光伏接入配電網示意

1.1 光伏接入前饋線電壓分布

以功率向負載方向流動為正,并忽略線路損耗。若節(jié)點P未接入光伏電源,由電力系統(tǒng)知識可得,第m與m-1節(jié)點間的電壓降落為

式中:Um、Um-1分別為圖1所示配電網第m、m-1的電壓,l≤m≤N。

因為每個節(jié)點都有負荷且Pn>0,所以節(jié)點電壓從頭至尾逐漸降低,可推得線路上節(jié)點m處的電壓為

因為在配電系統(tǒng)中負荷Qn較小且線路電抗較低,忽略負荷無功的影響,將公式(1)與(2)簡化后可得

1.2 光伏接入后饋線電壓的分布

在節(jié)點P接入光伏電源,位于光伏接入點前的節(jié)點電壓為

觀察公式(5)和公式(4)可以看出,光伏并網后,位于光伏接入點前的節(jié)點電壓將得到一定的提高,而節(jié)點電壓提升的大小不僅與配電網饋線的參數、負荷的功率大小相關,還與光伏接入的容量大小和并入的位置相關。

從公式(5)可以得到,第m與第m-1節(jié)點間的電壓變化為

在節(jié)點P接入光伏電源,位于光伏接入點后面的節(jié)點電壓為:P≤m≤N

其中,P≤m≤N。

第m與第m-1節(jié)點間的電壓變化為

分析公式(8)可以得出,當在節(jié)點P接入光伏電源,位于光伏接入點后面的節(jié)點電壓母線電壓逐漸降低。

由以上分析可知,配電網中只并入一個光伏電源時,會提升配電網線路各節(jié)點電壓。若改變光伏電源出力大小以及并網位置,配電網線路節(jié)點電壓將有以下3種情況:逐漸降低;先降低后升高,再降低;先升高,再降低。

對于后2種情況,光伏電源接入位置的電壓Up是局部電壓最高點,其大小可表示為

這時,若要保證配電網線路上各節(jié)點電壓幅值都滿足運行要求,應使Up在線路允許的最大電壓偏差范圍之內,也就是Up要小于最大值。由此可確定線路應接入的最大光伏容量以及相應的功率因數從而進行有功無功的輸出控制。

2 多個光伏電源接入對配電網節(jié)點電壓的影響

圖2為傳統(tǒng)低壓配電網系統(tǒng)中接入多個光伏電源的情況,設接入的光伏容量為Pvn(n=1,2,3,...,N),若存在節(jié)點未接入光伏發(fā)電,則表示這個節(jié)點并入的光伏容量Pv=0。

圖2 多個光伏接入配電網示意

當多個節(jié)點接入光伏電源發(fā)電后,節(jié)點m的電壓為

同上節(jié),在不考慮無功功率的影響時

由公式(12)可得,若節(jié)點m后接入的全部負荷小于光伏發(fā)電功率時,配電網的各節(jié)點電壓升高。在光伏電源并網后,配電網潮流分布發(fā)生改變。光伏電源的接入降低了配電網線路上功率的流動,從而導致配電網線路上節(jié)點電壓大幅升高,甚至出現節(jié)點電壓越上限的問題。電壓變化的大小與多種因素相關,例如,光伏電源接入容量、實際發(fā)電功率情況以及光伏電源并網位置等。

3 仿真驗證

為檢驗光伏電源接入配電網后具體的影響程度,驗證上面分析的準確性,本節(jié)在MATLAB 仿真軟件上搭建IEEE33節(jié)點配電網系統(tǒng)模型進行仿真驗證。測試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 IEEE33節(jié)點測試系統(tǒng)

在此IEEE33 節(jié)點配電網系統(tǒng)模型中,設置系統(tǒng)功率的基準值SB=10 000 k VA,設置線電壓的基準值UB=12.66 k V,系統(tǒng)總有功功率P總=3 715 k W,系統(tǒng)總無功功率Q總=2 300 kvar。設置母線“0”處為IEEE33 節(jié)點配電網的理想電源。為研究光伏并網特性,這里假定光伏電源為恒定功率電源,并網不考慮其本身控制。

3.1 光伏輸出功率對配電網節(jié)點電壓的影響

為分析光伏出力變化對配電網節(jié)點電壓的影響,這里分別設置500 k W、2 000 k W 和4 000 k W的光伏電源并到節(jié)點8號位置。對比不同光伏輸出功率時,IEEE33節(jié)點配電網系統(tǒng)各節(jié)點電壓分布情況如圖4所示。

圖4 光伏電源不同接入容量對節(jié)點電壓影響

由圖4 可以看出,當接入光伏輸出功率為4 000 k W 時,節(jié)點8號母線電壓超過了1.02 pu,可能越上限。隨著光伏輸出功率的增加,各節(jié)點電壓提升的幅度逐漸增加。并且在特殊情況下,光伏接入位置母線電壓會出現局部峰值,有超越規(guī)定上限的可能。若光伏電源出力大于配電網負載總和時,光伏接入位置母線電壓以及其周圍母線處的電壓都會出現電壓越上限的情況,影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

3.2 光伏接入位置對配電網節(jié)點電壓的影響

依次在IEEE33節(jié)點配電網系統(tǒng)的不同節(jié)點上并入光伏電源,設置并入的光伏額定容量相同,大小均為1 000 k W,對比不同位置接入光伏電源后配電網系統(tǒng)各節(jié)點電壓大小,節(jié)點電壓分布情況如圖5所示。

圖5 光伏電源不同接入點對節(jié)點電壓影響

由圖5可以發(fā)現,線路電壓因為并網光伏位置的變化而改變。尤其是將光伏電源接入配電網線路末尾時(如32節(jié)點處接入,電壓升高近0.05 pu),配電網的電壓升高最為明顯,極易出現電壓越上限問題。為避免電壓越限問題的產生,在光伏電源規(guī)劃時應避免在配電網末端并網,而是將光伏電源的并網位置規(guī)劃在配電網中間靠后的線路上,這時能夠有效利用光伏并網的升壓效果。

4 結束語

隨著光伏發(fā)電在電網中接入的比例逐年遞增,電力系統(tǒng)對配電網電壓穩(wěn)定性也提出了更高的要求。本文對光伏發(fā)電并網后有功功率和無功功率對電壓偏差的影響機理進行了分析,并對光伏電源并網后配電網電壓越限機理進行了研究,得出了不同情況下光伏電源并網對配電網電壓的影響規(guī)律,為合理設置光伏電源的運行方式,提升配電網的電壓質量提供了理論基礎。