光伏電源接入故障配電網(wǎng)的電壓分布研究

張 瑞

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南 232001）

0 引言

光伏發(fā)電作為一種優(yōu)質(zhì)的可再生能源，和傳統(tǒng)的化石能源相比，具有在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完畢后物資投入少，對環(huán)境幾乎沒有污染，易于接入配電系統(tǒng)等優(yōu)點。雖然在發(fā)電設(shè)施基數(shù)較小時，光伏發(fā)電受到天氣、時段的影響較大，但是我國的陸地面積極其廣闊，與之對應(yīng)的就是數(shù)量眾多的光伏發(fā)電基站和豐富的太陽能資源，不會因為某一地區(qū)的天氣問題而導(dǎo)致光伏發(fā)電量波動過大。得益于地域優(yōu)勢，我國的光伏電源發(fā)展前景十分樂觀，對于改善當(dāng)下的能源消耗結(jié)構(gòu)具有重大意義。

文獻[1]分析了DG（分布式電源）接入對配電網(wǎng)電壓分布的影響，研究了利用DG提高配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度的方法；文獻[2]提出配電網(wǎng)系統(tǒng)中的有功功率和無功功率不平衡時，DG自身可以對系統(tǒng)提供一定的無功補償；文獻[3]體現(xiàn)了DG出力和負(fù)荷的時變性，引入約束條件對模型進行優(yōu)化，最終得出配電網(wǎng)中的DG和補償電容器的最優(yōu)參數(shù)；文獻[4]把有功功率網(wǎng)損作為目標(biāo)函數(shù)進行尋優(yōu)，得出光伏電源提供一定的無功補償可以減少配電網(wǎng)的功率損耗；文獻[5]研究了PV節(jié)點類型的分布式電源分別改變?nèi)萘亢徒尤朦c位置后配電網(wǎng)的電壓分布，并進行仿真實驗，得到了配電網(wǎng)電壓波動的運行規(guī)律；文獻[6-7]在配電網(wǎng)諧波電壓和諧波電流方面考慮了DG不同接入位置和容量的影響；文獻[8-10]分析了電網(wǎng)背景諧波和含分布式光伏的配電網(wǎng)諧波之間的相互作用。

1 故障時電壓波動

配電網(wǎng)發(fā)生故障的初始網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)如圖1所示，各項參數(shù)皆參照IEEE 33標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點，節(jié)點5接入有功容量為400 kW的光伏電源。分段開關(guān)以實線表示，聯(lián)絡(luò)開關(guān)以虛線表示，支路3—23發(fā)生永久性故障，已經(jīng)斷開，已經(jīng)導(dǎo)致負(fù)荷23—25非故障停電。

比較故障發(fā)生前后的電壓分布，電壓大小以標(biāo)幺值表示。如圖2所示，實線為故障發(fā)生后，虛線為故障發(fā)生前，可以看出，負(fù)荷節(jié)點23、24、25失電后，各節(jié)點電壓均小幅上升。

2 分布式電源接入

傳統(tǒng)配電網(wǎng)不接入分布式電源時潮流是單向流動的，為單電源輻射式拓?fù)?，潮流隨著傳輸距離逐漸減小；接入分布式電源后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將會發(fā)生質(zhì)變，從單電源輻射系統(tǒng)變?yōu)殡p電源供電，甚至是多電源多負(fù)荷互聯(lián)系統(tǒng)，而且接入位置、方式和容量的不同選擇都會使得潮流流向更加難以確定。

配電網(wǎng)的電壓分布由電力系統(tǒng)電源容量和負(fù)荷所決定，當(dāng)配電網(wǎng)的輸入電源功率和負(fù)荷改變時，其各節(jié)點電壓必定會發(fā)生電壓波動或產(chǎn)生偏差。由于氣候變化和時間因素，光伏電源所依賴的太陽能具有較大波動性和不可操控性，因此光伏電源無法像常規(guī)電源那樣保持在穩(wěn)定出力狀態(tài)。但是在仿真過程中暫時不考慮光伏電源出力的時變性，而是將光伏電源視為有功容量恒定的一個PV節(jié)點接入系統(tǒng)。通過分析配電網(wǎng)系統(tǒng)中分布式電源接入情況下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電壓分布，得到分布式電源接入方式、容量和位置等因素對于配網(wǎng)系統(tǒng)的影響。最直觀的觀測量就是最大電壓降，最大電壓降越小，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好。

式中：ΔU為最大電壓偏移；U為初始節(jié)點電壓；U（i）為第i個節(jié)點電壓。

2.1 DG接入點與故障點的距離

探究DG接入點與故障發(fā)生點的距離對最大電壓降的影響。光伏電源的有功容量為400 kW，功率因數(shù)為0.85，分別接入5節(jié)點、13節(jié)點及33節(jié)點。對比每種情況下的電壓分布情況。

如圖3和圖4所示，實線為5節(jié)點接入分布式電源，虛線為13節(jié)點接入分布式電源，點線為33節(jié)點接入分布式電源。

當(dāng)接入節(jié)點距離始端較近時，對于整體的配電網(wǎng)節(jié)點電壓影響較小，支撐效果不明顯；但是接入節(jié)點距離末端過近時，系統(tǒng)會近似形成雙電源供電系統(tǒng)，使得支撐電壓過高。33節(jié)點接入分布式電源時，末端幾個節(jié)點電壓明顯升高，且越靠近末端影響越明顯。當(dāng)接入的光伏電源容量逐漸增大到一定程度時，末端節(jié)點電壓甚至可能率先越過規(guī)定的電壓上限。且接入33節(jié)點時系統(tǒng)最大電壓降的標(biāo)幺值為0.075 p.u.，電壓最低值出現(xiàn)在18節(jié)點，遠(yuǎn)低于其他情況，末端節(jié)點又遠(yuǎn)高于正常情況，電壓波動非常不穩(wěn)定。

當(dāng)光伏電源接入配電網(wǎng)中間區(qū)域即仿真中的13節(jié)點時，系統(tǒng)最大電壓降的標(biāo)幺值相對于接入33節(jié)點的情況下降了0.003 6 p.u.，且未出現(xiàn)在同一節(jié)點，而是分別位于18和33節(jié)點。接入中間區(qū)域時擁有一定的支撐效果，配電網(wǎng)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

可以看出DG接入點離首端較近時，對各節(jié)點電壓的影響較??；光伏電源并網(wǎng)位置接近末端節(jié)點時，對各節(jié)點電壓的提升幅度較大。接入節(jié)點選擇配電網(wǎng)的中間區(qū)域較為合適。

2.2 DG容量的影響

光伏電源的較大容量代表著高滲透率分布式電源。在功率因數(shù)不變的情況下，將分布式電源容量擴大到兩倍，即功率因數(shù)依然是0.85，有功容量變?yōu)?00 kW，探究容量大小對各節(jié)點電壓的影響程度。如圖5所示，虛線為加大一倍容量后的電壓分布。

可以發(fā)現(xiàn)光伏電源的出力大小對節(jié)點電壓有著較為明顯的影響。光伏電源容量越大，也就是光伏電源滲透率越高時，節(jié)點電壓提升幅度越大。容量加倍后最大電壓降的標(biāo)幺值由0.078 p.u.下降為0.074 p.u.。

2.3 功率因數(shù)對電壓分布的影響

當(dāng)光伏逆變器控制原理不同時，光伏電源的功率因數(shù)將會有所改變，下面研究功率因數(shù)改變時對配電網(wǎng)電壓分布的影響。分別將功率因數(shù)為0.6、0.8和1.0的光伏電源接入節(jié)點5，并且為了增大差異，將有功容量統(tǒng)一改為1 200 kW。如圖6所示，點畫線為0.6功率因數(shù)，實線為0.8功率因數(shù)，虛線為1.0功率因數(shù)。

由仿真結(jié)果可以得出，DG的功率因數(shù)對于配電網(wǎng)的電壓分布雖然有影響，但即便是在DG容量增大且功率因數(shù)相差較大的前提下，各節(jié)點電壓的波動幅度依然十分微小。同時，節(jié)點電壓隨著功率因數(shù)的降低而逐漸升高，這是由于隨著功率因數(shù)的減小，有功容量不變的光伏電源輸出的無功功率逐漸增加，節(jié)點電壓逐漸提高。

2.4 多光伏電源接入

現(xiàn)實情況中配電網(wǎng)接入的DG往往不止一個，需要研究光伏電源集中并網(wǎng)與分散接入對電壓分布的影響。仿真實驗中單個接入節(jié)點5的光伏有功容量依然是400 kW。然后將容量均分，同時把3個有功容量為133.3 kW的光伏電源接入配電網(wǎng)中。接入位置分別是節(jié)點4、節(jié)點12、節(jié)點32，得到電壓分布變化曲線，并與初始潮流情況相比較。

如圖7所示，實線為單一接入節(jié)點5，虛線為分散接入3個節(jié)點。

可以看出，同等容量和相同運行方式的配電網(wǎng)系統(tǒng)，光伏電源分多節(jié)點接入要比單節(jié)點接入的電壓支撐效果更好，系統(tǒng)的最大電壓降標(biāo)幺值由0.078 p.u.降為0.073 p.u.，配電網(wǎng)也更穩(wěn)定。

3 結(jié)論

通過以上仿真結(jié)果可以得出結(jié)論：同等容量下光伏電源的功率因數(shù)改變對配電網(wǎng)的電壓波動影響較小。對于已經(jīng)發(fā)生故障而導(dǎo)致部分負(fù)荷失電的配電網(wǎng)系統(tǒng)，在系統(tǒng)的中間區(qū)域分散接入若干個滲透率較高的分布式電源能起到一定的支撐作用，使配電網(wǎng)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。