光伏发电接入对配电网电压分布特征影响研究

王建波， 李艳， 程远, 张志华

(1. 国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西 西安 710100；2. 西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048)

0 引 言

随着全球气候变暖和能源危机问题的日益突出，发展绿色可再生能源已成为解决能源危机和环境保护的有效途径和必然趋势[1-3]。目前，光伏发电已成为可再生能源的典型代表，但新能源的广泛并网发电又会打破传统电网的单相辐射供电模式，甚至出现潮流逆流，产生光伏并网点电压超标的现象[4]。研究光伏发电并网对配电网线路电压分布特征的影响，可以对典型的电压越限、末端节点电压较低和电压质量不合格等问题提出合理的解决措施。文献[5]针对配电网中引入分布式发电后对线路损耗的影响，从电力系统电压降落的角度分析了光伏并网的影响公式。文献[6]从光伏发电并网的渗透率大小角度，阐述了光伏并网对配网馈线电压的影响。

本文从线路电压损耗方面出发，对单个光伏发电和多个光伏发电系统并网时造成的线路电压分布情况进行了理论分析，以此来指导满足电压偏差时光伏发电接入的合理容量和合理并网地点，最后运用电力系统专业软件PSCAD仿真验证了理论的正确性，证明此次研究可以为光伏发电的合理规划提供依据。

1 光伏并网系统模型

光伏发电系统的并网方式分为：专线接入和T接接入。T接接入方式较灵活，方便执行，而且相对专线接入方式较经济，所以本文选择T接接入方式，将光伏非但系统接入110/10 kV等级的配电网系统中，其并网结构拓扑图如图1所示。

10 kV电压等级的系统可接入的光伏容量范围为400 kW～6 MW，接入方式有单点接入和多点接入两种，主要以三相形式并网。

图1 光伏并网系统结构

光伏阵列通过整流电路(DC/AC)电路并网，逆变过程最关键的是逆变电路的控制环节，将光伏阵列产生的直流电转变为符合要求的工频交流电。本文采用恒功率(PQ)解耦控制策略，使光伏发电系统为配电网提供恒定的有功功率P。PQ解耦控制结构如图2所示，可通过设置Pref和Qref的值来控制注入电网的功率。

图2 PQ解耦控制结构图

2 光伏发电系统的并网分析

图3为单个光伏发电系统接入配电网馈线线路的负荷分布的简化模型。假设线路上分布有N个节点，第m个节点的视在功率为Pm+jQm(m=1,2,…,N)。式中：Pm为有功功率，MW。图3中，线路首端的电压规定为U0，线路上第m个节点的电压规定为Um(m=1,2,…,N)，第m-1和m节点之间的线路阻抗为Rm+jXm=lm(r+jx)。式中：lm为节点m-1和节点m之间的线路距离长度;r为单位电阻;x为单位电抗;PV为节点P接入的光伏容量，0～N为线路节点的编号。

图3 单个光伏发电系统接入馈线示意图

从光伏发电系统接入与参考节点n的相对位置两种情况对光伏并网后的电压分布特征进行分析。

(1)0

(1)

式中：lk为光伏接入点到线路首端的距离，其中k为1～n的变量。中低压配电系统中，线路负荷的功率因数cosφ很高，但线路的电抗X值相对较小,分布式电源功率因数一般介于0.9～1.0之间。所以，可以忽略光伏电源无功功率QV和负荷无功功率Qm的影响，将式(1)简化为：

(2)

由式(2)可知，光伏电源接入系统后的Un值大于光伏电源接入前的值，由此可以说明光伏并网可以提升线路电压，并且电压被提升的程度与r、Pm、PV以及lk直接关联。相邻两节点间的电压差ΔUn为：

(3)

(2)节点n的范围为p

(4)

两节点间电压降ΔUn为：

(5)

当n点位于并网点P之后时，相邻节点间的电压损耗与光伏电源并网前一致，但由于光伏电源已接入系统，整条线路电压都会升高。

从单个光伏并网对电压分布特征的影响分析中可得到多个光伏电源并网时的电压分布特征，Un、ΔUn的表达式如式(6)、式(7)所示：

(6)

(7)

从以上分析可得以下结论：①光伏电源并网前，潮流方向由线路始端流向末端，沿潮流方向电压幅值逐渐减小；②单个PV(Photovoltaic)电源并网后，会提升线路电压幅值；线路参数和负荷大小一定时，电压提高幅度主要由光伏容量PV和接入位置lk决定，PV越大，lk越大，电压幅值被提升越高，PV大小决定并网点是否会出现局部极大电压，lk决定局部极大电压出现的区域；③多个PV电源接入线路后，对整条线路电压的提升效果更加明显。

3 PSCAD建模仿真计算分析

参照图1的光伏并网拓扑结构图进行仿真验证。在PSCAD/EMTDC仿真软件中建立光伏并网仿真模型，L1、L2、L3、L4是4条架空线路，线路长度l=12 km，节点N=12，将线路均匀等分为12份，相邻两节点间架空线路长度为1 km，线路呈现感性[7]。线路各参数如下：电阻r1=0.21 Ω/km;r0=0.36 Ω/km;感抗x1=0.398 Ω/km;x0=1.433 Ω/km;电纳b1=2.862 μs/km;b0=1.812 μs/km;变压器T为110 kV/10.5 kV的降压变压器；10 kV的配电线路上接入负荷的总容量为S=4.62 MVA;功率因数cosφ=0.9；规定线路始端电压U0=1.05 pu。

对光伏接入容量、接入位置和接入方式3个方面进行仿真验证。结果如下：

1)不同接入位置

将容量P=4 MW、功率因数cosφ=1的单个光伏电源(渗透率为86.9%)并网进行仿真，处理数据可得到如图4所示的结果。

图4 负荷节点接入4 MW PV后的电压分布

线路未接入光伏DG时，从始端到末端线路电压逐渐降低，在线路末端12节点电压降到0.973 pu。4 MW光伏电源接入各个负荷节点后，可有效改善末端节点电压偏低的情况，并且随着并入的位置越靠近线路末端，线路电压被提升的程度越明显，在并网点还会形成一个局部最大电压。在接入节点2、4、6、8、10时，被提升的电压幅值都在电压偏差允许范围内。但接入在末端12节点时，并网点的电压已达到1.05 pu。

2)不同接入容量

选定其中一条馈线的中间节点6，将容量P=0 MW、2 MW、4 MW、6 MW、8 MW、10 MW的光伏电源依次并网进行仿真计算，处理数据见图5。

图5 不同容量PV并网线路电压分布图

从图5可知，馈线电压被提升的程度还由接入光伏DG的容量决定，随接入光伏容量的逐渐增加，上游电压从下降状态变为上升状态，并网点下游电压呈下降状态，但馈线电压整体被提升，改善了馈线末端电压偏低的现象。接入DG容量为6 MW时，并网点电压达到1.05 pu，接入DG容量为8 MW和10 MW时，并网点电压分别为1.066 pu和1.08 pu，超出了电压允许的偏差上限，因此，光伏并网还应充分考虑DG的并网容量。

3)多个光伏分散接入

将总容量P总=4 MW光伏分散接入到线路，接入方式如表1所示。

表1 P总=4 MW的光伏分散接入方式

按表1中的接入方式分别进行仿真计算，得到图6所示的结果。

图6 4 MW分散接入电压分布

将总容量P总=6 MW的光伏分散并入到线路。接入方式如表2所示。

表2 P总=6 MW的光伏分散接入方式

按表2中的接入方式分别进行仿真计算，得到如图7所示的电压分布结果。

图7 6 MW分散接入对比图

由图6可知，P总=4 MW光伏的3种分散接入情况都可以提升馈线电压，其中接入节点1～4的情况对电压的提升效果最小，接入节点9～12对电压提升效果最好，但存在末端电压越限的情况，当接入节点5～8时，馈线电压被提升效果较理想。图7所示为6 MW光伏依次接入2、4、6、8、10、12节点和6个1 MW光伏同时接入相同节点所得到的结果，分散接入的方式使线路电压分布均匀，没有出现局部电压极大值，供电电压平稳，有效地提高了系统运行的稳定性。

在此基础之上，本文给出了光伏发电系统在不同接入情况下，配电网公共母线电压的变化特征，其结果如图8所示。

图8 系统PCC母线电压变化情况

由图8可知，在不同光伏接入容量以及不同接入位置等多工况因素下，系统母线电压整体处于正常范围内。当PV>4 MW时，母线电压VPCC随着光伏接入位置靠近线路尾部而逐渐下降，当PV<4 MW时，母线电压VPCC随着光伏接入位置靠近线路尾部逐渐升高。当光伏容量P=3～4 MW，在线路7～11 km并网时，PCC点电压VPCC可以达到1.05 pu。

4 结束语

本文对稳态情况下单个和多个光伏并网后配网馈线电压的分布特征进行了理论分析，结合PSCAD仿真分析可得到以下结论：

(1)光伏并网可有效改善线路末端电压过低的现象，会提升线路电压，其并网位置lk和并网容量PV决定馈线电压被提升的程度。当并网点靠近线路末端或光伏并网容量较大时，会在并网点形成局部最大电压，导致电压越限。

(2)相同容量的光伏电源，分散接入线路比集中接入的效果好，线路整体电压更加稳定，并且不容易出现电压越限的情况。集中并网方式下，并网点靠近线路末端较靠近线路首端时对线路电压的提升效果好。

(3)光伏接入电网时应充分考虑接入容量和接入位置，防止并网点及其周围节点电压越限。光伏发电系统在多工况下接入电网时，系统侧母线电压幅值有波动，但会稳定在正常范围内。