分布式光伏发电系统对配电网电压的影响分析

屈克庆, 葛海锋, 孔 玮

(上海电力学院 电气工程学院, 上海 200090)

在目前的市场机制和政策体系下,与建筑相结合的分布式光伏发电是太阳能发电的重要应用方式,但目前我国还没有形成适应分布式发电发展的价格机制和电力体制。特别是在并网运行管理和电网接入方面,没有建立与分布式发电相适应的并网运行和电网接入机制,不能充分发挥分布式光伏发电效率高、规模小、效益好的优势[1]。

研究分布式光伏发电系统接入对配电网的影响,能有针对性地提高分布式光伏发电系统的电能质量,有利于形成适应分布式发电发展的电力体制和价格机制,进而推进分布式光伏发电系统的发展与普及。

1 分布式光伏发电系统接入对配电网的影响

根据已有的研究可知,光伏并网对配电网的影响主要在3个方面:一是配电网电压提高;二是电压分布改变;三是电压波动或闪变[2]。 分布式光伏发电系统接入配电网将明显抬升公共耦合点(Point of Common Couple,PCC)电压,对线路电压也有提升作用。提升幅度主要受线路参数、用户负荷大小、光伏发电出力以及接入位置的影响[3-4]。分布式光伏发电系统的接入,增加了系统的短路容量,能在一定程度上抑制区域配电网的电压波动,但是在分布式光伏发电系统接入和退出配电网的过程中,可能造成较大的系统电压波动,而外部环境如光照和温度等的变化也会导致输出功率不稳定,从而引起电压波动。

配电网接入分布式光伏发电系统后,线损的变化主要受其接入位置、额定容量以及功率因数的影响[5]。以2倍负荷容量为界限,若其接入容量小于负荷容量的2倍,则能减少配电网的线损;若其接入容量大于负荷容量的2倍,则会增加配电网的线损。当分布式光伏发电系统接入在线路前端位置时,线路的网损率有所下降,并且随着位置的后移,网损率下降的幅度变大;当分布式光伏发电系统接入在配电网的后端位置时,随着接入位置的后移,网损率有所上升,但相对于无光伏系统接入,其网损率仍有所下降。因此,当光伏发电系统容量一定时,分布式光伏发电系统接入配电网中部位置时配电网的网损率最小。

目前,我国的中低压配电网结构大多是单电源放射状链式结构。分布式光伏发电系统的接入使其变化为多电源,配电网的潮流和系统发生故障时,其短路电流的大小及方向等均可能发生变化,因此分布式光伏发电系统的接入会对配电网的保护带来一定的影响[6]。

2 分布式光伏发电系统建模

本文采用的分布式光伏发电并网系统结构如图1所示。

图1 分布式光伏发电系统结构

图1中,光伏阵列产生一定的电压UPV和电流IPV,根据最大功率点跟踪(Maximun Power Point Tracking,MPPT)技术控制Boost升压电路开关管的接通和关断,以跟踪光伏电池输出最大功率时的光伏电池端电压Umpp,再通过逆变器将直流电变为交流电,经LCL滤波器滤除谐波后接入电网,其中逆变器控制策略由直流电压外环、网侧电流中环和逆变器侧电流内环这3环组成。直流电压环能直接有效控制直流母线过电压,逆变器侧电流环能改善系统稳定性,网侧电流环能直接控制入网电压和电流[7-9]。通过电压锁相环获得电网电压的频率和相位,使得逆变器输出电压的频率和相位与电网一致。三环控制框图如图2所示。

图2 三环控制示意

本文采用的具体控制策略如下。

如图2所示,直流电压外环采用PI控制器,PI控制器能根据差量进行调节,实现零稳态误差。通过锁相环获得电网电压的相位角θ,由sinθ与直流电压控制输出的乘积获得电网侧电流的参考值;网侧电流中环也采用PI控制器进行调节[10],网侧电流控制输出即为逆变器侧电流内环的参考值。引入逆变器侧内环的目的是为了改善系统的稳定性,故采取比例调节即可。这样可以实现快速调节。最后经脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)调制后获得逆变器的控制信号脉冲。

3 仿真实现与分析

在我国,配电网的拓扑结构较多,但城乡配电网大多以放射状链式结构为主,因此本文采用链式结构配电网。该配电网线路电压等级为220 V,频率为50 Hz;线路上一共有8个用户,每2个用户之间的距离为0.04 km,线路导线型号为LGJ-25,线路单位长度阻抗为1.131+j0.393 Ω/km;每个用户消耗的有功功率为0.000 8 MW,无功功率为零,其中用户4接分布式光伏发电系统。由于配电网线路较短,电压等级较低,所以将线路阻抗表示成电阻和电抗的等效电路。

R=1.131×0.04=0.045 24 Ω

由于ωL=Q,又有ω=2π/T,所以

图3为配电网模型图。根据上述参数搭建的配电网仿真模型参数如下:仿真时间为1.2 s,仿真步长为10 μs。

图3 配电网模型

3.1 光伏发电出力对电压的影响

在上述模型的基础上,通过改变光照强度来改变光伏发电的入网功率,以研究光伏发电系统发电出力对配电网电压分布的影响。设定负荷大小为0.000 8 MW不变,线路阻抗也不变,分布式光伏发电系统接入用户4,改变光伏出力大小,测量各节点电压。仿真结果如图4所示。

由图4可知,分布式光伏发电系统的接入对各节点的电压有明显的提升作用,并且光伏发电系统接入点的电压增幅最大,该接入点之后的节点的电压提升也较为明显。

图4 光伏出力对电压分布的影响

此外,分布式光伏发电系统的发电出力越大,各节点电压增幅越大。分布式光伏发电系统的接入使得每2个节点之间的电压差也有所减小。

3.2 负荷大小对电压的影响

采用不同的负荷来测量各节点电压变化情况。仿真结果如图5所示。

由图5可知,线路负荷大小对一定容量光伏发电系统接入后电压的升高幅度有影响,当负荷越小时,各节点电压升高的幅度会越大,节点间的电压差也越大。

图5 负荷大小对电压分布的影响

3.3 接入位置对电压的影响

将分布式光伏发电系统分别接入不同的节点,测量各节点电压的值。仿真结果如图6所示。

由图6可知,分布式光伏发电系统的接入位置对配电网的电压分布有较大影响,其接入位置越接近链式配电网末端,对配电网电压的提升作用越明显。若将发电容量较大的光伏系统接在配电网末端,将可能导致电压越限。

图6 光伏发电系统接入位置对电压分布的影响

3.4 线路阻抗对电压的影响

定义电压变化率为:(接入光伏系统电压-无光伏电压)/无光伏电压×100%。其表示接入分布式光伏发电系统后负荷变化对各节点电压的影响程度。不同阻抗时电压变化率如图7所示。

由图7可知,阻抗越大(即线路越长,导线横截面积越小),分布式光伏发电系统接入对电网电压的影响也越大。

图7 不同阻抗时电压变化率

4 结 语

本文概述了分布式光伏发电系统的接入对配电网网络损耗及保护的影响。在PSCAD软件中搭建了分布式光伏发电系统和配电网,研究不同条件下分布式光伏发电系统接入前后电压的变化情况。仿真结果表明:分布式光伏发电系统发出功率越大,接入位置越靠近配电网末端,其对配电网电压的抬升作用越明显;负荷越小,分布式光伏发电系统的接入对配电网电压的抬升作用越明显,但是节点之间的电压差越小;阻抗越大,分布式光伏发电系统接入对电网电压的影响也越大。