分布式光伏接入对配电网电压影响及工程计算

张剑帅，杨洋，汪涛

（1.云南电网有限责任公司研究生工作站，云南 昆明 650217；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217；3.云南电网有限责任公司大理祥云供电局，云南 大理 672100）

0 前言

自2020 年“双碳”目标提出以来，我国新能源领域得到快速的发展；特别是分布式能源发展尤为迅速，分布式光伏大规模接入配电网将会成为我国新型电力系统的一个重要发展方向，分布式光伏也将会成为我国未来的电力市场重要主导因素之一[1-2]。

分布式光伏的发展及运用虽然带来了很大的环保和经济效益，减少了化石能源的使用及大量的二氧化碳排放，但是光伏发电具有很大的随机波动性，受到天气变化和昼夜交替因素的影响，其接入会给配电网的安全稳定运行带来一系列的挑战。特别是低压配电网中接入大规模的分布式光伏后，会给配电网带来电压波动、闪变和电压越限等不利于配电网安全稳定运行的因素[3-6]。所以分布式光伏的接入对配电网产生的影响是一个应该重点关注的问题。

在分布式光伏接入对配电网影响的领域国内外学者已经做了很多的研究。文献[7]先从理论上分析了光伏接入对配电网网损和电压方面的影响，并运用PSCAD 进行了仿真验证，模拟光伏接入容量、接入位置对配电网的影响。文献[8]提出了一种基于谐波震荡抑制和信号统计检测的方法来监测分布式光伏接入对配电网造成的电压波动；通过对电压波动信号的能量谱进行频谱偏移特性分析，然后应用统计信息分析的方法进行高分辨谱特征提取和识别从而实现配电网电压波动检测。文献[9]对分布式光伏在配电网中的接入位置和接入容量引起的电压偏差进行了分析研究，并基于Simulink 进行了仿真分析。

此外，很多学者在考虑了分布式光伏系统对配电网电压分布的影响外，还从分布式光伏在配电网中的接入位置、接入容量进一步说明对配电网电压的影响，并提出了变压器的分接头调整、电容器调节、储能调节等方案来改善电压质量问题[10-13]，从而能进一步提高光伏并网比例。

尽管针对分布式光伏接入对配电网电压质量影响做了很多研究，但目前很多研究仅局限在分布式光伏接入对配电网电压产生影响趋势，仅对配电网影响做了定性分析没有做到影响大小的定量分析。在实际的工程应用中需要计算出一定容量的分布式光伏接入下对配电网电压影响的大小来指导配电网中分布式光伏的接入，保证配电网的安全稳定运行。

本文针对分布式光伏接入的配电网，提出了因素拆分及效果叠加的方法，首先将系统电源及光伏电源对配电网的影响进行拆分，针对含多个分布式光伏的系统也分别拆分出每个光伏电源的作用；其次依次将所有电源对配电网产生的效果进行叠加，构成整体系统运行下配电网电压状态分析；此外，在低压配电网中居民用电功率很高而线路的电抗值较小，可以忽略无功功率的作用，以此提出了分布式光伏接入下配电网电压计算的适于工程运用的简化模型；最后通过Matlab/Simulink 搭建了IEEE33节点配电网系统仿真对模型进行了验证，结果表明模型具有较高的实用性和可靠性。

1 配电网节点电压影响理论分析

1.1 单一系统电源下配电网节点电压分析

当仅有系统电源接入情况下，且为有N个节点的常规链式配电网，如图1 所示。分析电源接入下任意节点m的电压变化ΔUm1可表示为：

图1 链式配电网模型

式中：U0为线路首段电压；Pn，Qn分别为节点n处的有功负荷和无功负荷；Rk，Xk分别为第k 段线路的电阻值和电抗值，且Rk+jXk=lk(rk+jxk)，lk、rk、xk分别为第k段线路的长度、单位阻值和单位电抗值。

1.2 单一光伏电源接入下配电网节点电压变化分析

在分布式光伏的接入情况下，随着功率注入会增加配电网中的有功、无功功率进而导致配电网部分节点电压升高。设PV 单独作用情况下，接入点为q，接入容量为PPV+jQPV。此时系统电源视为断开状态，其配电网结构如图2 所示：

图2 单个光伏接入的配电网模型

在q 点接入光伏电源后，随着光伏电源的有功、无功功率注入改变了接入点负荷分布。同时，光伏电源接入对接入点上游和下游节点电压的影响需要分别讨论。

1.2.1 当m点位于光伏接入点q上游

由光伏电源接入引起的电压升高ΔUm-pvf表达式为：

1.2.2 当m点位于光伏接入点q下游

由光伏电源接入引起的电压升高ΔUm-pvb表达式为：

1.3 多个光伏电源接入下配电网节点电压变化分析

配电网中多个分布式光伏电源接入情况下，设接入点分别为q1，q2，…，qj，接入容量分别为PPVi+jQPVi，（i=1，2，…，j）, 其配电网结构如图3 所示：

图3 多个光伏接入的配电网模型

多个分布式光伏电源接入对配电网电压变化的分析同单个光伏电源产生的影响分析一致，只是在考虑光伏电源的作用时，需要依次考虑每个光伏单独作用和其他光伏电源处于开路情况。根据叠加原理将其影响进行加和，即为多个光伏接入下对配电网作用结果。其表达式为：

1.4 综合系统电源及光伏电源下的配电网节点电压分析

配电网具有辐射状拓扑的特点。一般配电网是以环状设计的，但其在运行时，中间任何一个环上都有一个开关处于常开状态，其实际以辐射状形式运行。图4 是一简单的配电网运行拓扑图，其在节点3 开始分支为两条支路，支路的末端节点分别为节点M 和节点N；支路M 中的节点j、k分别接入分布式光伏PVj、PVk；支路N 中的节点i接入分布式光伏PVi。

图4 多光伏接入下的简单配电网拓扑图

1.4.1 具有单一分布式光伏的配电网

光伏电源接入前，由式（1）在系统电源下配电网电压变化分析，则配电网中任意相邻两节点电压降为：

则节点m 的电压Um1为：

由图4 的拓扑结构可知：

式中：PLn、QLn、PGn、QGn（n=1，2，3，…）f分别为节点n负荷的有功、无功功率及分布式光伏注入的有功、无功功率。

在低压配电网中，考虑到低压线路中的电阻较大且远大于电抗值，为了便于工程计算可以忽略无功功率，则有：

当PV 从接入节点q 如图1 所示，接入容量为PPV+jQPV，为了便于计算功率因素选为1。此时，在系统电源及光伏电源的作用下结合式（1）和式（2）得q 点上游节点电压为：

忽略无功功率，则有：

结合式（1）和式（3）得光伏接入点下游节点电压为：

忽略无功功率，则有：

1.4.2 具有多个分布式光伏的配电网

多个光伏接入的配电网模型如图3 所示，假设节点qn接入光伏的容量为PPVn+jQPVn，当所有分布式光伏接入后，结合式（1）和式（4）可得配电网节点m 的电压为：

忽略无功功率后则有：

基于如上分析得配电网电压简化模型：

2 算例验证

基于多种情况下的配电网，为了验证工程模型的实用性，运用Matlab/Simulink 构建IEEE33 配电网模型进行仿真分析，基于传统潮流算法和构建的工程数学模型进行多种分布式光伏接入下的仿真，分析分布式光伏不同形式接入下对配电网的影响趋势及对比传统潮流算法分析构建模型的准确性。配电网的拓扑结构如图5 所示，配电网络由33 个节点及32 条支路组成。IEEE33 节点系统负荷为3715+j2300 kVA，系统额定电压为12.66 kV。IEEE33 节点支路的原始数据如表1 所示：

表1 IEEE33节点系统原始数据

图5 IEEE33节点系统配电网拓扑图

2.1 无光伏接入下的配电网仿真分析

为了验证模型的准确性和可靠性，同时为了直观地分析配电网运行过程中的电压分布情况，基于表1 所示的实际配电网数据进行仿真。在仿真运行中分别采用传统的配电网潮流算法和本文所构建的工程简化算法，其仿真结果如图6 所示：

图6 不同算法下配电网节点电压分布情况

由图6 可以看出，采用传统的潮流算法和所提出的工程简化算法仿真运行结果基本重合，两种算法结果偏差很小，且工程简化模型运行所需的参数少，较于传统潮流计算简便很多，能快速地运算和得出节点计算结果。此外，图6仿真结果显示，配电网节点电压随着节点距离电源点距离的增加而减小，且对于分支路，其节点电压也是越靠近末端其值越小。

2.2 单个光伏接入下的配电网仿真分析

光伏接入下配电网节点电压受到多因素的影响。基于此，构建光伏不同位置接入、不同容量接入下的配电网模型，仿真分析其节点电压分布及变化情况。选择在节点18、25、31接入100 kW 和在节点18 分别接入100 kW、200 kW、300 kW 分析接入位置和容量对配电网电压影响的情况，仿真结果如图7、8 所示：

图7 不同节点接入相同容量PV后配电网节点电压情况

图8 相同节点接入不同容量PV后配电网节点电压情况

从图7、8 可以看出，随着分布式光伏电源的接入，会提高配电网节点的电压。且在不同位置节点接入情况下，接入点电压会呈现一个凸起，该支路电压会呈现先减小再增大过了接入点后又逐渐减小的趋势；对于接入不同容量PV 的情况，配电网节点电压受PV 容量影响明显，接入的容量越大，接入点电压突起越明显，随着接入PV 容量增大，其他部分节点电压也会有明显的提升。

2.3 多个光伏接入下的配电网仿真分析

随着分布式光伏的发展及多种条件限制下，当前大多数配电网中分布式光伏以分散接入方式为主。保持表1 中的配电网参数，进行多个光伏同时接入下的电压影响仿真，同时在三条支路上的18、25、31 节点分别接入容量为100 kW 的光伏电源，仿真结果如图9 所示。

图9 多个光伏接入下的配电网节点电压情况

由图9 显示，当配电网中多节点同时接入PV 时，所接节点支路的电压均有所上升；同时观察可得多节点同时接入的情况下更能使配电网电压得到整体的提升，能减缓配电网电压传输波动。

通过对比图7 和图9，可以看出多节点接入下的配电网电压分布情况即为这些节点单独接入下影响效果的叠加，进一步验证了工程简化模型的可靠性。

3 结束语

本文针对分布式光伏接入下的配电网电压分布及节点电压计算问题，通过采用因素拆分及影响效果叠加的方法，基于传统配电网潮流分析和考虑到中低压配电网的运行情况和拓扑结构，构建了分布式光伏接入下的配电网电压分析及计算的简化工程运用模型。

最后，通过采用IEEE33 节点算例模型仿真验证了：（1）所构建的简化模型的实用性和可靠性，即按照提出的简化算法仿真结果和传统算法结果基本重合，两者偏差小；且多个仿真结果显示多个PV 同时接入下的仿真结果为其单独接入的结果叠加。（2）仿真得出了分布式光伏接入对配电网电压的影响特点，即分布式光伏的接入会一定程度地提升配电网电压，尤其是接入点的电压，接入容量越大其电压凸起越明显；多个分布式光伏同时接入下能改善配电网整体的电压质量，一定容量光伏电源可以划分为多个小容量接入，避免了单一接入下的电压越限，能增加配电网光伏可接入容量。