光伏電源接入對配電網電壓穩定的影響研究

葛曉慧 ，趙 波

（1.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014 2.浙江省分布式電源和微網技術研究重點實驗室，杭州 310014）

0 引言

并網光伏電源為分布式發電方式，其工作特點是將光伏電池陣列產生的直流電經逆變器轉換成符合電網要求的交流電之后再并入交流電網[1]。光資源分布及太陽光輻射變化的不均衡性、隨機性、波動性、間歇性等特點導致了并網光伏電源的輸出具有不確定性，可調可控性差。此外，光伏電源接入配電網后改變了傳統配電網的輻射狀結構，在饋線末端出現電源，引起了配電網絡中的潮流改變，從而改變了系統電壓分布[2]，對配電網的電壓穩定性帶來不利影響。如某大區電網的重負荷區內安裝大量光伏電源時，因區域內的日照特性基本相同，當日照出現突變時，光伏電源功率減少將導致該地區出現功率缺額，若該缺額很大，則可能對地區電壓質量甚至電壓穩定性產生不利影響。

本文在仿真平臺上建立了典型配電網絡，并在其薄弱線路末端接入光伏電源，然后分別從光伏滲透率、線路長度、系統動態負荷水平以及是否裝設無功補償裝置等方面，研究并網光伏電源對典型配電網電壓穩定的影響，并就提高系統電壓穩定給出了相關建議。

1 仿真條件

1.1 并網光伏電源結構

并網光伏電源由光伏電池陣列和并網逆變器組成，將光伏電池陣列產生的直流電饋送給交流電網，其能量的傳遞與變換方式通過逆變器實現，可以采用單級、雙級或多級等多種電路結構。目前，主流的光伏電源并網一般采用雙級結構[3-4]，先通過DC/DC變換器升壓，再通過DC/AC逆變器變換并網，其等效電路如圖1所示。

圖1 并網光伏電源等效電路

1.2 配電網結構及參數

仿真采用某實際地區典型配電網結構，系統總負荷為139.033+j45.698 MVA，主網架為10kV等級，光伏電源通過該等級并入。選取典型網架中負荷重、線路長、單端供電的一條薄弱架空線路為研究對象（如圖2所示），該線路上共有7個負荷節點，負荷合計為7.5+j2.47 MVA。并網光伏電源模型采用雙級結構[5]，接在該薄弱線路末端，容量依滲透率的不同而定。仿真中將考慮不同線路長度（4 km，8 km，12 km）、不同負荷組成（動態負荷比例為30%和60%）、不同光伏電源滲透率（10%和30%）以及線路上補償電容投切時，光伏電源出力變化（t=1 s時，從額定輸出突變到零輸出）對系統電壓穩定所造成的影響。

2 系統仿真及分析

2.1 線路長度不同的情況

設定動態負荷比例為60%，光伏電源滲透率為30%，配電線路上未裝設補償電容。仿真結果如圖3-5所示。

圖3 線路長度為12 km時的線路末端電壓

圖4 線路長度為8 km時的線路末端電壓

圖5 線路長度為4 km時的線路末端電壓

從仿真結果可以看出，配電線路長度不同時，因光照變化導致的光伏電源出力改變對配電線路的電壓影響也不同。線路越短，光伏電源對配電線路的穩態電壓提升作用越明顯，出力變化后的電壓跌落越不明顯，電壓恢復期間的震蕩幅度越小。這是因為光伏電源的出力變化會對接入線路的電壓造成影響，但由于主網的存在，這種影響的幅度有限。線路越短，饋線上的電壓分布受主網電壓的鉗制作用越明顯，因而當光伏電源出力變化時，線路上的電壓變化也就越不明顯。

2.2 動態負荷水平不同的情況

仿真中，保持配電線路長度為12 km，光伏電源的滲透率為30%，配電線路上未裝設補償電容。仿真結果如圖6-7所示。

由仿真結果可以看出，動態負荷比例越高，光伏電源出力變化后配電線路末端電壓的抖動越劇烈。當配電線路上的動態負荷比例增高，尤其是異步電動機增加后，光伏電源出力變化引起的電壓波動將更加劇烈，極端情況下甚至可能導致光伏電源接入點或配電網絡的電壓失穩。

圖6 動態負荷比例為60%時線路末端電壓

圖7 動態負荷比例為30%時線路末端電壓

2.3 光伏電源滲透率不同的情況

滲透率（Penetration Percentage）是指分布式光伏電源安裝容量與上一級變壓器額定容量或其接入線路的最大輸送容量的比值。仿真中，保持線路長度為12 km，線路負荷中的動態負荷比例保持為60%，線路上未裝設補償電容。仿真結果如圖8-9所示。

圖8 光伏電源滲透率為30%時線路末端電壓

圖9 光伏電源滲透率為10%時線路末端電壓

由仿真結果可知，光伏電源自身的滲透率是影響配電系統電壓穩定性的重要因素之一。當光伏電源滲透率較高時，對接入點和接入線路的穩態電壓提升作用較為明顯，但是當天氣因素發生變化引起光伏電源出力出現較大抖動時，配電線路上的電壓波動將更為明顯。因此，當光伏電源大規模接入配電網時，必須對該問題給予足夠重視并采取相應的控制方案，以保證配電系統的穩定運行。

2.4 配電線路是否裝設無功補償裝置的情況

仿真中，線路長度保持為12 km，動態負荷比例保持為60%，光伏電源的滲透率保持為30%。仿真結果如圖10-11所示。

圖10 配電線路上無補償電容時線路末端電壓

圖11 配電線路末端裝設2 Mvar補償電容時末端電壓

由仿真結果可以看出，補償電容的接入將使配電線路末端的電壓有所提高，光伏電源因光照變化導致出力變化時，線路末端電壓的振蕩幅度有所減小，但效果并不明顯。這是因為在上述配電線路中，與電壓穩定性關系較大的動態負荷的比例較高，因此，補償電容的接入只能對電壓的靜態穩定性有幫助。當系統因光伏電源出力變化進入動態過程時，補償電容對于電壓穩定性的作用并不明顯，電壓穩定性仍主要取決于動態負荷的比例。

3 結論

光伏電源接入對配電網電壓穩定影響的研究，通過對比不同線路長度、負荷組成、光伏滲透率以及線路補償電容器的投切與否等多種情況，得到以下結論：

（1）光伏接入的配電網線路越長、動態負荷比例越高、光伏電源滲透率越高，光伏電源出力變化對配電線路電壓的影響越大。

（2）進行光伏電源接入系統設計時，要根據電網實際情況進行電壓穩定性校驗和分析。

（3）因光伏電源出力變化引起系統電壓動態變化時，投切線路上的補償電容對穩定系統暫態電壓的作用不明顯。

[1]P.YANN，F.BRUNO，R.BENOIT，et al..Analysis of a photovoltaic generator integrated in a low voltage network[C].Presented at the 17thInternational Conference on Electricity Distribution，Barcelona，2003.

[2]劉偉，彭冬，卜廣全，等.光伏發電接入智能配電網后的系統問題綜述[J].電網技術，2009，33（19）∶1-6.

[3]H.Al-ATRASH.Control strategy and implementation for a two-state inverter system[C].Archive of the Florida Power Electronics Center,University of Central Florida，Feb.2006.

[4]YAZDANI，P.DASH.A control methodology and characterization of dynamics for a photovoltaic （PV）system interfaced with a distribution network[S].IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24（3）∶1538-1551.

[5]Y.TAN，D.KIRSCHEN，N.JENKINS.A model of PV gener ation suitable for stability analysis[S].IEEE Transactions on Energy Conversion,2004，19（4）∶748-755.