光伏電源接入對配電網饋線電壓分布的影響

梁永省， 張新慧， 張　昆， 段秀凱， 徐　林, 畢瑞軒

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255049；

2.國網山東省電力公司 淄博供電公司， 山東 淄博 255000)

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光伏電源接入對配電網饋線電壓分布的影響

梁永省1， 張新慧1， 張昆2， 段秀凱1， 徐林1, 畢瑞軒1

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255049；

2.國網山東省電力公司 淄博供電公司， 山東 淄博 255000)

摘要：根據電壓降落的原理，分別從單電源接入、雙電源接入和多電源接入三個方面分析了光伏電源接入饋線前后線路電壓分布的差異.總結了光伏電源接入饋線后電壓分布的規律，并對均勻負荷模型、均勻遞增負荷模型、均勻遞減負荷模型和中間較重負荷模型四種負荷模型下光伏電源接入進行了建模仿真與驗證.仿真結果驗證了規律的正確性.

關鍵詞：光伏電源； 電壓分布； 負荷模型

光伏發電技術是利用可再生能源太陽能的重要途徑之一[1-2].大規模光伏接入可以有效解決電力緊缺、分布不均衡等問題，但是光伏發電受光照和溫度的影響波動較大，大規模光伏電源接入會對電網造成沖擊導致電網電壓波動，同時由于逆變的作用會向電網注入大量諧波從而導致電能質量不合格，還會對繼電保護、電壓分布、孤島等產生不利影響.光伏電源接入線路后，配電網饋線的潮流方向會隨之發生改變，甚至出現逆潮流，造成局部節點特別是并網點的電壓越限[3-4].研究光伏電源接入饋線后的電壓分布為光伏電源的接入位置與接入容量提供理論依據，有利于對并網點電壓越限、末端節點電壓過低和電壓質量不合格等問題提出合理的解決措施.

很多學者針對光伏電源并網產生的電壓影響方面作了相關的研究.文獻[5]從配電網電壓降落的角度分析了光伏電源接入前后的電壓變化，分析了單個與多個光伏電源接入后對電壓產生的影響.文獻[6]從線路長度、負荷水平以及光伏電源的滲透率等方面來研究了光伏并網對配電網電壓穩定性的影響.文獻[7]通過建立光伏發電并網系統電路模型，從功率因數、負載功率的波動性、光伏接入的電壓等級三個方面研究了光伏電源接入對電壓穩定性的影響.但是上述文獻研究單電源接入時都未考慮負荷模型對饋線電壓分布的影響，沒有總結出兩個光伏電源接入饋線后電壓分布的規律.

本文根據電壓降落的計算原理，計算了10kV配電線路各節點的穩態電壓，對光伏電源接入前后配電網各節點電壓變化和線路電壓分布變化規律進行了研究.對于不同的負荷模型下單電源接入前后電壓分布作了理論分析與比較，并對電壓分布規律作了仿真驗證.分析了雙電源接入對配電網饋線電壓分布的影響，總結了配電網饋線線路電壓分布的規律并進行仿真驗證.多電源接入時，分析了對線路電壓分布產生的影響及光伏電源接入的積極作用.

1負荷模型

實際線路中負荷的類型很多，負荷大小是動態的，很難準確的描述線路的負荷.均勻負荷模型、均勻遞增負荷模型、均勻遞減負荷模型和中間較重負荷模型是四種常見的負荷模型[8-9].因此本文對四種靜態負荷模型線路進行分析.根據有關規定光伏電源不能直接參與電網調節[10]，但是光伏電源的接入會對饋線線路的穩態電壓分布產生影響.其中光伏電源容量與接入位置以及不同的負荷分布都會影響穩態電壓的分布.四種負荷模型如圖1所示，節點p是光伏電源接入的位置，其中圖1(d)是N為奇數的情況，同理可以畫出N為偶數時的線路圖.

2單電源接入對電壓分布的影響

2.1電壓降落計算原理

根據光伏電源的并網規范，不同電壓等級的配電線路接納光伏電源的能力不同，其中以光伏電源接入中低壓線路較為廣泛.本文針對中低壓配電線路進行研究.配電網的結構多種多樣，包括輻射式、環網式以及樹干式，一般輻射式網絡居多[11].本文以輻射式網絡進行分析，以輻射式網絡中某一條饋線為例進行研究.

(a) 接入均勻負荷模型線路

(b) 接入均勻遞增負荷模型線路

(c) 接入均勻遞減負荷模型線路

(d) 接入中間較重負荷模型線路圖1　光伏電源接入饋線示意圖

圖2　饋線簡化等值電路

圖3　電壓降落向量圖

(1)

(2)

(3)

(4)

因為在實際線路中，一般線路兩端的電壓相位差較小，U1+ΔU>>δU即忽略垂直分量的影響[12-13].從而有

(5)

2.2影響分析

單電源接入配電線路的情況如圖4所示.

圖4　單個光伏電源接入饋線示意圖

如圖是一條10kV饋線線路，共有N個節點，節點a與a-1的阻抗為Ra+jXa，a節點帶有負荷為Pa+jQa.光伏電源在p節點接入線路.

光伏電源接入配電網之前：假設功率流向負荷為正，反方向流動為負值[5].則節點a與a-1間的電壓損耗是ΔUa=Ua-1-Ua

(6)

Ua=Ua-1-ΔUa=

(7)

負荷中有功功率與無功功率都大于0，且ΔUa>0，因此對于饋線線路，由始端節點至末端，電壓是逐漸減小的.

光伏電源接入后：當a位于并網點p之前時，

(8)

中低壓配電網，負荷的功率因數一般比較高，并且線路的電抗X較小，同時光伏電源的功率因數一般較高，介于0.9～1.0之間.因此可以忽略光伏電源無功功率與負荷無功功率的影響[5].因此公式可以簡化為

(9)

(10)

(11)

并網點之后各節點間電壓損耗不變，但受并網點及并網點以前的節點電壓抬升的作用，并網點以后各節點的電壓會升高.

綜合上述，推導發現單電源接入后，當改變光伏電源的接入容量時，饋線線路始端至末端節點電壓變化呈現不同的狀態，總結有3種情況：一直下降、先下降后上升再下降、先上升后下降.

2.3算例仿真

以某條10kV饋線線路為算例，線路長12km，N=12，電阻r=0.065Ω/km，電抗x=0.146Ω/km,呈感性.線路始端電壓為1.05傳真均采用標幺值)，UN=1.0，SB=10MVA，UB=10kV，四種負荷模型下的線路總負荷均為7.2+j4.08MVA，光伏電源容量為2.4MW，光伏電源接入位置為節點6.圖5為四種負荷類型線路下節點6接入光伏電源前后的電壓分布.

圖5　光伏電源接入前后的電壓分布

由仿真結果可知，不同類型的負荷模型，饋線線路的電壓分布也會不同，光伏電源在同一節點接入后，各節點電壓都會相應的被抬高，但抬高的幅度不同，對各節點電壓的改善程度也不同.分別改變不同負荷模型下光伏電源的接入容量可驗證上述分析中電壓分布的規律：由始端至末端節點電壓變化為一直下降、先下降后上升再下降、先上升后下降.

3雙電源接入對電壓分布的影響

3.1影響分析

兩個光伏電源分別在P1、P2兩個節點接入，對應電壓分別為UP1、UP2，注入功率分別為PV1、PV2，各節點的負荷都是隨機的，節點a 與a-1間的阻抗為Ra+jXa.

圖6　雙電源接入饋線示意圖

雙電源接入后，節點a的電壓與a-1的電壓損耗是ΔUa=Ua-1-Ua，在不考慮光伏電源無功功率的情況下，計算相鄰節點的電壓損耗.

當節點a位于節點P1之前時，

ΔUa=

(12)

由公式(9)可將該式簡化為

(13)

Ua=Ua-1-ΔUa=

(14)

當節點a位于P1、P2之間時，

則

Ua=Ua-1-ΔUa=

(15)

同樣節點P1、P2之間會存在功率分點記為f2，線路穩態電壓變化也會存在3種情況：沿著線路降低、升高、先降低后升高.

(16)

電壓損耗ΔUa>0,在節點P2與末端N之間的穩態電壓變化趨勢為沿著線路降低.由以上分析可知光伏電源的接入使得單電源網絡變為多電源網絡，因此線路會存在含功率分點的情況.雙電源接入后，線路功率流向比單電源接入更加復雜，圖7為含功率分點時的饋線示意圖.

圖7　含功率分點的饋線示意圖

假定區段0-P1與區段P1-P2各種情況下的功率分點均分別在f1、f2處，假設功率向右流動為正，向左為負.根據以上推導，饋線線路各區段的功率流向存在8種情況，見表1.

表1線路各區段的功率流向

序號功率流向0-f1f1-P1P1-f2f2-P2P2-N1正正正正正2正正正負正3正負正負正4負負正正正5正負負負正6負負負負正7正負正正正8負負正負正

根據公式推導與各區段的功率流向可以推導出8種情況下饋線各區段的電壓變化規律，8種情況下各區段的電壓變化情況如下表所示.

表2線路各區段穩態電壓的升降變化

序號電壓升降變化0-f1f1-P1P1-f2f2-P2P2-N1降降降降降2降降降升降3降升降升降4升升降降降5降升升升降6升升升升降7降升降降降8升升降升降

根據分析，雙電源接入時饋線電壓分布的規律可以總結為5種：由始端至末端節點一直下降、下降-上升-下降、下降-上升-下降-上升-下降、上升-下降、上升-下降-上升-下降.

3.2建模仿真

仍以某條10kV饋線線路為算例，N=12，電阻r=0.065Ω/km，電抗x=0.146Ω/km,呈感性，假設1～12各節點的負荷均相同，有功功率為0.6MW，無功功率為0.34Mvar.線路始端電壓為1.05，UN=1.0，SB=10MVA，UB=10kV.線路中節點4與節點8分別接入光伏電源，不斷改變光伏電源的容量可以得到表中八種情況的曲線圖.

圖8　雙電源接入時8種電壓分布情況

由以上分析與仿真可知，光伏電源的接入容量與接入位置會影響饋線的電壓分布.當兩個光伏電源接入饋線線路時，饋線線路各節點電壓變化的電壓分布規律會出現以上八種情況，但由于光伏電源容量與接入位置的影響，某些情況下會出現節點電壓越限現象.綜合這8種情況可以驗證以上分析得到的5種電壓分布規律.

4多電源接入對電壓分布的影響

4.1影響分析

當饋線線路各節點均接入光伏電源時如圖9所示.

圖9　各節點均接入光伏電源饋線線路圖

(17)

4.2建模仿真

仍以某條10kV饋線線路為算例，選用均勻負荷模型，各節點有功負荷均為0.6MW，無功負荷為0.34Mvar，節點1～12每一個節點均接入光伏電源，節點8、10接入光伏電源的容量為0.6MW，節點2、6、10接入光伏電源的容量為0.5MW，其余節點接入光伏電源容量為0.3MW，共計4.8MW.

圖10　各節點均接入PV與均未接入PV的電壓分布圖

光伏電源分散的接入各節點后，能夠直接為附近負荷供電，緩解線路的功率傳輸壓力，對饋線各節點電壓起到積極的作用，能夠改善各節點的電壓水平，調節各光伏電源的接入容量能夠避免電壓越限以及末端節點電壓過低現象.

5結束語

本文利用電壓降落的原理分析了光伏電源接入對配電網饋線電壓分布的影響，通過建模仿真對比分析了四種不同的負荷模型下單電源接入對電壓分布產生的影響差異，并總結了單電源接入后電壓分布的規律.通過推導與仿真驗證，總結了雙電源接入饋線后電壓分布的規律.光伏電源的接入有助于改善線路的電壓分布，不同接入容量與接入位置對電壓分布的影響也不同.總結雙電源接入后電壓分布的規律有助于為光伏電源接入容量與接入位置的選擇提供理論依據,最大限度的降低接入點電壓越限與末端節點電壓過低的幾率.

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(編輯：劉寶江)

Analysis of impact of photovoltaic grid-connected on voltage profile of distribution network feeder

LIANG Yong-sheng1, ZHANG Xin-hui1, ZHANG Kun2,DUAN Xiu-kai1, XU Lin1, BI Rui-xuan1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;2. State Grid Shandong Electric Power Company, State Grid Zibo Power Supply Company, Zibo 255000, China)

Abstract:The difference of voltage profile between the connection and not connection of PV to distribution network feeder is analyzed from three aspects of single PV, double PV and multi PV. The paper summarize the law of voltage profile when PV is connected to distribution network feeder in the four kinds of load model of uniform load model, uniform incremental model, uniform decreased load model and intermediate heavier load model. Finally the paper supplies the simulation and the results show the law is right.

Key words:photovoltaic; voltage profile; load model

中圖分類號：TM615

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6197(2016)02-0073-06

作者簡介：梁永省，男，489568892@qq.com； 通信作者： 張新慧，女，zhxh626@126.com

收稿日期：2015-03-28