不同滲透率條件下的光伏電源并網對配電網電壓偏差的影響

劉海濤

（內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020）

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不同滲透率條件下的光伏電源并網對配電網電壓偏差的影響

劉海濤

（內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020）

光伏電源并入配電網后，使配電網由單電源網絡轉化為多電源網絡，改變了配電網的潮流分布，對配電網電壓的穩定性會產生影響。在此基礎上，研究了不同滲透率條件下的光伏電源接入對配電網電壓偏差的影響以及影響程度。基于EMTDC/PSCAD軟件的仿真平臺，通過搭建含光伏電源的35/0.4kV的典型配電系統模型，進行一系列仿真試驗。結合多個仿真試驗結果，定量分析了接入不同電壓等級母線、不同滲透率條件下的光伏電源對配電網電壓偏差的影響規律。

光伏電源；配電網；滲透率；電壓偏差

近年來，由于太陽能資源分布廣、建設周期短，光伏發電在新能源發電中所占的比重逐漸增大。接入配電網的光伏電源（簡稱 PV），因其位于用戶附近、配置靈活、可降低網損、能提高供電可靠性等特點［1-2］，具有較高的經濟效益和社會效益，發展迅速。

然而，受光資源時間分布不均衡和氣象變化的影響，光伏電源的輸出具有隨機性、波動性、間歇性的特點，導致了并網光伏電源的輸出具有不確定性，可調可控性差［3］。隨著光伏電源在電力系統中的不斷滲入，對配電網的電能質量帶來一系列不利影響，其中，對配電網電壓的影響尤為突出。光伏電源接入后，使配電網由原來的單電源輻射型網絡轉變成多電源的互聯網絡，可能會引起配電網潮流大小和方向發生巨大的改變，使得配電網的穩態電壓也發生變化，勢必會對系統的電壓穩定性造成影響［4-5］。

目前，這一問題已經引起相關電力工作者和研究人員的廣泛關注。文獻［6］研究了太陽輻照度變化與電網電壓波動之間的間接因果關系，基于實際太陽輻照度的變化情況，仿真研究1天中光伏出力隨輻照度變化對電壓的影響。文獻［7-9］研究了光伏電源接入 10kV母線，電壓偏差不越限等相關約束條件下的準入容量問題。

本文以此為出發點，在典型35/0.4kV配電系統中，討論了不同滲透率條件下的光伏電源在不同電壓等級母線上并網對配電網電壓偏差的影響以及影響程度。利用EMTDC/PSCAD仿真軟件，搭建含光伏電源的 35/0.4kV典型配電系統模型進行仿真試驗，結合多個仿真算例，定量分析不同容量、不同接入位置的光伏電源并網對配電系統電壓的影響。對不同滲透率的光伏電源的并網位置提出了合理建議。

1 系統結構

光伏電源按并網模式不同可分為分布式光伏電源與集中式光伏電源。在實際工程中，布式光伏電源一般接在配電網0.4kV電壓等級母線，集中式光伏電源一般接在配電網35kV電壓等級母線。因此，結合工程實際，為了系統地分析不同電壓等級接入模式下的光伏電源對配電網電壓的影響，本文采用在含光伏電源的35/0.4kV典型配電系統中，進行不同滲透率條件下的光伏電源并網對配網電壓影響的分析與討論。

整個系統的結構如圖1所示。其中圖1（a）為光伏電源直接接于0.4kV母線的情況，圖1（b）為光伏電源通過升壓變壓器接于 35kV母線的情況。不同電壓等級母線通過35/0.4kV直配變壓器連接。當光伏電源投入配電系統后，系統中母線上的潮流分布會發生變化，從而引起系統電壓分布也會發生相應變化。對應的節點電壓變化程度則反應了光伏電源并網后對該點電壓的影響程度。

考慮到典型配電網中含有大量的發電機、電力電子裝置等負荷，結合工況，該系統在兩段 0.4kV低壓母線中分別接入諧波負荷與不同的無功負荷。此外，兩段低壓母線同時運行，互為備用，既能保證供電質量，又能方便觀察相同電壓等級、不同容量母線下的電壓受光伏電源接入的影響情況。

圖1　含光伏電源的35/0.4kV典型配電系統

2 仿真系統

本文基于 EMTDC/PSCAD電力系統暫態仿真軟件，搭建了圖1所示的含光伏電源的35/0.4kV典型配電系統模型，進行了不同滲透率條件下的光伏電源并網仿真。

2.1仿真系統參數設置

根據《工業與民用配電設計手冊》中對各級電壓線路的送電能力的要求，35kV等級電纜線路的送電容量為15MVA［10］，結合工程實際，同時滿足配電系統電壓偏差與電壓波動的要求，仿真模型中將電源容量設為15MVA，電源內阻設置為8%p.u.。

根據《工業與民用配電設計手冊》對 35/0.4kV直降變壓器的設計標準，結合市場主流變壓器設計配置，仿真模型中將兩臺35/0.4kV直配變壓器T1、T2的容量均設置為 5MVA，其短路阻抗均設置為6.5%p.u.。

系統模型中各元件的具體參數詳見表1。

表1　仿真模型參數表

（續）

2.2仿真內容

本文主要討論不同滲透率條件下的光伏電源并網對配電網電壓偏差的影響。滲透率（Penetration Percentage）是指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。不同滲透率條件實際上是改變并網光伏電源的容量。

因此關于圖1所示的配電系統模型的仿真步驟如下：

1）將光伏電源分別接在兩段 0.4kV低壓母線上，如圖1（a）所示，改變光伏電源容量，分別按從10%到80%變化的滲透率進行仿真，觀察低壓側兩個測量點電壓。

2）將光伏電源通過升壓變壓器接在35kV中壓母線上，如圖1（b）所示，改變光伏電源容量，按從10%到80%變化的滲透率進行仿真，觀察低壓側兩個測量點電壓。

3 量化分析

光伏電源接入后，配網節點電壓會有所變化。由于光伏電源的投入，會使饋線中的傳輸功率減少，導致負荷節點電壓有所上升。圖2所示為光伏電源接在35kV母線、滲透率為30%時，Ⅰ段低壓母線測量點，在光伏電源投入前后電流、電壓的變化圖像。

圖2中，0.5s時刻線路中負荷投入，由于無功負荷的存在，使得節點電壓降低，1s時光伏電源投入，對接點電壓起到支撐作用，使得節點電壓抬高。圖2（a）為測量點電流、電壓瞬時值的變化圖像，圖2（b）為測量點電壓有效值的變化情況。

圖2　滲透率為30%時，PV投入35kV母線前后A相電壓、電流變化

為了量化測量節點在光伏電源投入前后電壓的變化程度，本文采用并入光伏電源后節點電壓nU′與光伏電源并人前的電壓 Un之差與低壓配網標準電壓的有效值220V的比值構成電壓變化程度指標ε，即

ε 越大，說明該點電壓受光伏電源接入的影響越大；同時也說明，光伏電源對該節點的電壓支撐越大。而當光伏電源由于某些原因突然退出運行時，該節點因為缺少支撐，會遭受低電壓的嚴重電能質量影響問題。

本文在仿真過程中，由于無功負荷的存在，Un會低于標準電壓，若不考慮無功負荷對節點電壓的影響，或者通過無功補償設備對該點電壓進行補償后，則Un就等于標準電壓220V，此時ε 滿足電能質量對電壓偏差的量化。因此可以根據GB/T 12325—2008《電能質量 供電電壓偏差》中的標準來限定本文中的。

通過仿真試驗與計算，得出于不同電壓等級母線并網、不同滲透率條件下的光伏電源對低壓側節點電壓的影響規律，如圖3所示。其中圖3（a）為Ⅰ段母線測量點情況，圖3（b）為Ⅱ段母線測量點情況。

從圖3可以看出，不同滲透率的光伏電源接入后對配電網電壓的影響程度不同，滲透率越大，對電壓的影響越大。對于接入不同電壓等級的光伏電源，對節點電壓的影響有明顯的不同，光伏電源接在 35kV中壓母線上對電壓的影響程度顯然要小于接在0.4kV母線的情況。除此之外，由于兩段母線上的負載容量不同，其母線電壓在各情況下所受影響也不盡相同。

圖3　不同滲透率PV對節點電壓的影響

根據我國國家標準GB/T 12325—2008《電能質量 供電電壓偏差》，35kV及以上供電電壓的正負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%，20kV及以下三相供電電壓偏差不能超過標稱電壓的 7%，220V單相供電電壓偏差不能超過標稱電壓的+7%，-10%的相關規定［11］，在圖3中做出電壓偏差7%的輔助線后，可以看出：在該仿真系統中，滿足電能質量電壓偏差國標前提下，光伏電源接在 35kV母線上其滲透率可達80%以上，而接在0.4kV母線上，其滲透率上限僅為52%左右。

因此，小容量、低滲透率的光伏電源適合接在0.4kV低壓母線，避免投入變壓器成本的同時，也能進行靈活切換；條件允許的情況下，高滲透率的光伏電源更適合接在 35kV中壓等級母線，更有利于降低由于其滲透率過高而帶來的電壓偏差等電能質量影響。

4 結論

本文通過搭建含光伏電源的35/0.4kV典型配電系統 PSCAD模型，結合多個仿真算例，分析了光伏電源并網對配網電壓穩定性的影響，并得出如下結論：

1）一定容量的光伏電源接入配電網絡，會對饋電線路電壓分布產生明顯影響。

2）接在同一電壓等級母線上的光伏電源，隨著其滲透率的增加，對配電網電壓的影響越大；同一滲透率條件下的光伏電源，接在 35kV母線上對電壓的影響明顯小于接在0.4kV母線的情況。

3）在典型 35/0.4kV配電系統中，在滿足電能質量電壓偏差國標前提下，接于 35kV母線的光伏電源最大滲透率可達80%以上，接于0.4kV母線的光伏電源最大滲透率可達52%。

4）從配電網經濟性與穩定性的角度出發，在35/0.4kV典型配電系統中，較低滲透率的光伏電源更適合接于0.4kV低壓側，較高滲透率的光伏電源更適合接于35kV中壓側。

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Influence on Voltage Deviation of Distribution Network with Photovoltaic Source of Different Penetration

Liu Haitao
（Inner Mongolia Electric Power Research Institute，Hohhot 010020）

With the photovoltaic source connected to the grid，the distribution network turns from the network with single power supply to that with multi power supply，so the load flow distribution of the distribution network may be changed，and the voltage stability of the distribution network will be affected. On the basis of the above，this paper studys the influence on voltage deviation of the distribution network connected with photovoltaic source of different penetration. Through the EMTDC/PSCAD simulation software，the model of the typical distribution system of 35/0.4kV with photovoltaic source supply is built，and a series of simulation experiments are carried out. Based on a lot of simulation test results，this paper quantitatively analyzes of the influence law about the voltage deviation of distribution network with photovoltaic source connected to different voltage bus and with different penetration.

photovoltaic source； distribution network； penetration；voltage deviation

劉海濤（1979-），男，碩士，工程師，主要從事分布式發電及配電自動化相關技術研究工作。