分布式光伏接入主動配電網電壓特性研究

程孟增，于 佳，戴曉宇，王珊珊，汪明達

(1.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015；2.遼寧省送變電工程公司，遼寧 沈陽 110021；3.國網遼寧省電力有限公司管理培訓中心，遼寧 沈陽 110023)

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分布式光伏接入主動配電網電壓特性研究

程孟增1，于 佳2，戴曉宇1，王珊珊3，汪明達1

(1.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015；2.遼寧省送變電工程公司，遼寧 沈陽 110021；3.國網遼寧省電力有限公司管理培訓中心，遼寧 沈陽 110023)

分析了分布式光伏電源接入主動配電網后配電網饋線節點電壓變化機理，給出以靜態電壓限值為約束的接入容量極限,探討了影響主動配電網靜態電壓變化的各種因素。運用PSCAD/EMTDC電磁暫態軟件搭建分散光伏發電多點接入主動配電網的系統模型。結合仿真算例驗證上述分析的正確性，修正了不同線路長度接入容量方案，并提出解決分布式光伏發電和負荷網源不協調工作引起的電壓偏差的措施和方案。

分布式光伏; 主動配電網; 饋線電壓; 電壓波動；PSCAD/EMTDC

隨著環境的惡化，以風電、光伏發電、生物質等可再生能源為主體的分布式電源已成為發展的必然趨勢。太陽能是一種清潔可再生的能源，取之不盡、用之不竭，有著其他新能源無法比擬的優勢[1]。光伏發電發展迅猛，2016年底遼寧省新增光伏裝機容量46.9萬kW，發電量約為3.62億kWh，成為全省增加最快的發電電源方式。其中，光伏電站21.9萬kW，分布式光伏25萬kW。由于分布式光伏項目接入配電網將改變傳統配電網的輻射式配電方式，配電網電壓波動問題是大規模分布式光伏發電發展的最大挑戰之一[2]。為保證主動配電網的可靠運行，一般采用限制分布式光伏發電出力特性，并對接入實施嚴格規范的管理[3]。

當配電網中包含有分布式光伏時，配電網中的潮流就不再是單一的了，即改變了傳統配電網的潮流，這種由于分布式光伏的接入而使功率流向變為雙向的配電系統，成為主動配電網系統。主動配電網(active distribution network，ADN)的本質是分布式可再生能源被動消納方式變為加入儲能裝置和分布式聯合控制方式，減小分布式光伏發電對配電網造成的不利影響，從而提高配電網接納分布式光伏發電的能力，被認為是解決分布式光伏發電接入問題的有效途徑之一[4-5]。

主動配電網中接入分布式電源后，和傳統的配電網作為單向供電電源在結構上有所變化。主動配電網最大的特點是接入了一定容量的光伏發電裝置[6-7]。分布式光伏發電采用就地安裝、就地消納的方式，因此省去了線路輸電損耗，提高分布式電源的利用率；光伏電站還具有就近補償無功功率的功能，但隨著分布式光伏容量接入增大，由于天氣的變化，分布式光伏出力波動率增加，動態功率變化直接影響到配電網電壓發生較大的波動[8-10]。本文以遼寧朝陽金杖子變電站為例，說明分布式光伏發電接入對主動配電網電壓的影響。對單個光伏發電和多個光伏發電分散接入主動配電網電壓變化機理進行分析，以指導滿足電壓偏差時光伏發電接入容量的合理范圍，并提出光伏發電容量超出最大值時，保證滿足電壓偏差要求需要采取的措施。文中搭建了光伏和電網的仿真模型，通過單一節點接入和多點接入兩種情況下，研究不同容量和不同位置接入以及不同負荷特性情況下，對主動配電網靜態電壓的研究。根據計算分析結果，提出相應的改善措施與建議。

1 主動配電網電壓分布

本文對配電網電壓進行分析，是以簡單的單線式配電網作為實例，主動配電網系統的線路電壓變化特性為主要研究對象，配電網的潮流計算以接入光伏的配電線路進行的，這樣可以使分析基本反映客觀情況。沿配電臺區線路將每個分支線路視為一個節點進行編號，如圖1所示的簡單主動配電網中，饋線上包含有N個節點，設節點之間線路的電阻和電抗為R、X，故阻抗大小為R+jX，主動配電網系統的負荷分布在線路接入端，大小設為Pi+jQi，接入配電網分布式光伏的大小為PDG+jQDG。

圖1 含分布式的簡單均勻配電網系統

設主動配電網中線路上的一點j(位置不定)，

未接入分布式光伏前，j點前后的有功和無功功率分別為

(1)

(2)

如式(1)和式(2)所示，分析了線路的j點前后潮流情況。

1.1 系統電源作用下線路的電壓計算[11]

主動配電網在沒有光伏電源接入情況下，配電網線路中任意j點的電壓降表示為

ΔUsj=ΔUsj-+ΔUsj+

(3)

式中：ΔUsj-為節點j前的負荷引起的電壓降落；ΔUsj+是節點j點后的負荷引起的電壓降落。結合式(1)和式(2)，可得：

(4)

(5)

最后可得到配電網線路的電壓變化為

(6)

式(6)所示的電壓是在無光伏電源接入后配電網中節點j處與變電站母線間的電壓降。

1.2 分布式電源作用下電壓波動的計算

分布式光伏單獨作用線路電壓波動的影響，相當于一根獨立的導線在通過光伏容量的時候產生的電壓降落，此時導線的長度即光伏接入點i前至變電站線路的長度，同理在光伏接入點后，接入點i至負荷點N線路阻抗產生的壓降，光伏單獨作用后電壓降落表示為

(7)

1.3 整個電網線路電壓計算

對于2個電源來說，系統電源在負荷線路上電壓可以表現為降落，但是光伏電壓可以抬升系統節點電壓作用，在統一節點2個電源對電壓波動的影響表示為

(8)

假設負荷點N處的電壓U0，則線路中任一j點的電壓為

(9)

由式(9)可知，分布式光伏的接入容量、接入位置均會影響到主動配電網的電壓分布情況，由于分布式的功率因數決定分布式接入時輸出的有功無功比例，故也是分布式光伏影響主動配電網電壓分布的另一個因素。

2 分布式光伏仿真系統建模

目前，光伏并網發電系統電路主要由光伏模擬、變流器和電網主電路部分以及控制電路部分組成。光伏電池是一種非線性直流電源，根據詳細程度，其數學模型可分為理想模型、單二極管模型和雙二極管模型，光伏電池的等效電路如圖2所示。

圖2 光伏電池等效電路圖

一個理想的光伏電池，在光照恒定時，光生電流不隨光伏電池的工作狀態而變化，因此在等效電路中可以看作是一個恒流源。由等效電路可得出光伏電池的輸出特性方程：

(10)

式中：Iph為給定光強下的短路電流。

(11)

式中：Isc為標準測試條件(Tref=25 ℃，光照強度=1 000 W/m2)下的短路電流。參數αT為在參考日照下的電流變化溫度系數：

(12)

式中：Irs為額定溫度下的太陽能電池二極管反向飽和電流；q為電子電荷常數，通常為1.60×10-19；k為波爾茲曼常數，通常為1.38×10-23；n為二極管影響因子；Eg為光伏電能帶寬度。

光伏陣列是由多個光伏組件串并聯組成，從而提高了系統的電壓和電流，以此增大加系統傳輸的功率。由Nc個組件串聯，Nb個組件并聯組成的光伏陣列的輸出電流可描述為

(13)

P=VI

(14)

從式(13)、式(14)中可以看出:光伏陣列的輸出電流I與輸出功率P隨光伏陣列輸出電壓V的變化而變化。

分布式電源并網逆變器的控制方式多種多樣，目前應用較為廣泛的主要是雙環控制。雙環控制的外環主要為功率控制，內環電流控制，一般動態響應較快。雙環控制既能滿足功率的靜態穩定性，又能滿足動態控制的快速性，光伏的控制系統如圖3所示。

圖3 單個光伏并網發電控制系統

3 仿真結果及分析

以圖1為例，仿真條件：外部電路短路容量Sd為100 MVA； 母線額定電壓UN為10.5 kV；光伏電源功率因數為超前0.98；線路電壓等級為10 kV；線路型號采用LJG-240和YJLV-240。線路上共有8個用戶接入，其中4個用戶為10 kV/380 V用電負荷用戶。另外4個用戶為光伏電源接入用戶，光伏性質為自發自用余電上網混合型光伏電源。

仿真算例1：光伏接入不同位置對饋線電壓分布的影響。

算例1采用線路型號YJLV-240，線路阻抗0.125+j0.08 Ω/km，線路長度20 km。 線路有4個節點，分別為節點1、2、3、4，每個節點距變壓器電氣距離分別為5 km、10 km、15 km和20 km。光伏接入容量為3 MW。假設主動配電網負荷處在輕負荷運行情況，即用電負荷為零。在不改變其他運行條件，改變分布式電源接入位置時，檢測分布式電源接入對主動配電網電壓分布的影響。

(a)光伏接入節點4時線路各節點電壓

(b)光伏接入節點3時線路各節點電壓

(c)光伏接入節點2時線路各節點電壓

(d)光伏接入節點1時線路各節點電壓圖4 光伏接入位置改變時主動配電網饋線電壓變化圖

由圖4可以看出，相同容量光伏發電接入位置不同對電壓的影響不同。在節點l、 2、3和4接入分布式電源時，光伏節點電壓和光伏接入點以后的電壓相同。配電網饋線上各節點電壓均有提升，且饋線末端節點4的電壓抬升量均大于饋線的其他節點1、2、3。通過圖4(a)結果可看出，節點4電壓有效值為10.8 kV,節點3為10.7 kV，節點2電壓為10.5 kV，節點1電壓為10.4 kV。按照《電能質量供電電壓偏差》(GB/T12325—2008)中要求，節點4電壓越限。通過圖4(b)—(d)看出，光伏單獨接入節點3，節點2和節點1時各節點電壓低于光伏接入節點4的電壓。所以光伏接入線路越短越有利于電壓管理。

通過仿真結果綜合驗證了理論分析所得結論。

a.配電網線路接入分布式光伏電源后，線路上電壓都有不同程度的提高；從節點1-4節點入處沿著負荷線路降低，接入點越靠近線路末端，電壓抬高越明顯。

b.在不改變其他運行條件時，只改變光伏接入位置，分布式電源接入位置越靠近末端，光伏對饋線電壓影響越大。

仿真算例2:光伏接入容量對饋線電壓分布的影響。

算例2采用線路型號LGJ-240，線路阻抗0.12+j0.35 Ω/km，線路長度20 km。在節點4接入分布式電源的容量依次接入P1=1 MW, P2=2 MW, P3=3 MW, P4=6 MW。在不改變其他運行條件時，觀測分布式電源接入容量對不同配電網電壓帶來影響。

仿真結果如圖5所示。圖5(a)所示光伏接入節點4，接入1 MW時，節點1、2、3、4都不超過標準電壓，電壓有效值在10.4 kV以下。圖5(b)所示接入2 MW時，節點4電壓有效值可達到10.6 kV，已到達靜態電壓穩定極限值。圖5(c)所示節點4電壓越限。圖5(d)所示節點3、4靜態電壓越限。通過仿真得出結論：在不改變其他運行條件時，分布式電源接入容量越大，對饋線電壓的提升作用越明顯。20 km的LGJ-240線路，饋線末端接入極限分布式光伏容量為1.9～2.1 MW。

(a)接入1 MW光伏發電線路各節點電壓

(b)接入2 MW光伏發電線路各節點電壓

(c)接入3 MW光伏發電線路各節點電壓

(d)接入6 MW光伏發電線路各節點電壓圖5 光伏接入容量改變時主動配電網饋線電壓變化圖

4 結論

主動配電網的基本特性是在配電網層面，實現分布式電源和多元化負荷大量接入后，形成的網—源—荷為一體的主動配電網。本文對分布式發電接入主動配電網后分布式電源容量大小對配電網饋線節點電壓進行研究，考慮了以電壓為約束條件下，電網結構參數、接入容量、負荷特性等綜合因素對電網靜態電壓影響。本文應用PSCAD/EMTDC電磁暫態軟件建立了66/10 kV臺區模型，結合工程常用10 kV架空線路和電纜線路具體參數建立不同饋線模型，以及分散的分布式光伏及其控制系統模型。通過理論分析了光伏有功和無功功率及接入饋線負荷特性對電壓的影響。研究了分布式電源接入位置、接入容量和運行方式對主動配電網饋線穩態電壓分布的影響，得出了相應的結論。

a.主動配電網中任何一點接入分布式電源，都有助于減少分布式接入線路的電壓損失，對線路和臺區電壓有支撐作用，饋線上所有的節點電壓都會有所抬升，且越靠近末端的節點，抬升量越大。

b.在供電半徑越大，分布式光伏準入容量越小。電壓等級10 kV，線路長度20 km 的LGJ-240架空線路，其集中單點接入容量極限為1.9～2.1 MW。電壓等級10 kV，線路長度10 km 的LGJ-240架空線路，其集中單點接入容量極限為2.8 MW。

[1] 殷 豪，陳春泉，彭顯剛，等. 分布式電源接入對配電網穩定性的影響研究[J].東北電力技術，2012，33(10): 6-10.

[2] 張沈習，李 珂，程浩忠，等. 間歇性分布式電源在主動配電網中的優化配置[J]. 電力自動化設備，2015，35(11)：45-51.

[3] 許曉艷，黃越輝，劉 純，等. 分布式光伏發電對配電網電壓的影響及電壓越限的解決方案[J]. 電網技術，2010，34(10)：140-146.

[4] 楊 雄，衛志農，孫國強，等. 含分布式電源的配電網三相解耦潮流計算方法[J]. 電力自動化設備，2014，34(3)：99-107.

[5] 丁 明，王偉勝，王秀麗，等. 大規模光伏發電對電力系統影響綜述[J]. 中國電機工程學報，2014，34(1)：1-14.

[6] 于海洋，祖光鑫，董爾佳，等. 大型并網光伏電站對電力系統影響的研究[J]. 東北電力技術，2016，37(5)：13-16.

[7] 范明天，張祖平，蘇傲雪，等. 主動配電系統可行技術的研究[J]. 中國電機工程學報，2013，33(22)：12-17.

[8] 栗 然，馬慧卓，祝晉堯，等. 分布式電源接入配電網多目標優化規劃[J]. 電力自動化設備，2014，34(1)：6-13.

[9] 苗 蒙. 風力發電和光伏發電并網問題的探究[J]. 東北電力技術，2016，37(3)：45-47.

[10] 尤 毅，劉 東，于文鵬，等. 主動配電網技術及其進展[J]. 電力系統自動化，2012，32(18)：10-16.

[11] 孔 麗. 含分布式電源的主動配電網電壓特性的研究[D]. 北京：北京交通大學，2012.

Research on Voltage Characteristics of Distributed Photovoltaic Connected Active Distribution Network

CHENG Mengzeng1，YU Jia2，DAI Xiaoyu1，WANG Shanshan3，WANG Mingda1

(1.State Grid Liaoning Electric Power Company Limited Economic Research Institute, Shenyang，Liaoning 110015, China;2.Liaoning Power Transmission& Transformation Engineering CD.，Shenyang, liaoning 110021, China；3.State Grid Liaoning Management Training Center , Shenyang, liaoning 110023；China)

This paper analyzes the distribution mechanism of feeder node voltage after the distributed photovoltaic connected to the active distribution network,and gives the maximum capacity of PV under static voltage limit.This paper discusses the influences various factors of static voltage ADN, such as the position where PV generation is connected with, the mode of connection of PV gen-eration, output power of PV generation, the line parameters of power grid, the change of load characteristics.The electromagnetic transient software PSCAD/EMTDC is used to built the AND system model of the distributed PV generation multi-connection. The correctness of above-mentioned analysis is verified by four calculation examples, correct connected capacity scheme for different line length, and put forward the measures and solutions which solve the voltage deviation caused by the distributed PV generation and the grid load.

distributed PV; active distribution network; feeder voltage; voltage fluctuation; PSCAD/EMTDC

TM615

A

1004-7913(2017)05-0018-05

程孟增(1981)，男，博士，高級工程師，從事新能源和分布式電源研究。

2017-03-01)