不同電壓等級光伏并網對電網電壓影響分析

王曉文，張異殊，于海常，蘇 蠡，戈陽陽

(1.沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110136；2.國網大連供電公司，遼寧 大連 116001；3.國網沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110000；4.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

隨著人類對能源需求的日益增長，伴隨著能源利用與環境保護的問題接踵而來，光伏發電等新能源在世界范圍內受到了極大的重視，并得到了廣泛的應用。光伏并網發電系統按照其發電方式可以分為集中式光伏并網發電系統和分布式光伏并網發電系統[1]。分布式光伏并網發電系統與集中式光伏并網發電系統相比，省去了長距離輸電線路送電入網引起的輸電線路損耗、電壓跌落、無功補償等諸多問題，分布式電源一般接在中、低壓配電網系統，可以有效地彌補大規模集中式發電和輸電的不足，以其高可靠性、可以改善供電質量、在短時間內可以有效解決電能短缺等優點得到了廣泛的發展[2]。

近年來，國家在光伏并網發展方面加大了投入和支持，在此趨勢下，2017年遼寧電網光伏發電增長300%。隨著光伏滲透率的增加，分布式光伏對配電網電能質量、電壓波動、繼電保護等各個方面也帶來不可忽視的影響[3-4]。因此，通過研究光伏并網對不同電壓等級電網的影響可以幫助我們更加高效利用光伏發電，促進光伏產業的有序健康發展。

本文首先搭建了光伏發電系統及并網模型，介紹了光伏并網發電系統及對不同電壓等級電網的影響機理。在此基礎上通過改變接入點位置和光伏系統容量，定量分析了接入不同電壓等級的光伏并網發電對電網電壓的影響。最后通過現場試驗數據驗證了仿真系統給出的研究結論。

1 分布式光伏與配電網絡

1.1 光伏發電基本原理

光伏電池的等效電路為一恒電流源與二極管并聯，有串聯和并聯電阻，文獻[5-6]給出了其等效電路，如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路圖

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應，將光能直接轉變為電能的一種技術。光伏發電具有無污染、可再生、建設周期短、運行維護簡單等優勢，其特性非常適用于分布式發電系統[7]。光伏陣列是一種直流電源，它是光伏發電系統的實際電源。光伏電池組件可以等效為電流源，其等效電路可以用圖1所示的結構來描述。一般認為漏電阻Rsh可以忽略，光伏電池組件的輸出電流表達式如式(1)所示：

(1)

式中：Isc為光伏電池由于光生伏特效應而激發的電流，它與電池的材料和尺寸、輻照度以及本體的溫度有關。

1.2 接有分布式光伏的輻射式配電網結構

在正常運行方式下，配電網的接線方式都可以看作是單電源輻射式接線，由于配電網具有較短的饋線長度和較低的電壓等級，因此在配電網絡中只需要考慮分布電抗和分布電阻，不用考慮對地分布電容以及三相間線路的互感[8]。配電網饋線中不同位置分布有若干負荷和分布式光伏電源，假設某條輻射式配電網接線上共有n個節點，每個節點處都有分布式光伏電源和負載與之相連(沒有的地方，設定其功率為0)，給出如圖2所示的接有分布式光伏的輻射式配電網結構圖。

圖2 接有分布式光伏的輻射式配電網

2 分布式光伏并網對配電網電壓的影響

根據已有的研究表明，分布式光伏接入電網，對配電網電壓主要產生3種影響：一是引起節點電壓升高，二是引起電壓波動或閃變，三是改變電壓的分布[9]。

2.1 單一PV接入對配電網的影響

如圖3所示，設定線路共有N個負荷，故第n個點的負荷為Pn+jQn，分布式光伏電源PV的接入容量為PDG.n+jQDG.n，配置的電網電源側為一個無窮大系統，其母線電壓為UN,其幅值恒定不變，第n點的電壓為Un(n=0,1,2,…,N)，ΔUn(n=0,1,2,…,N)為節點n-1和n之間的電壓差[10]。

2.1.1 PV接入電網前

任意兩點n和n-1之間的電壓降落可以表示為

(2)

其中線路任意1個節點n的電壓可以表示為

(3)

式(2)、式(3)中有功功率和無功功率均為正，相鄰兩個節點之間的電壓差值為正，饋線首端電壓最高，隨著潮流流動，電壓逐漸降低，距離母線越遠，節點電壓越低。

2.1.2 PV接入后對配電網電壓的影響

分布式光伏接入電網后，如圖3所示，等同于向配電網注入了一定的有功功率，光伏有功功率的潮流方向相反于負荷有功功率的方向，這就會使配電網的電壓有一定的升高，同時也有可能導致節點電壓的越界[11]。單一PV接入配電網的情況分為3種情況討論。

a.節點m點接入PV時，節點m點電壓為

圖3 分布式光伏接入后的負荷分布

(4)

b.光伏系統接入配電網后，負荷點P位于光伏接入點m之前(m>P>0),P點的電壓為

(5)

由式(5)可以看出，當線路參數與負荷都是確定值時，節點電壓的大小與分布式光伏系統接入的位置和自身的容量有關。忽略線路的電抗和無功，得出兩點之間的電壓差值為

(6)

c.同前面兩種情況相同(忽略無功和電抗的影響)，負荷P位于m點之后(m

(7)

相鄰2個節點之間的壓降為

(8)

由式(8)可知節點P-1始終大于節點P，所以在此情況下，節點電壓逐漸降低。

通過理論分析可知，當光伏的功率因數為1時，單一光伏系統接入電網后配電網的影響因素為接入位置及光伏容量。當配電網未接入光伏時，電網節點電壓逐級下降；當接入小容量光伏系統時，配電網各個節點電壓略有升高，整體仍舊呈現下降的趨勢；當接入大容量的分布式發電系統時，且接入點在電網上段，配電網節點的電壓會出現先升、后降、再升的情況；當接入大容量分布式發電系統(大于接入點及接入點之后所有的損耗)，且接入點位于電網中下段時，配電網各節點電壓會呈現先升高后逐級降低[12-13]。

2.2 多個光伏系統接入對配電網電壓的影響

如圖3所示，多個光伏系統接入配電網中同理忽略無功的影響，任意m點電壓為

(9)

前后兩點間電壓差值為

(10)

式中：PVn為節點n接入的PV容量大小，式(9)表明，當各負荷節點的總損耗大于接入的PV的容量時，線路電壓略有升高，仍舊呈現下降的趨勢；相反當各負荷節點的總損耗小于接入的PV容量時，線路電壓呈現逐漸升高趨勢[14]。

3 仿真分析

3.1 分布式光伏并網引起電壓波動

本文在Matlab仿真平臺上建立了光伏發電系統模型，對光伏發電對電網影響分析進行仿真。建立的仿真模型如圖4所示。

圖4 光伏發電系統仿真模型

在Matlab-Simulink中的三相斷路器模塊中設置的并網時間點為0.005 s，仿真結果如圖5所示，可以看出在光伏投入電網時，引起電壓波形的短時波動。從圖5中可以看出，在短路容量較小的情況下，微電網的投入會對電網電壓波形造成一定的變化，但不會影響電網的電能質量。

圖5 光伏電源投切對電壓波動的影響

3.2 分布式光伏并網改變電壓的分布

在Matlab平臺構建如圖6所示的簡單光伏接入電網的網絡模型，配電線路中U0=10 kV，經過變壓器接入66 kV的電網中，構建簡單的配電網模型，線路采用LGJ-150型號的架空線路，長度為8.82 km，配電網饋線設計負荷為6 MVA，功率因數為0.9。設置節點1-6，間距均為1 km。將光伏電源接入到1條10 kV配電線路中，設該配電線路始端電壓為1.05 pu，額定電壓UN=1.0 pu。

圖6 簡單配電網饋線結構圖

根據以上的理論分析，開展同一PV在不同點接入配電網的仿真工作，選擇1-4節點接入容量為4 MVA的光伏系統，仿真結果如圖7所示。由圖7可以看出，光伏系統的接入抬高了各節點的電壓，特別是PV接入節點4最為明顯。同時，在容量不變但光伏接入點發生變化的情況下，各個節點電壓也發生了變化。接入光伏的容量越大、接入位置越遠離母線，則各節點的電壓抬升越明顯。

圖7 光伏接入不同位置時對節點電壓影響

在相同參數條件下，只改變光伏容量和接入位置，針對同一接入點接入多個光伏的工況進行仿真，仿真得到的配電網各個節點電壓變化情況如圖8、圖9所示，固定位置3和5接入S=2 MVA，S=3 MVA，S=4 MVA。

圖8 節點3處接入不同PV對節點電壓的影響

圖9 節點5處接入不同PV對節點電壓的影響

接入光伏后，饋線電壓整體抬升，接入點抬升最為明顯，對于同一個接入點，容量越大，負荷點電壓抬升越明顯。通過Matlab對光伏在不同接入條件下的仿真分析，證明了理論分析的正確性。

4 試驗驗證

為了進一步驗證不同電壓等級光伏接入對電網電壓影響，采用實測數據對遼寧某地區66 kV接入及10 kV接入的兩個典型光伏電站的電壓情況進行分析。選擇66 kV接入和10 kV接入的2個光伏發電系統的典型日，取有功功率輸出為正的數據為例進行分析，典型日并網點電壓變化情況如圖10所示，可以看出66 kV系統在光伏出力時的電壓波動范圍是65.62～66.71 kV， 10 kV系統在光伏出力時的電壓波動范圍是10.61～11.17 kV。依據標準GB/T 12326—2008，66 kV系統的電壓波動范圍應在2.5%以內，10 kV系統的電壓波動范圍應在3%以內。因此66 kV和10 kV電壓都超標，由于10 kV背景電壓偏高，所以超標更嚴重。

(a)66 kV電壓

(b)10 kV電壓圖10 典型日并網點電壓變化情況

5 結論

經過理論和Matlab的仿真結果分析及現場實測數據驗證，關于分布式光伏系統并網位置和并網容量對配電網的影響得到如下的結論。

a.分布式光伏系統接入配電網系統時，影響配電網電壓的因素有分布式光伏的接入容量、位置和功率因數。

b.光伏系統并網點離線路末端越近，光伏系統對節點電壓的影響越大，同時離并網點位置越近的節點所受到的影響就越大。

c.大規模光伏并網時，有可能超過配電網電壓限制，應該依據實際情況考慮限制措施。