含分布式電源并網(wǎng)的配電網(wǎng)電壓波動特性分析

呂風(fēng)儀，曾次玲，葉文浩，劉一科，楊東文

(1.長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 國網(wǎng)湖南電力有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引 言

為有效解決能源緊張和環(huán)境污染之間的嚴峻關(guān)系，需大力發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的新型能源，分布式電源因發(fā)電方式靈活、環(huán)境友好和效率高等特性而獲得廣泛應(yīng)用[1]，但分布式電源由于自身出力的隨機性和波動性，會使配電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動性增大等現(xiàn)象，給配電網(wǎng)的正常運行帶來了不良的負面影響，并造成分布式電源發(fā)展受限[2]，因此，需研究分布式電源并網(wǎng)后的電壓波動規(guī)律。

針對分布式電源在配電網(wǎng)并網(wǎng)造成的影響，國內(nèi)外學(xué)者做了相應(yīng)的研究工作。文獻[3]研究分布式電源出力的波動特性。文獻[4]研究發(fā)現(xiàn)分布式電源并網(wǎng)后對配電網(wǎng)電壓有一定的抬升作用，但存在波動加重的現(xiàn)象。文獻[5]從理論上分析了分布式電源對配電網(wǎng)電壓波動的影響。文獻[6]建立了分布式光伏在配電網(wǎng)并網(wǎng)的仿真模型，但其對配電網(wǎng)非并網(wǎng)點的電壓波動進行分析。文獻[7]對配電網(wǎng)分布式光伏并網(wǎng)進行了建模，分析了單分布式電源不同并網(wǎng)情況下的電壓波動情況，但未對配電網(wǎng)多分布式電源并網(wǎng)的電壓波動進行分析。

本文建立分布式電源并網(wǎng)后的配電網(wǎng)電壓仿真計算模型，對分布式電源在不同并網(wǎng)情況下的配電網(wǎng)電壓波動情況做了深入研究。

1 分布式電源出力特性分析

1.1 分布式光伏出力特性

光伏電池的出力大小受溫度和光照等影響，其出力特性表達式如下所示[8]：

(1)

式中：I、Iph、I0為輸出電流、光生電流和反向飽和電流;V為輸出電壓;Rs、Rsh為串并聯(lián)等效電阻;q、K為電荷常數(shù)和普爾滋曼常數(shù);T為絕對溫度;A為二極管因子。

分布式電源光伏板的出力Pst為[9]：

(2)

式中：PN、IN、TN分別為額定功率、額定電流、光伏板額定溫度;αT為功率溫度系數(shù);rt、Tt為t時刻的光照強度值、光伏板溫度。

某時刻的光照強度是一個服從Beta分布的變量[10]，表達式如式(3)所示。

(3)

式中：rt、rt max為光照強度及其最大值；α、β為Beta分布參數(shù)。

根據(jù)式(2)可知分布式電源出力與光照強度呈線性關(guān)系，因此分布式電源的出力也服從Beta分布，如式(4)所示。

(4)

式中：Pst max為分布式光伏出力的最大值。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 分布式風(fēng)電出力特性

分布式風(fēng)電的出力大小PW主要與風(fēng)速ν相關(guān)，兩者的函數(shù)關(guān)系如式(5)所示[11]。

(5)

k1=Pr/(vr-vci)

(6)

k2=-k1vci

(7)

式中：vr、vci、vco為額定風(fēng)速、切入風(fēng)速和切出風(fēng)速；Pr為額定功率值。

風(fēng)速服從weibull分布[12]，其表達式為：

(8)

式中：k、c為分布參數(shù)中的形狀和尺寸系數(shù)值。

結(jié)合式(5)和式(8)可得，風(fēng)電出力也服從weibull分布函數(shù)，其表達式為：

(9)

分布式風(fēng)電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分布式風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 計及分布式電源的配電網(wǎng)電壓波動分析

(10)

圖3 配電網(wǎng)等效電路模型

假設(shè)分布式電源的并網(wǎng)節(jié)點為p，如果m節(jié)點位于節(jié)點p之前，則可得并網(wǎng)后節(jié)點m的電壓值為：

(11)

式中：ΔPzn為分布式電源出力變化量等效分配到各段饋線的阻抗功率。

假設(shè)無功損耗占比為αk=QL·k/PL·k，饋線電抗占比為βk=Xk/Rk，則m節(jié)點處的電壓波動值為：

(12)

式中：U′為配電網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓值。

如果m節(jié)點位于節(jié)點p之后，則可得并網(wǎng)后節(jié)點m的電壓值為：

(13)

此時m節(jié)點處的電壓波動值為：

(14)

分布式電源并網(wǎng)時，離并網(wǎng)點越遠，該節(jié)點處的電壓波動程度越小，分布式電源并網(wǎng)點處的電壓波動程度最大，且根據(jù)式(12)可知，當(dāng)p=N，m=N時，即分布式電源并網(wǎng)點位于配電網(wǎng)饋線末端時，末端節(jié)點處的電壓波動最大，表達式為：

(15)

3 配電網(wǎng)電壓波動仿真分析

3.1 配電網(wǎng)電壓波動仿真模型

以某地區(qū)配電網(wǎng)實例為對象進行分析，結(jié)構(gòu)如圖4所示，在PSCAD/EMTDC軟件中建立相應(yīng)的仿真模型，分布式光伏、風(fēng)電的出力采用該地區(qū)典型日下的日出力曲線，如圖5所示。

圖4 配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 不同并網(wǎng)情況下的電壓波動特性分析

圖5 分布式電源有功出力情況圖

保持分布式電源并網(wǎng)容量為1.0 MW，改變分布式電源在配電網(wǎng)的并網(wǎng)位置(節(jié)點3、8、15)，進行相應(yīng)的仿真計算，得到配電網(wǎng)電壓波動結(jié)果如表1所示，圖6為并網(wǎng)位置為節(jié)點8時，節(jié)點8的電壓波動情況圖(t=1 s時并網(wǎng)，t=5 s時離網(wǎng))。

表1 配電網(wǎng)電壓波動仿真結(jié)果

由表1和圖6可知，分布式電源并網(wǎng)后會使配電網(wǎng)電壓波動情況加重，并網(wǎng)瞬間的電壓波動最大，配電網(wǎng)電壓波動情況會隨著并網(wǎng)位置的不同而變化，并網(wǎng)點越靠近配電網(wǎng)末端，并網(wǎng)后的

圖6 節(jié)點8電壓波動情況仿真圖

電壓波動程度越嚴重，而配電網(wǎng)各節(jié)點越靠近并網(wǎng)節(jié)點，則其電壓波動越大，并網(wǎng)處的節(jié)點電壓波動程度最大。當(dāng)并網(wǎng)容量相同時，分布式風(fēng)電并網(wǎng)后的電壓波動程度要略大于分布式光伏。

圖7 配電網(wǎng)電壓波動仿真結(jié)果

為進一步分析配電網(wǎng)電壓波動程度與分布式電源并網(wǎng)容量的關(guān)系，并網(wǎng)位置均為節(jié)點8，改變并網(wǎng)容量，仿真后獲得的節(jié)點8電壓波動結(jié)果如圖7所示，可知配電網(wǎng)電壓波動程度會隨著分布式電源并網(wǎng)容量的增大而增大，兩者近似呈線性關(guān)系。

為分析多分布式電源并網(wǎng)方式對配電網(wǎng)電壓波動的影響，設(shè)置三個分布式光伏電源DG1(0.5 MW)、DG2(1.0 MW)、DG3(1.5 MW)，并網(wǎng)方式共三種：①DG1、DG2、DG3分別接入節(jié)點3、8、15；②DG1、DG2、DG3分別接入節(jié)點15、8、3；③DG1、DG2、DG3都接入節(jié)點15，對各并網(wǎng)方式下進行相應(yīng)的仿真，結(jié)果如表2所示。

表2 不同并網(wǎng)方式下電壓波動仿真結(jié)果 %

由表2可知，多分布式電源的并網(wǎng)方式對配電網(wǎng)電壓波動程度有較大的影響，大容量的分布式電源并網(wǎng)位置越靠近饋線末端，電壓波動程度更大。當(dāng)分布式電源均在饋線末端并網(wǎng)時，配電網(wǎng)電壓波動程度最大。

4 結(jié)束語

本文建立了分布式電源并網(wǎng)后的配電網(wǎng)電壓仿真計算模型，對不同并網(wǎng)情況下的電壓波動進行了相應(yīng)的仿真計算，結(jié)果表明：

(1) 分布式電源并網(wǎng)后會使配電網(wǎng)電壓波動情況加重，并網(wǎng)瞬間波動最大，并網(wǎng)點越靠近配電網(wǎng)饋線末端，并網(wǎng)后造成的波動越嚴重。

(2) 配電網(wǎng)電壓波動程度會隨著并網(wǎng)容量的增大而增大，兩者近似呈線性關(guān)系，且分布式風(fēng)電造成的電壓波動程度要略大于分布式光伏。

(3) 多分布式電源的并網(wǎng)方式對配電網(wǎng)電壓波動程度有較大的影響，大容量的分布式電源并網(wǎng)位置越靠近饋線末端造成配電網(wǎng)電壓波動程度越大。