分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電壓影響及工程計(jì)算

張劍帥，楊洋，汪濤

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司研究生工作站，云南 昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理祥云供電局，云南 大理 672100）

0 前言

自2020 年“雙碳”目標(biāo)提出以來(lái)，我國(guó)新能源領(lǐng)域得到快速的發(fā)展；特別是分布式能源發(fā)展尤為迅速，分布式光伏大規(guī)模接入配電網(wǎng)將會(huì)成為我國(guó)新型電力系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向，分布式光伏也將會(huì)成為我國(guó)未來(lái)的電力市場(chǎng)重要主導(dǎo)因素之一[1-2]。

分布式光伏的發(fā)展及運(yùn)用雖然帶來(lái)了很大的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，減少了化石能源的使用及大量的二氧化碳排放，但是光伏發(fā)電具有很大的隨機(jī)波動(dòng)性，受到天氣變化和晝夜交替因素的影響，其接入會(huì)給配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一系列的挑戰(zhàn)。特別是低壓配電網(wǎng)中接入大規(guī)模的分布式光伏后，會(huì)給配電網(wǎng)帶來(lái)電壓波動(dòng)、閃變和電壓越限等不利于配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的因素[3-6]。所以分布式光伏的接入對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響是一個(gè)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

在分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)影響的領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了很多的研究。文獻(xiàn)[7]先從理論上分析了光伏接入對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損和電壓方面的影響，并運(yùn)用PSCAD 進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，模擬光伏接入容量、接入位置對(duì)配電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于諧波震蕩抑制和信號(hào)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)的方法來(lái)監(jiān)測(cè)分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)造成的電壓波動(dòng)；通過(guò)對(duì)電壓波動(dòng)信號(hào)的能量譜進(jìn)行頻譜偏移特性分析，然后應(yīng)用統(tǒng)計(jì)信息分析的方法進(jìn)行高分辨譜特征提取和識(shí)別從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)檢測(cè)。文獻(xiàn)[9]對(duì)分布式光伏在配電網(wǎng)中的接入位置和接入容量引起的電壓偏差進(jìn)行了分析研究，并基于Simulink 進(jìn)行了仿真分析。

此外，很多學(xué)者在考慮了分布式光伏系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)電壓分布的影響外，還從分布式光伏在配電網(wǎng)中的接入位置、接入容量進(jìn)一步說(shuō)明對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響，并提出了變壓器的分接頭調(diào)整、電容器調(diào)節(jié)、儲(chǔ)能調(diào)節(jié)等方案來(lái)改善電壓質(zhì)量問(wèn)題[10-13]，從而能進(jìn)一步提高光伏并網(wǎng)比例。

盡管針對(duì)分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電壓質(zhì)量影響做了很多研究，但目前很多研究?jī)H局限在分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電壓產(chǎn)生影響趨勢(shì)，僅對(duì)配電網(wǎng)影響做了定性分析沒(méi)有做到影響大小的定量分析。在實(shí)際的工程應(yīng)用中需要計(jì)算出一定容量的分布式光伏接入下對(duì)配電網(wǎng)電壓影響的大小來(lái)指導(dǎo)配電網(wǎng)中分布式光伏的接入，保證配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文針對(duì)分布式光伏接入的配電網(wǎng)，提出了因素拆分及效果疊加的方法，首先將系統(tǒng)電源及光伏電源對(duì)配電網(wǎng)的影響進(jìn)行拆分，針對(duì)含多個(gè)分布式光伏的系統(tǒng)也分別拆分出每個(gè)光伏電源的作用；其次依次將所有電源對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生的效果進(jìn)行疊加，構(gòu)成整體系統(tǒng)運(yùn)行下配電網(wǎng)電壓狀態(tài)分析；此外，在低壓配電網(wǎng)中居民用電功率很高而線路的電抗值較小，可以忽略無(wú)功功率的作用，以此提出了分布式光伏接入下配電網(wǎng)電壓計(jì)算的適于工程運(yùn)用的簡(jiǎn)化模型；最后通過(guò)Matlab/Simulink 搭建了IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)仿真對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明模型具有較高的實(shí)用性和可靠性。

1 配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓影響理論分析

1.1 單一系統(tǒng)電源下配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓分析

當(dāng)僅有系統(tǒng)電源接入情況下，且為有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的常規(guī)鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)，如圖1 所示。分析電源接入下任意節(jié)點(diǎn)m的電壓變化ΔUm1可表示為：

圖1 鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)模型

式中：U0為線路首段電壓；Pn，Qn分別為節(jié)點(diǎn)n處的有功負(fù)荷和無(wú)功負(fù)荷；Rk，Xk分別為第k 段線路的電阻值和電抗值，且Rk+jXk=lk(rk+jxk)，lk、rk、xk分別為第k段線路的長(zhǎng)度、單位阻值和單位電抗值。

1.2 單一光伏電源接入下配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓變化分析

在分布式光伏的接入情況下，隨著功率注入會(huì)增加配電網(wǎng)中的有功、無(wú)功功率進(jìn)而導(dǎo)致配電網(wǎng)部分節(jié)點(diǎn)電壓升高。設(shè)PV 單獨(dú)作用情況下，接入點(diǎn)為q，接入容量為PPV+jQPV。此時(shí)系統(tǒng)電源視為斷開狀態(tài)，其配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示：

圖2 單個(gè)光伏接入的配電網(wǎng)模型

在q 點(diǎn)接入光伏電源后，隨著光伏電源的有功、無(wú)功功率注入改變了接入點(diǎn)負(fù)荷分布。同時(shí)，光伏電源接入對(duì)接入點(diǎn)上游和下游節(jié)點(diǎn)電壓的影響需要分別討論。

1.2.1 當(dāng)m點(diǎn)位于光伏接入點(diǎn)q上游

由光伏電源接入引起的電壓升高ΔUm-pvf表達(dá)式為：

1.2.2 當(dāng)m點(diǎn)位于光伏接入點(diǎn)q下游

由光伏電源接入引起的電壓升高ΔUm-pvb表達(dá)式為：

1.3 多個(gè)光伏電源接入下配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓變化分析

配電網(wǎng)中多個(gè)分布式光伏電源接入情況下，設(shè)接入點(diǎn)分別為q1，q2，…，qj，接入容量分別為PPVi+jQPVi，（i=1，2，…，j）, 其配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示：

圖3 多個(gè)光伏接入的配電網(wǎng)模型

多個(gè)分布式光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)電壓變化的分析同單個(gè)光伏電源產(chǎn)生的影響分析一致，只是在考慮光伏電源的作用時(shí)，需要依次考慮每個(gè)光伏單獨(dú)作用和其他光伏電源處于開路情況。根據(jù)疊加原理將其影響進(jìn)行加和，即為多個(gè)光伏接入下對(duì)配電網(wǎng)作用結(jié)果。其表達(dá)式為：

1.4 綜合系統(tǒng)電源及光伏電源下的配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓分析

配電網(wǎng)具有輻射狀拓?fù)涞奶攸c(diǎn)。一般配電網(wǎng)是以環(huán)狀設(shè)計(jì)的，但其在運(yùn)行時(shí)，中間任何一個(gè)環(huán)上都有一個(gè)開關(guān)處于常開狀態(tài)，其實(shí)際以輻射狀形式運(yùn)行。圖4 是一簡(jiǎn)單的配電網(wǎng)運(yùn)行拓?fù)鋱D，其在節(jié)點(diǎn)3 開始分支為兩條支路，支路的末端節(jié)點(diǎn)分別為節(jié)點(diǎn)M 和節(jié)點(diǎn)N；支路M 中的節(jié)點(diǎn)j、k分別接入分布式光伏PVj、PVk；支路N 中的節(jié)點(diǎn)i接入分布式光伏PVi。

圖4 多光伏接入下的簡(jiǎn)單配電網(wǎng)拓?fù)鋱D

1.4.1 具有單一分布式光伏的配電網(wǎng)

光伏電源接入前，由式（1）在系統(tǒng)電源下配電網(wǎng)電壓變化分析，則配電網(wǎng)中任意相鄰兩節(jié)點(diǎn)電壓降為：

則節(jié)點(diǎn)m 的電壓Um1為：

由圖4 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知：

式中：PLn、QLn、PGn、QGn（n=1，2，3，…）f分別為節(jié)點(diǎn)n負(fù)荷的有功、無(wú)功功率及分布式光伏注入的有功、無(wú)功功率。

在低壓配電網(wǎng)中，考慮到低壓線路中的電阻較大且遠(yuǎn)大于電抗值，為了便于工程計(jì)算可以忽略無(wú)功功率，則有：

當(dāng)PV 從接入節(jié)點(diǎn)q 如圖1 所示，接入容量為PPV+jQPV，為了便于計(jì)算功率因素選為1。此時(shí)，在系統(tǒng)電源及光伏電源的作用下結(jié)合式（1）和式（2）得q 點(diǎn)上游節(jié)點(diǎn)電壓為：

忽略無(wú)功功率，則有：

結(jié)合式（1）和式（3）得光伏接入點(diǎn)下游節(jié)點(diǎn)電壓為：

忽略無(wú)功功率，則有：

1.4.2 具有多個(gè)分布式光伏的配電網(wǎng)

多個(gè)光伏接入的配電網(wǎng)模型如圖3 所示，假設(shè)節(jié)點(diǎn)qn接入光伏的容量為PPVn+jQPVn，當(dāng)所有分布式光伏接入后，結(jié)合式（1）和式（4）可得配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)m 的電壓為：

忽略無(wú)功功率后則有：

基于如上分析得配電網(wǎng)電壓簡(jiǎn)化模型：

2 算例驗(yàn)證

基于多種情況下的配電網(wǎng)，為了驗(yàn)證工程模型的實(shí)用性，運(yùn)用Matlab/Simulink 構(gòu)建IEEE33 配電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真分析，基于傳統(tǒng)潮流算法和構(gòu)建的工程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多種分布式光伏接入下的仿真，分析分布式光伏不同形式接入下對(duì)配電網(wǎng)的影響趨勢(shì)及對(duì)比傳統(tǒng)潮流算法分析構(gòu)建模型的準(zhǔn)確性。配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示，配電網(wǎng)絡(luò)由33 個(gè)節(jié)點(diǎn)及32 條支路組成。IEEE33 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)負(fù)荷為3715+j2300 kVA，系統(tǒng)額定電壓為12.66 kV。IEEE33 節(jié)點(diǎn)支路的原始數(shù)據(jù)如表1 所示：

表1 IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)

圖5 IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)配電網(wǎng)拓?fù)鋱D

2.1 無(wú)光伏接入下的配電網(wǎng)仿真分析

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)為了直觀地分析配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的電壓分布情況，基于表1 所示的實(shí)際配電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。在仿真運(yùn)行中分別采用傳統(tǒng)的配電網(wǎng)潮流算法和本文所構(gòu)建的工程簡(jiǎn)化算法，其仿真結(jié)果如圖6 所示：

圖6 不同算法下配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓分布情況

由圖6 可以看出，采用傳統(tǒng)的潮流算法和所提出的工程簡(jiǎn)化算法仿真運(yùn)行結(jié)果基本重合，兩種算法結(jié)果偏差很小，且工程簡(jiǎn)化模型運(yùn)行所需的參數(shù)少，較于傳統(tǒng)潮流計(jì)算簡(jiǎn)便很多，能快速地運(yùn)算和得出節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果。此外，圖6仿真結(jié)果顯示，配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓隨著節(jié)點(diǎn)距離電源點(diǎn)距離的增加而減小，且對(duì)于分支路，其節(jié)點(diǎn)電壓也是越靠近末端其值越小。

2.2 單個(gè)光伏接入下的配電網(wǎng)仿真分析

光伏接入下配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓受到多因素的影響。基于此，構(gòu)建光伏不同位置接入、不同容量接入下的配電網(wǎng)模型，仿真分析其節(jié)點(diǎn)電壓分布及變化情況。選擇在節(jié)點(diǎn)18、25、31接入100 kW 和在節(jié)點(diǎn)18 分別接入100 kW、200 kW、300 kW 分析接入位置和容量對(duì)配電網(wǎng)電壓影響的情況，仿真結(jié)果如圖7、8 所示：

圖7 不同節(jié)點(diǎn)接入相同容量PV后配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓情況

圖8 相同節(jié)點(diǎn)接入不同容量PV后配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓情況

從圖7、8 可以看出，隨著分布式光伏電源的接入，會(huì)提高配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓。且在不同位置節(jié)點(diǎn)接入情況下，接入點(diǎn)電壓會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)凸起，該支路電壓會(huì)呈現(xiàn)先減小再增大過(guò)了接入點(diǎn)后又逐漸減小的趨勢(shì)；對(duì)于接入不同容量PV 的情況，配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓受PV 容量影響明顯，接入的容量越大，接入點(diǎn)電壓突起越明顯，隨著接入PV 容量增大，其他部分節(jié)點(diǎn)電壓也會(huì)有明顯的提升。

2.3 多個(gè)光伏接入下的配電網(wǎng)仿真分析

隨著分布式光伏的發(fā)展及多種條件限制下，當(dāng)前大多數(shù)配電網(wǎng)中分布式光伏以分散接入方式為主。保持表1 中的配電網(wǎng)參數(shù)，進(jìn)行多個(gè)光伏同時(shí)接入下的電壓影響仿真，同時(shí)在三條支路上的18、25、31 節(jié)點(diǎn)分別接入容量為100 kW 的光伏電源，仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 多個(gè)光伏接入下的配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓情況

由圖9 顯示，當(dāng)配電網(wǎng)中多節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入PV 時(shí)，所接節(jié)點(diǎn)支路的電壓均有所上升；同時(shí)觀察可得多節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入的情況下更能使配電網(wǎng)電壓得到整體的提升，能減緩配電網(wǎng)電壓傳輸波動(dòng)。

通過(guò)對(duì)比圖7 和圖9，可以看出多節(jié)點(diǎn)接入下的配電網(wǎng)電壓分布情況即為這些節(jié)點(diǎn)單獨(dú)接入下影響效果的疊加，進(jìn)一步驗(yàn)證了工程簡(jiǎn)化模型的可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)分布式光伏接入下的配電網(wǎng)電壓分布及節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算問(wèn)題，通過(guò)采用因素拆分及影響效果疊加的方法，基于傳統(tǒng)配電網(wǎng)潮流分析和考慮到中低壓配電網(wǎng)的運(yùn)行情況和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建了分布式光伏接入下的配電網(wǎng)電壓分析及計(jì)算的簡(jiǎn)化工程運(yùn)用模型。

最后，通過(guò)采用IEEE33 節(jié)點(diǎn)算例模型仿真驗(yàn)證了：（1）所構(gòu)建的簡(jiǎn)化模型的實(shí)用性和可靠性，即按照提出的簡(jiǎn)化算法仿真結(jié)果和傳統(tǒng)算法結(jié)果基本重合，兩者偏差小；且多個(gè)仿真結(jié)果顯示多個(gè)PV 同時(shí)接入下的仿真結(jié)果為其單獨(dú)接入的結(jié)果疊加。（2）仿真得出了分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響特點(diǎn)，即分布式光伏的接入會(huì)一定程度地提升配電網(wǎng)電壓，尤其是接入點(diǎn)的電壓，接入容量越大其電壓凸起越明顯；多個(gè)分布式光伏同時(shí)接入下能改善配電網(wǎng)整體的電壓質(zhì)量，一定容量光伏電源可以劃分為多個(gè)小容量接入，避免了單一接入下的電壓越限，能增加配電網(wǎng)光伏可接入容量。