分布式光伏電源對配電網電壓影響的研究

摘 要：分布式光伏發電已成為未來新能源主要的發展方向，但是大量分布式光伏連接到電網后會對電能質量造成影響。本文重點研究分布式光伏電源不同接入容量、不同接入位置對鏈式配電網絡電壓的影響。基于MATLAB，采用牛頓法編程進行潮流計算，仿真結論為分布式光伏電源可以為節點電壓提供有效支撐并改善線路電壓，但超限或接入位置不合理都將導致電壓越限，影響配電網的電壓質量。為了保證配電網電壓質量分布式光伏設備自身和配電網都應采取各種調壓方式，避免分布式光伏接入配電網出現電壓波動過大的情況。

關鍵詞：MATLAB；SIMULINK；鏈式配電網；牛頓法

中圖分類號：TM 711" " 文獻標志碼：A

1 配電網電壓受分布式光伏電源輸出有功的影響

傳統配電網結構多呈輻射狀，電壓在穩態工況下會不斷弱化（沿饋線潮流向）。分布式光伏電源與配電網連接后，饋線傳輸功率減少，無功出力（分布式光伏電源）支持加大，電網潮流降低，節點電壓出現波動，從而提高所有荷載節點部位（沿饋線）的電壓。在分布式光伏電源功率（電網內接入）不高的條件下，潮流弱化同樣不明顯，盡管如此，同樣可以在一定程度上提高各負荷節點（沿饋線方向）電壓，發揮電壓的支撐功能；如果分布式光伏電源功率（電網內接入）過大，就會明顯弱化潮流，顯著提高節點電壓，而在功率超過某特定值的條件下，可能會出現潮流逆向，部分節點電壓會因此出現電壓越限。配電網各節點電壓會受分布式光伏接入電網位置、發電功率、并網容量（并網點）等因素的影響。

負荷功率和分布式光伏電源出力對線路傳輸功率有影響，而線路傳輸功率又對節點電壓有影響，因此，當光伏接入配電網后，其輸出的功率將會導致線路傳輸功率發生變化，從而導致節點電壓發生變化。分布式光伏接入不同的位置、不同的容量都會對節點母線電壓產生影響，如果未進行評估就隨意接入，很有可能導致母線電壓越限，對電網造成嚴重的損害。

1.1 單個光伏接入配電網對電壓的影響

10kV配電網（放射狀）具有代表性，假設在某點接入光伏電源。設線路中的載荷數量計為N個，Pn+jQn（n=1，2，…，N）為第n個負荷點消耗功率（Qn為負荷點消耗的無功功率；Pn為負荷點消耗的有功功率）。Rn+jXn（n=1，2…，N） 為線路阻抗（第n、第n-1個負荷點間）（Xn為電抗分量；Rn為電阻分量）。

設Ppv+jQpv為分布式光伏電源PV（接入）容量（Qpv為分布式光伏輸送的無功功率；Ppv為分布式光伏輸送的有功功率）。設m為PV接入點，設幅值恒定的U0為配電網電源側母線電壓，Un（n=1，2，…，N）為第n點電壓， ?Un（n=1，2，…，N）為n節點與n-1節點兩者之間的電壓差[2]。

n與n-1這2個毗鄰點間的電壓降在配電網內接入分布式光伏PV前如公式（1）所示。

（1）

式中：" ?Un為n節點與n-1節點兩者之間的電壓差； Un為第n點的電壓；Xn為電抗分量；Rn為電阻分量；Qpv為分布式光伏輸送的無功功率；Ppv為分布式光伏輸送的有功功率。

因此，任一節點的電壓如公式（2）所示。

（2）

式中： ?Un為n節點與n-1節點兩者之間的電壓差；Un為第n點的電壓；Xn為電抗分量；Rn為電阻分量；Qpv為分布式光伏輸送的無功功率；Ppv為分布式光伏輸送的有功功率。

因為外部環境易影響分布式光伏發電，因此其荷載隨機性極為突出。荷載類型多種多樣，筆者假設分布式光伏系統在不吸收能量條件下將功率送入配電網。在m節點向配電網內接入分布式光伏電源PV，該電源會把有功功率輸入電網，輸入的有功功率對各節點電壓具有一定的提升作用，但是同樣有可能出現節點電壓越限（接入處）現象。

分布式光伏PV接入節點m點后，相應的節點電壓如公式（3）所示。

（3）

比較公式（2）和公式（3），在接入分布式光伏后，接入點m電壓升高，且其增加的大小如公式（4）所示。

（4）

式中： Um為m節點的電壓； U0為母線電壓；Xn為電抗分量；Rn為電阻分量；Qpv為分布式光伏輸送的無功功率；Ppv為分布式光伏輸送的有功功率。

在m點接入分布式光伏PV的條件下，如果點m前為P負荷點所處部位（0lt;Plt;m），那么P點的電壓如公式（5）所示。

（5）

式中： Up為第p點的電壓；U0為第基準電壓；Xn為電抗分量；Rn為電阻分量；Qpv為分布式光伏輸送的無功功率；Ppv為分布式光伏輸送的有功功率。

由公式（5）可以看出，當線路的參數以及用戶負荷的大小明確時，P節點的電壓還與分布式光伏的輸出功率以及接入的位置有關，接入分布式光伏后配電網電壓得到提升。相鄰2點之間的電壓差如公式（6）所示。

（6）

因為線路電抗較小，可以忽略不計，且用戶負荷的功率因數較大，所以可以暫時不考慮無功功率產生的影響，公式（6）可簡化為公式（7）。

（7）

式中： ?Up為節點p與節點p-1兩者之間的電壓差； Up為第p點的電壓；Xn為電抗分量；Rn為電阻分量；Qpv為分布式光伏輸送的無功功率；Ppv為分布式光伏輸送的有功功率。

對比公式（1）和公式（7）可以得出?U'plt;?Up，證實在分布式光伏接入條件下，節點p與節點p-1間壓降比沒有接入時小。分布式光伏接入容量值通常會影響節點p的電壓。如果接入容量不大，即時，?U'pgt;0，那么p節點電壓比p-1節點低，因此線路電壓的變化趨勢為沿饋線逐漸降低；如果有較大容量接入，即時，?U'plt;0，那么p節點電壓比p-1節點高，部分節點處的電壓顯著升高。

在分布式光伏PV接入m點后，如果負荷點p位于m點之后（mlt;Plt;N），那么p點的電壓如公式（8）所示。

（8）

電壓降（相鄰兩點）如公式（9）所示。

（9）

式中：?Up為節點p與節點p-1兩者之間的電壓差； Up為第p點的電壓；Xn為電抗分量；Rn為電阻分量；Qpv為分布式光伏輸送的無功功率；Ppv為分布式光伏輸送的有功功率。

由公式（9）可知，節點p-1的電壓始終比節點p的電壓高，所以電壓沿饋線呈現一直降低的趨勢。

綜上所述，配電網的節點電壓會受單一光伏電源的功率因數、接入位置及容量的影響。線路電壓變化趨勢如下。1）如果分布式光伏未接入配電網，那么線路電壓的變化趨勢為逐漸下降（沿饋線末端向）。2）分布式光伏接入配電網且容量不大，線路電壓（所有節點）略增，不過逐漸降低（沿饋線末端向）趨勢依舊明顯。3）當配電網接入的分布式光伏容量較大時，從配電網電源到接入節點的線路傳輸功率逐漸變小，線路電壓的變化趨勢將沿饋線末端方向呈現先降低后升高再降低的情況。4）如果接入節點+各荷載消耗功率（節點接入條件下）的總和小于配電網接入分布式光伏容量，那么線路電壓將會沿饋線末端方向先升高后降低[3]。

1.2 配電網電壓受分布式光伏電源輸出無功功率的影響

功率調節是現有光伏逆變器的一項基本功能，大多數光伏逆變器都具備該功能，無功功率調節電壓會被其輸出或吸收。太陽的光照強度隨時間變化，一天內適合的光照強度維持時間較短，導致大部分時間光伏并網逆變器全部在比其額定容量低的功率上運行。因此，如果額定容量大于光伏有功功率，那么逆變器富余容量能夠將無功支撐作用提供出來用于調節電網電壓。第1、第4象限為荷載工作區域，第2、第3象限為光伏逆變器工作區域，其不但可以將無功吸收輸入電網，而且還可以將有功功率輸入電網。

這表明光伏電源的有功輸出可以補償電壓降（有功消耗導致），電壓會被光伏有功輸出增大。光伏電源無功輸出可降低或提升線路壓降，從這點來看，有點類似于以補償無功為基礎實現線路電壓提升的無功補償裝置。

忽略逆變器的有功功率，僅考慮輸出無功，如果逆變器進行的是感性無功輸出，就可以起到降低電壓的作用，如果是容性無功輸出，則具備升壓作用。線路末端與分布式光伏電源安裝部位之間的距離越小，分布式光伏電源無功輸出越多，越能顯著增強饋線電壓。

通過上面的分析可以得出結論，可以通過無功功率（分布式電源并網逆變器）輸出來調節光伏電源接入節點電壓。

2 電壓受分布式光伏電源接入配電網影響仿真

仿真分析采用鏈式配電網絡，系統節點平衡，三相對稱，12.66kV基準電壓，SB=10MVA，總容量1.6771MVA，總無功負荷和有功負荷分別為0.7400Mvar和1.5050MW，

2.1 配電網電壓分布受分布式光伏電源接入容量的影響

在配電網接入分布式電源的條件下，配電網電壓分布會受到容量差異的顯著干擾。基于配電網受接入容量值干擾分析，避免接入位置的影響，在節點10率先接入分布式電源，出力變化隨機，功率因數為90%，分別確定0%、30%、50%、80%以及100%荷載總容量。編制MATLAB程序對系統接入分布式電源后的潮流進行分析和繪圖，采用牛拉法進行潮流計算。具體仿真結果如圖1所示。

由圖1可知，節點電壓在未接入分布式光伏電源的條件下逐漸變小（沿饋線末端向），饋線末端的部分節點電壓已經低于規定的電壓下限，在線路末端用電的用戶將無法正常用電，最低電壓的標幺值達到0.94左右。當節點10接入光伏后，分布式光伏電源將有功功率注入電網，饋線中傳輸的功率比未接入光伏時減少，導致整條饋線的電壓水平顯著提升。比較容量不同的分布式光伏電源接入同一節點形成的饋線電壓分布曲線結果表明，支撐節點電壓的功能與分布式光伏接入容量值成正相關，會顯著增高節點電壓。但是，如果接入容量大于特定數值，那么就會出現逆向傳送功率，明顯高于系統電壓的局部電壓最大值出現在節點10，同時節點10周圍的節點電壓也被提升至系統電壓以上。

2.2 配電網電壓分布受分布式光伏電源接入位置的影響

電壓分布同樣會受到配電網內接入分布式電源的位置差異干擾，先把分布式電源輸出出力固定在50%荷載總容量標準，以便分析配網網受接入位置差異的干擾，以免節點電壓受到接入容量差異的干擾。由4、6、8、10、12、14、16饋線的節點分別連接分布式電源，對電壓分布所受干擾展開仿真分析比較。編制MATLAB程序對系統接入分布式電源后的潮流進行分析和繪圖，仿真結果如圖2所示。

由圖2可知，如果把容量一樣的分布式光伏電源接入饋線各位部位，就會產生明顯不同的配電網電壓分布曲線。當接入節點4、節點6（從饋線前端）時，電壓增加不明顯；光伏電源接入點和饋線末端之間距離越小，越能有效支撐饋線整體電壓，與此相應的是末端電壓改善效果更明顯。然而，與末端距離越小， 比如接入節點14、節點16，會出現功率倒流的情況，系統電壓會大于部分節點電壓（接入點周圍）。接入分布式電源一旦發生突然停電情況，就會迅速降低節點電壓（接入點周圍），電壓開始產生波動，從而弱化電壓質量，用戶的電力使用即會受到明顯影響。

3 結語

以理論、仿真實踐為切入點，對鏈式配電網絡電壓分布（輻射狀）受分布式光伏電源位置差、容易異接的影響進行分析，得出以下結論。1）配電網接入分布式光伏電源可以為節點電壓提供有效支撐。節點電壓提升幅度與光伏電源接入容量成正相關。但是當接入容量超過某一限定時，會出現功率逆傳輸，系統電壓會比接入點周圍的電壓低，同樣有可能出現電壓越限情況。2）分布式光伏電源的接入位置越靠近饋線末端，對線路電壓改善效果就越明顯。光伏電源接入點不合理，同樣會出現功率倒流現象。3）配電網接入或切斷分布式光伏電源均會顯著影響節點電壓，因此為了不影響用戶的用電質量，有必要在相關節點（電壓波動明顯）安裝無功補償裝置（電容器等），也可以采取其他調壓方式避免配電網在分布式光伏接入影響下出現電壓波動過大的情況。

參考文獻

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