含高比例分布式光伏配電系統建模及運行狀態分析

摘 要：光伏發電的穩定性不佳，為了掌握高比例分布式光伏對配電系統運行狀態的影響，研究過程以某地的10kV配電網為分析對象，利用OpenDSS軟件建立了該配電系統的仿真模型，其中包括分布式光伏電站、臺變、輸電線路、柔性負荷。利用該仿真模型模擬配電系統的運行狀態，結果顯示，配電網存在功率返送和電壓越限的問題。研究結論如下：高比例分布式光伏在中午時段達到發電高峰，此時電網的消納能力不足，可導致功率返送，影響電能質量；光伏并網運行之后有可能造成電壓失穩，導致電壓高于最高電壓限值或者低于最低電壓限值，進而降低供電穩定性。

關鍵詞：高比例；分布式光伏配電系統；模型構建；運行狀態

中圖分類號：TM 615" " 文獻標志碼：A

當配電網中并入高比例的分布式光伏系統后，其運行狀態有可能失穩。因此，需要對相關問題進行研究，以便提出應對策略。當前，針對分布式光伏的研究較廣泛。孫勝博等[1]分析了分布式光伏電壓無功優化方法，提出了相應的優化模型。栗峰等[2]探究了分布式光伏并網運行的關鍵技術，旨在提高對電網的觀測和調控能力。韓雨等[3]針對含分布式光伏的配電網，提出電壓越限預測方法。在此次研究中，建立某10kV配電網的仿真模型，其中包括12座光伏電站。通過仿真模擬發現了高比例光伏對配電網的影響，主要為電壓越限和功率返送。在光伏發電技術的大規模應用階段，需要解決以上問題。

1 構建含高比例分布式光伏配電系統模型

1.1 配電系統結構

將國內某地區10kV配電網作為建模對象，其網絡結構如圖1所示。該模型包括4條配電線路，分別記為Line1、Line2、Line3、Line4，每條配電線路均由含光伏臺區、不含光伏臺區和分布式光伏電站組成。該配電網全年最大用電功率可達到6320kW。用電臺區的總數量為45個，安裝有12個光伏電站，其總裝機容量為8650kW。

1.2 配電系統參數

由圖1可知，各條線路上的臺區分布存在較大的差異。以10kV配電網實際情況為依據，對4條線路的臺變數量、臺變容量、分布式光伏電站數量、分布式光伏電站裝機容量、需求側柔性負荷進行統計，結果見表1。以線路Line2為例，詳細的模型參數見表2。

1.3 配電系統仿真建模

1.3.1 建模流程

第1.1節和第1.2節分別建立了10kV配電系統的網絡結構和系統參數，在此基礎上利用OpenDSS軟件建立配電網的仿真模型。該軟件中提供4類元件，分別為PD元件、PC元件、控制元件、測量元件，線路和變壓器屬于PD元件，光伏系統屬于PC元件[4]。仿真建模的流程如圖2所示。

1.3.2 配電系統關鍵設備建模方法

1.3.2.1 分布式光伏系統建模要點

光伏系統的主要組件包括光伏陣列、逆變器、升壓電路，經過升壓后并入電網。OpenDSS軟件中具有成熟的光伏元件，可直接選用。建模要點為確定光伏系統有功功率的數學模型。在OpenDSS軟件平臺中，將光伏系統的有功功率設置為公式（1）。

PAC=Eff?Pmmp?Iirr?CPT（T0） （1）

式中：PAC為光伏系統的有功功率；Eff為光伏逆變器的工作效率；Pmmp為光伏陣列在特定溫度條件下的最大額定功率，該參數假定光照強度為1kW/m2；Iirr為光照強度；CPT為校正因子，用于校正光伏系統的有功功率，其參數為溫度T0。

在OpenDSS軟件中設置了CPT隨溫度的變化曲線，用于提高輸出功率的精度，該曲線如圖3所示。

1.3.2.2 電熱水器建模要點

光伏系統在相同時長內的發電量與光照強度存在密切的聯系，光伏系統并網后，有可能出現發電量過剩的情況，此時可利用負荷端的電熱水器儲存能量，從而消納分布式光伏的發電量[5]。在仿真建模階段，需要設定電熱水器用電功率的數學模型，作為是否需要加熱電熱水器的控制依據，該數學模型如公式（2）所示。

（2）

式中：P（t）為電熱水器t時的用電功率；T（t）為t時熱水器內的水溫；Tmax為電熱水器內部允許的最高水溫，超過該溫度則自動停止加熱；PN為電熱水器的額定功率；Tmin為電熱水器中允許的最低水溫，當低于該溫度時，電熱水器自動通電加熱；S（t）為t時刻對應的電熱水器開關變量，取值為0或者1，分別代表開關斷開和關閉。

仿真過程根據公式（2）控制負荷端電熱水器的用電功率。

1.3.2.3 空調建模要點

配電系統模型中存在數量較多的空調設備，成為系統建模的重點。配電網的運行狀態受到空調負荷的影響，因此需要建立空調負荷的數學模型。空調負荷可采用一階等效熱參數模型，其優點為復雜度較低，該模型如公式（3）所示。

（3）

式中：To（t+1）為t+1時刻對應的室外溫度；Ti（t+1）為t+1時刻對應的室內溫度；η為空調的能效比；Pac（t）為t時刻對應的空調功率；R為空調的等效熱阻；Δt為時間間隔，Δt=15min；C為空調設備的等效熱容。

根據公式（3）可求解空調的實時功率，用于分析配電系統的運行狀態。

1.3.2.4 充電樁建模要點

該配電網中設計有一定數量的充電樁，屬于用電負荷。當構建仿真模型時，需要建立充電樁的用電功率數學模型，從而為后續的配電網運行狀態分析提供理論依據。充電樁對汽車的充電功率數學模型如公式（4）所示。

PD（t）=PD，N?LD，N（t）?SD，N（t） （4）

式中：PD（t）為充電樁在t對應的充電功率；PD，N為電動汽車的額定充電功率；LD，N（t）為充電汽車是否接入充電樁的變量，取值為0或者1，0表示未接入，1表示接入；SD，N（t）為電動汽車在t時對應的充電控制策略。

充電策略受到預計充電時間的影響，如果剩余時間僅能滿足最低充電需求，就持續充電。如果剩余充電時間能夠超額充電，就通過參數SD，N（t）優化充電策略。

2 含高比例分布式光伏配電系統運行狀態分析

在第1節中建立了含高比例分布式光伏配電系統的仿真模型，光伏系統的發電量受到光照強度的影響，因而穩定性較差。與此同時，在負荷端，空調、電熱水器、充電樁等設備的用電負荷具有較大的變化幅度。利用仿真模型模擬分布式光伏發電設備對配電系統的影響，發現該配電網存在2個較為突出的問題，具體如下。

2.1 高比例分布式光伏導致配電系統出現功率返送

2.1.1 功率返送的成因及危害

在此次建立的配電網模型中，分布式光伏發電站的數量為12個，總裝機容量達到8650kW，負荷端的全年最大用電量為6320kW，光伏滲透率超過120%。分布式光伏電站的發電功率受到光照的影響，其在1d內的發電量具有顯著的波動性，從0：00～5：00，發電量幾乎為零。在5：00～20：00，發電量呈現先增大后減小的趨勢，通常在12：00～1：00達到全天的發電量峰值。在20：00～24：00，發電量幾乎為零。12個光伏電站的發電量具有相似的變化規律，均在中午時段達到發電量峰值，因此該時段存在光伏發電量無法消納的問題，在這一情況下，配電網出現功率返送（也稱為潮流反轉）[6]。

功率返送的潛在危害深遠且復雜，對電力系統的整體管理和運行效率構成了嚴峻挑戰。從配電網安全性的角度來看，功率返送打破了傳統電力流向的單向性，使電能在某些時段內逆向流動，這不僅增加了電網的不確定性，還將導致電網保護裝置的誤動或拒動，進而威脅整個配電網的安全、穩定運行。在實際運行過程中，當分布式能源在中午等陽光充足或風力強勁時段大量發電而本地負荷又無法完全消納時，多余的電能便會通過配電網反向輸送至電網，形成功率返送。這種逆向潮流的頻繁出現，使網的潮流分布變得難以預測，給電網調度和運人員帶來了極大的困擾。此外，功率返送還顯著降低了電能質量。電能質量是衡量電力供應品質的重要指標，而功率返送往往伴隨著電壓波動、諧波污染等問題，這些問題不僅會影響電力設備的正常運行，還會對敏感負荷設備造成損害。

更嚴重的是，功率返送還會干擾電能計量和電費計算。傳統的電能計量裝置大多基于單向電流設計，難以準確計量逆向潮流的電能。這不僅會導致電能計量不準確，還會影響電費計算的公正性，給電力企業和用戶帶來經濟損失。同時，由于分時電價政策的實施，中午時段電價較高，這在一定程度上抑制了用電需求，但同時也加劇了配電網功率返送的問題。因為當電價較高時，用戶更傾向于減少用電，而分布式能源則繼續發電，導致更多的電能需要逆向輸送至電網，進一步加劇了電網的負擔。

2.1.2 功率返送仿真模擬

研究過程利用含高比例分布式光伏配電系統仿真模型模擬功率返送現象，將1d劃分為96個時段，每個時段的時長均為15min。一方面模擬分布式光伏電站在全天96個時段內的發電量，另一方面模擬負荷端在96個時段內的用電功率變化趨勢，結果如圖4所示。在第34～64時段內，出現了光伏發電功率大于負荷用電功率的現象（即功率返送），對應的時間為09：00～16：00。

2.2 高比例分布式光伏導致配電系統出現電壓越限

2.2.1 電壓越限的成因及危害

在不含分布式光伏電站的傳統配電網中，電量從變電站流向負荷端，屬于單向潮流，在這一過程中，由于輸電線路具有阻抗，電勢沿著傳導方向不斷下降，因此線電壓呈下降的趨勢。含高比例分布式光伏的配電網容易出現功率返送的問題，改變了配電網中的潮流方向，進而可能引起電壓越限。該配電網模型的電壓等級為10kV，對應的電壓限值為10kV～10.5kV。當配電網出現電壓越限時，可進一步導致設備損壞、供電中斷等一系列問題。

2.2.2 電壓越限仿真模擬

利用此次建立的仿真模型模擬配電網全天的電壓變化，將24h劃分為96個時段，每個時段15min，繪制配電網電壓隨時間的變化趨勢，結果如圖5所示。在典型工況1中，電壓標幺值在局部超過了上限，電壓過高會導致輸電線電流過大，對線路和設備具有一定的危害，例如導致設備和線路過熱。在典型工況2中，配電網的電壓值標幺值低于電壓下限，由此可造成配電網電壓不足，影響終端用電。

3 結語

在含有高比例分布式光伏的配電系統中，由于光伏發電設備的發電量通常在中午12：00～01：00時段達到峰值，此時配電網的消納能力不足，導致發電功率超過用電功率，從而出現功率返送的問題，影響了配電網的電能質量。

光伏發電缺乏足夠的穩定性，早晚發電量幾乎為零，晝間發電量先增大后減小。這種周期性的變化可導致配電系統電壓失穩，進而出現電壓越限。配電網的電壓值有可能高于最高限值或者低于最低限值。電壓越限造成的直接危害包括損害設備和線路、電壓不足等。

參考文獻

[1]孫勝博，饒堯，郭威，等.基于改進ADMM的含分布式光伏的配電網電壓無功優化方法[J].太陽能學報，2024，45（3）：506-516.

[2]栗峰，丁杰，周才期，等.新型電力系統下分布式光伏規?；⒕W運行關鍵技術探討[J].電網技術，2024，48（1）：184-199.

[3]韓雨，郭成，方正云，等.基于AP-WOA-GRU的分布式光伏集群電壓越限動態預測[J].電網與清潔能源，2024，40（4）：118-126.

[4]楊軍，王江，駱亞帥，等.有源配電系統優化調度仿真教學工具設計[J].中國教育技術裝備，2024（8）：37-41，51.

[5]賀國偉，肖峻，曹加勝.考慮分布式光伏消納的大型城市配電網規劃實踐[J].供用電，2021，38（10）：26-34.

[6]劉科研，盛萬興，馬曉晨，等.基于多種群遺傳算法的分布式光伏接入配電網規劃研究[J].太陽能學報，2021，42（6）：146-155.