分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響研究

吳姣

江蘇大屯電熱有限公司 江蘇徐州 221611

我國(guó)地域?qū)掗?，西部地區(qū)日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽能資源豐富，其中約65%的區(qū)域每年的光照時(shí)長(zhǎng)超過2200小時(shí)，粗略計(jì)算約為233408360MJ/m 輻射量。為了能夠因地制宜充分利用我國(guó)地區(qū)優(yōu)勢(shì)，國(guó)家出臺(tái)了《可再生能源法》、《可再生能源中長(zhǎng)期規(guī)劃》等文件以促進(jìn)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的飛快發(fā)展。同時(shí)，為解決光伏發(fā)電存在的問題，促使產(chǎn)業(yè)向著健康的方向發(fā)展，我國(guó)為“無電”的西部偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村地區(qū)開展了“中國(guó)光明工程”、“送電到鄉(xiāng)村”等希望工程。因此本文在分析配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定指標(biāo)及光伏波動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，研究光伏分布式接入對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響，并通過某實(shí)際算例系統(tǒng)加以驗(yàn)證。

1 分布式光伏發(fā)電概述

光伏發(fā)電包括輸電側(cè)并網(wǎng)和配電側(cè)并網(wǎng)2種類型，前者在大規(guī)模發(fā)電站中的應(yīng)用價(jià)值較高，集中全部的電能融入電網(wǎng)，為電網(wǎng)調(diào)配提供基礎(chǔ)；后者的發(fā)電規(guī)模小，形成的電能向最近距離的配電網(wǎng)融入，電能被直接利用。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常是配電側(cè)并網(wǎng)發(fā)電，具有高靈活度、高使用價(jià)值以及維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際應(yīng)用過程中，可全面利用休閑區(qū)域和屋頂?shù)葏^(qū)域，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的構(gòu)建和規(guī)劃，大大降低土地資源的消耗量，避免對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的干擾。配電側(cè)并網(wǎng)對(duì)接入要求較低，相應(yīng)的電能為本地負(fù)荷提供服務(wù)，避免了輸電線路電能傳輸損耗，極大增強(qiáng)了電能的利用效率[1]。

2 分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)的影響

2.1 分布式電源接入對(duì)電網(wǎng)電壓的影響分析

分布式電源接入后改變了配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，造成配電網(wǎng)的潮流分布發(fā)生改變，隨之會(huì)造成電網(wǎng)電壓的變化，分布式電源接入配電網(wǎng)的位置及其容量均會(huì)對(duì)配電網(wǎng)電壓產(chǎn)生影響。當(dāng)一定容量的分布式電源接入末端母線時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)電壓產(chǎn)生較大影響，而接入首端母線則不會(huì)對(duì)系統(tǒng)電壓產(chǎn)生很大的影響，因?yàn)榻尤胧锥四妇€相當(dāng)于增大了原有系統(tǒng)的容量，而分布式電源的容量大小相對(duì)于系統(tǒng)容量幾乎可以忽略，因此不會(huì)對(duì)配電網(wǎng)線路電壓產(chǎn)生很大影響。當(dāng)分布式電源接入位置保持不變，增大其容量則會(huì)對(duì)配電網(wǎng)線路電壓產(chǎn)生影響。

2.2 分布式電源接入對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析

分布式電源并網(wǎng)后給系統(tǒng)帶來諸多不確定因素，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生積極作用，同時(shí)也會(huì)帶來消極影響。在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，具備低壓穿越能力的分布式電源能夠?yàn)橄到y(tǒng)輸送無功功率，提供電壓支撐，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；而不具備低壓穿越能力的分布式電源接入電網(wǎng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，分布式電源會(huì)離網(wǎng)形成孤島運(yùn)行狀態(tài)，這樣會(huì)使得電網(wǎng)電壓急劇跌落，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定。當(dāng)分布式電源作為系統(tǒng)備用電源接入時(shí)，則會(huì)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。

3 研究分析分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響機(jī)理

某光伏觀測(cè)站不同典型天氣類型日的光伏功率數(shù)據(jù)見圖1。從圖1可以看出，不同天氣的光伏功率波動(dòng)大小有顯著區(qū)別，晴天光伏功率峰值最大，雨天光伏功率峰值最??；光伏功率波動(dòng)峰值主要出現(xiàn)在10:00-14:00。不同天氣下的光伏功率在17:00-第二天5:00均為0。

圖1 光伏觀測(cè)站實(shí)際數(shù)據(jù)

若將各節(jié)點(diǎn)電壓近似為額定電壓UN，公式（1）可以變?yōu)椋?/p>

采用標(biāo)幺制計(jì)算，可將式（2）改為：

當(dāng)少量光伏接入配電網(wǎng)末端，光伏發(fā)電就地消納抵消部分負(fù)荷，式（2）中的末端功率Pj將減少，從而減小L，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。當(dāng)末端接入光伏較多而負(fù)荷較少時(shí)，末端功率Pj為負(fù)，即有功功率由末端流向始端，可能會(huì)使L增加，從而降低系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性?；谝陨戏治隹芍?，光伏適量接入會(huì)減少線路流過功率，提高電壓穩(wěn)定性。

4 算例分析

采用某市某地區(qū)10kV配電網(wǎng)進(jìn)行分析，見圖2，圖中1節(jié)點(diǎn)為平衡節(jié)點(diǎn)，共20個(gè)節(jié)點(diǎn)，25條支路。設(shè)定收斂精度為1×10-6，采用極坐標(biāo)形式的牛頓法進(jìn)行潮流求解。接入光伏前，該系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)L＝0.2802。按光伏發(fā)電功率50W/m 2，接入2000m2計(jì)算，光伏峰值日照時(shí)發(fā)電量約為0.1MW；若在農(nóng)村接入，則可接入的光伏會(huì)比較大，按接入12000m2計(jì)算，光伏峰值日照時(shí)發(fā)電量約為0.6MW。在不同節(jié)點(diǎn)分別接入不同容量的光伏后，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定L指標(biāo)的變化趨勢(shì)見圖3。當(dāng)光伏接入13節(jié)點(diǎn)、14節(jié)點(diǎn)、15節(jié)點(diǎn)、16節(jié)點(diǎn)、17節(jié)點(diǎn)、18節(jié)點(diǎn)時(shí)，L較小，電壓穩(wěn)定性較好。根據(jù)圖2可知，這6個(gè)節(jié)點(diǎn)均在配電網(wǎng)末端。根據(jù)以上分析可知，當(dāng)光伏接入配電網(wǎng)末端對(duì)電壓穩(wěn)定性的改善效果較好。根據(jù)該地區(qū)實(shí)際情況，按各地點(diǎn)不同的允許接入光伏面積，分布式接入光伏，接入容量見表1。系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定指標(biāo)取系統(tǒng)中最大的L值，即系統(tǒng)中相對(duì)最不穩(wěn)定的線路L指標(biāo)。

圖2 某地區(qū)20節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)圖

圖3 光伏接入不同位置后系統(tǒng)電壓穩(wěn)定L指標(biāo)

表1 光伏接入節(jié)點(diǎn)及容量

分布式光伏接入配電網(wǎng)后，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定L指標(biāo)為0.0722，系統(tǒng)接入分布式光伏前后各支路電壓穩(wěn)定L指標(biāo)見圖4。

從圖4可以看出，當(dāng)分布式光伏接入后，改變了各支路的L指標(biāo)，其中17支路的L指標(biāo)由0.2802變?yōu)?.0603。根據(jù)前面的分析，光伏接入后對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響機(jī)理是由于對(duì)支路的功率產(chǎn)生了影響，減少了支路潮流從而減小了L指標(biāo)，提高了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性[3]。為驗(yàn)證本文的分析，將各支路首端的有功功率和無功功率進(jìn)行計(jì)算并分析，功率變化見圖5和圖6。

圖4分布式光伏接入配電網(wǎng)前后各支路L指標(biāo)

圖5分布式光伏接入系統(tǒng)前后各支路首端有功功率

圖6 分布式光伏接入系統(tǒng)前后各支路首端無功功率

從圖5和圖6可以看出，光伏接入前后對(duì)各支路的有功功率流動(dòng)影響較大，對(duì)無功功率的流動(dòng)影響不大。根據(jù)公式（1），由于線路流過的功率改變，使得支路L指標(biāo)改變，從而影響了系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。根據(jù)以上分析可知，分布式光伏接入對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響機(jī)理為改變了各支路的功率流動(dòng)，從而減小了L指標(biāo)，提高了電壓穩(wěn)定性。光伏集中接入時(shí)，接入到配電網(wǎng)末端位置，改善效果更為明顯[4]。

5 結(jié)語

綜上所述，由于世界上煤、石油等一次能源緊缺，且因溫室氣體排放過量引起的氣候變暖、海平面上升等全球環(huán)境問題日益嚴(yán)重，近年來利用清潔的太陽能作為新興能源的光伏發(fā)電，逐漸成為各國(guó)研究和發(fā)展的新趨勢(shì)，發(fā)展前景廣闊。本文分析了分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定的影響機(jī)理。通過本文分析可得出以下結(jié)論：a.相同容量光伏接入配電網(wǎng)末端，會(huì)提高電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定；b.受天氣影響，光伏峰值日照輸出功率會(huì)發(fā)生變化，少量光伏并網(wǎng)，隨著光伏輸出功率增多，線路流過功率越少，越利于電壓穩(wěn)定。