分布式光伏電源對(duì)配電網(wǎng)電壓影響的研究

摘 要：分布式光伏發(fā)電已成為未來(lái)新能源主要的發(fā)展方向，但是大量分布式光伏連接到電網(wǎng)后會(huì)對(duì)電能質(zhì)量造成影響。本文重點(diǎn)研究分布式光伏電源不同接入容量、不同接入位置對(duì)鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)絡(luò)電壓的影響?；贛ATLAB，采用牛頓法編程進(jìn)行潮流計(jì)算，仿真結(jié)論為分布式光伏電源可以為節(jié)點(diǎn)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(dǎo)致電壓越限，影響配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。為了保證配電網(wǎng)電壓質(zhì)量分布式光伏設(shè)備自身和配電網(wǎng)都應(yīng)采取各種調(diào)壓方式，避免分布式光伏接入配電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)過(guò)大的情況。

關(guān)鍵詞：MATLAB；SIMULINK；鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)；牛頓法

中圖分類號(hào)：TM 711" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 配電網(wǎng)電壓受分布式光伏電源輸出有功的影響

傳統(tǒng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)多呈輻射狀，電壓在穩(wěn)態(tài)工況下會(huì)不斷弱化（沿饋線潮流向）。分布式光伏電源與配電網(wǎng)連接后，饋線傳輸功率減少，無(wú)功出力（分布式光伏電源）支持加大，電網(wǎng)潮流降低，節(jié)點(diǎn)電壓出現(xiàn)波動(dòng)，從而提高所有荷載節(jié)點(diǎn)部位（沿饋線）的電壓。在分布式光伏電源功率（電網(wǎng)內(nèi)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(fù)荷節(jié)點(diǎn)（沿饋線方向）電壓，發(fā)揮電壓的支撐功能；如果分布式光伏電源功率（電網(wǎng)內(nèi)接入）過(guò)大，就會(huì)明顯弱化潮流，顯著提高節(jié)點(diǎn)電壓，而在功率超過(guò)某特定值的條件下，可能會(huì)出現(xiàn)潮流逆向，部分節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)因此出現(xiàn)電壓越限。配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)受分布式光伏接入電網(wǎng)位置、發(fā)電功率、并網(wǎng)容量（并網(wǎng)點(diǎn)）等因素的影響。

負(fù)荷功率和分布式光伏電源出力對(duì)線路傳輸功率有影響，而線路傳輸功率又對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓有影響，因此，當(dāng)光伏接入配電網(wǎng)后，其輸出的功率將會(huì)導(dǎo)致線路傳輸功率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓發(fā)生變化。分布式光伏接入不同的位置、不同的容量都會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)母線電壓產(chǎn)生影響，如果未進(jìn)行評(píng)估就隨意接入，很有可能導(dǎo)致母線電壓越限，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的損害。

1.1 單個(gè)光伏接入配電網(wǎng)對(duì)電壓的影響

10kV配電網(wǎng)（放射狀）具有代表性，假設(shè)在某點(diǎn)接入光伏電源。設(shè)線路中的載荷數(shù)量計(jì)為N個(gè)，Pn+jQn（n=1，2，…，N）為第n個(gè)負(fù)荷點(diǎn)消耗功率（Qn為負(fù)荷點(diǎn)消耗的無(wú)功功率；Pn為負(fù)荷點(diǎn)消耗的有功功率）。Rn+jXn（n=1，2…，N） 為線路阻抗（第n、第n-1個(gè)負(fù)荷點(diǎn)間）（Xn為電抗分量；Rn為電阻分量）。

設(shè)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(wú)功功率；Ppv為分布式光伏輸送的有功功率）。設(shè)m為PV接入點(diǎn)，設(shè)幅值恒定的U0為配電網(wǎng)電源側(cè)母線電壓，Un（n=1，2，…，N）為第n點(diǎn)電壓， ?Un（n=1，2，…，N）為n節(jié)點(diǎn)與n-1節(jié)點(diǎn)兩者之間的電壓差[2]。

n與n-1這2個(gè)毗鄰點(diǎn)間的電壓降在配電網(wǎng)內(nèi)接入分布式光伏PV前如公式（1）所示。

（1）

式中：" ?Un為n節(jié)點(diǎn)與n-1節(jié)點(diǎn)兩者之間的電壓差； Un為第n點(diǎn)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(wú)功功率；Ppv為分布式光伏輸送的有功功率。

因此，任一節(jié)點(diǎn)的電壓如公式（2）所示。

（2）

式中： ?Un為n節(jié)點(diǎn)與n-1節(jié)點(diǎn)兩者之間的電壓差；Un為第n點(diǎn)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(wú)功功率；Ppv為分布式光伏輸送的有功功率。

因?yàn)橥獠凯h(huán)境易影響分布式光伏發(fā)電，因此其荷載隨機(jī)性極為突出。荷載類型多種多樣，筆者假設(shè)分布式光伏系統(tǒng)在不吸收能量條件下將功率送入配電網(wǎng)。在m節(jié)點(diǎn)向配電網(wǎng)內(nèi)接入分布式光伏電源PV，該電源會(huì)把有功功率輸入電網(wǎng)，輸入的有功功率對(duì)各節(jié)點(diǎn)電壓具有一定的提升作用，但是同樣有可能出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓越限（接入處）現(xiàn)象。

分布式光伏PV接入節(jié)點(diǎn)m點(diǎn)后，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jié)點(diǎn)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(wú)功功率；Ppv為分布式光伏輸送的有功功率。

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

（5）

式中： Up為第p點(diǎn)的電壓；U0為第基準(zhǔn)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(wú)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(dāng)線路的參數(shù)以及用戶負(fù)荷的大小明確時(shí)，P節(jié)點(diǎn)的電壓還與分布式光伏的輸出功率以及接入的位置有關(guān)，接入分布式光伏后配電網(wǎng)電壓得到提升。相鄰2點(diǎn)之間的電壓差如公式（6）所示。

（6）

因?yàn)榫€路電抗較小，可以忽略不計(jì)，且用戶負(fù)荷的功率因數(shù)較大，所以可以暫時(shí)不考慮無(wú)功功率產(chǎn)生的影響，公式（6）可簡(jiǎn)化為公式（7）。

（7）

式中： ?Up為節(jié)點(diǎn)p與節(jié)點(diǎn)p-1兩者之間的電壓差； Up為第p點(diǎn)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(wú)功功率；Ppv為分布式光伏輸送的有功功率。

對(duì)比公式（1）和公式（7）可以得出?U'plt;?Up，證實(shí)在分布式光伏接入條件下，節(jié)點(diǎn)p與節(jié)點(diǎn)p-1間壓降比沒有接入時(shí)小。分布式光伏接入容量值通常會(huì)影響節(jié)點(diǎn)p的電壓。如果接入容量不大，即時(shí)，?U'pgt;0，那么p節(jié)點(diǎn)電壓比p-1節(jié)點(diǎn)低，因此線路電壓的變化趨勢(shì)為沿饋線逐漸降低；如果有較大容量接入，即時(shí)，?U'plt;0，那么p節(jié)點(diǎn)電壓比p-1節(jié)點(diǎn)高，部分節(jié)點(diǎn)處的電壓顯著升高。

在分布式光伏PV接入m點(diǎn)后，如果負(fù)荷點(diǎn)p位于m點(diǎn)之后（mlt;Plt;N），那么p點(diǎn)的電壓如公式（8）所示。

（8）

電壓降（相鄰兩點(diǎn)）如公式（9）所示。

（9）

式中：?Up為節(jié)點(diǎn)p與節(jié)點(diǎn)p-1兩者之間的電壓差； Up為第p點(diǎn)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(wú)功功率；Ppv為分布式光伏輸送的有功功率。

由公式（9）可知，節(jié)點(diǎn)p-1的電壓始終比節(jié)點(diǎn)p的電壓高，所以電壓沿饋線呈現(xiàn)一直降低的趨勢(shì)。

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

1.2 配電網(wǎng)電壓受分布式光伏電源輸出無(wú)功功率的影響

功率調(diào)節(jié)是現(xiàn)有光伏逆變器的一項(xiàng)基本功能，大多數(shù)光伏逆變器都具備該功能，無(wú)功功率調(diào)節(jié)電壓會(huì)被其輸出或吸收。太陽(yáng)的光照強(qiáng)度隨時(shí)間變化，一天內(nèi)適合的光照強(qiáng)度維持時(shí)間較短，導(dǎo)致大部分時(shí)間光伏并網(wǎng)逆變器全部在比其額定容量低的功率上運(yùn)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?qū)o(wú)功支撐作用提供出來(lái)用于調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。第1、第4象限為荷載工作區(qū)域，第2、第3象限為光伏逆變器工作區(qū)域，其不但可以將無(wú)功吸收輸入電網(wǎng)，而且還可以將有功功率輸入電網(wǎng)。

這表明光伏電源的有功輸出可以補(bǔ)償電壓降（有功消耗導(dǎo)致），電壓會(huì)被光伏有功輸出增大。光伏電源無(wú)功輸出可降低或提升線路壓降，從這點(diǎn)來(lái)看，有點(diǎn)類似于以補(bǔ)償無(wú)功為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)線路電壓提升的無(wú)功補(bǔ)償裝置。

忽略逆變器的有功功率，僅考慮輸出無(wú)功，如果逆變器進(jìn)行的是感性無(wú)功輸出，就可以起到降低電壓的作用，如果是容性無(wú)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(wú)功輸出越多，越能顯著增強(qiáng)饋線電壓。

通過(guò)上面的分析可以得出結(jié)論，可以通過(guò)無(wú)功功率（分布式電源并網(wǎng)逆變器）輸出來(lái)調(diào)節(jié)光伏電源接入節(jié)點(diǎn)電壓。

2 電壓受分布式光伏電源接入配電網(wǎng)影響仿真

仿真分析采用鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)平衡，三相對(duì)稱，12.66kV基準(zhǔn)電壓，SB=10MVA，總?cè)萘?.6771MVA，總無(wú)功負(fù)荷和有功負(fù)荷分別為0.7400Mvar和1.5050MW，

2.1 配電網(wǎng)電壓分布受分布式光伏電源接入容量的影響

在配電網(wǎng)接入分布式電源的條件下，配電網(wǎng)電壓分布會(huì)受到容量差異的顯著干擾?；谂潆娋W(wǎng)受接入容量值干擾分析，避免接入位置的影響，在節(jié)點(diǎn)10率先接入分布式電源，出力變化隨機(jī)，功率因數(shù)為90%，分別確定0%、30%、50%、80%以及100%荷載總?cè)萘?。編制MATLAB程序?qū)ο到y(tǒng)接入分布式電源后的潮流進(jìn)行分析和繪圖，采用牛拉法進(jìn)行潮流計(jì)算。具體仿真結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)電壓已經(jīng)低于規(guī)定的電壓下限，在線路末端用電的用戶將無(wú)法正常用電，最低電壓的標(biāo)幺值達(dá)到0.94左右。當(dāng)節(jié)點(diǎn)10接入光伏后，分布式光伏電源將有功功率注入電網(wǎng)，饋線中傳輸?shù)墓β时任唇尤牍夥鼤r(shí)減少，導(dǎo)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(jié)點(diǎn)形成的饋線電壓分布曲線結(jié)果表明，支撐節(jié)點(diǎn)電壓的功能與分布式光伏接入容量值成正相關(guān)，會(huì)顯著增高節(jié)點(diǎn)電壓。但是，如果接入容量大于特定數(shù)值，那么就會(huì)出現(xiàn)逆向傳送功率，明顯高于系統(tǒng)電壓的局部電壓最大值出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)10，同時(shí)節(jié)點(diǎn)10周圍的節(jié)點(diǎn)電壓也被提升至系統(tǒng)電壓以上。

2.2 配電網(wǎng)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(huì)受到配電網(wǎng)內(nèi)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?cè)萘繕?biāo)準(zhǔn)，以便分析配網(wǎng)網(wǎng)受接入位置差異的干擾，以免節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)分別連接分布式電源，對(duì)電壓分布所受干擾展開仿真分析比較。編制MATLAB程序?qū)ο到y(tǒng)接入分布式電源后的潮流進(jìn)行分析和繪圖，仿真結(jié)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(huì)產(chǎn)生明顯不同的配電網(wǎng)電壓分布曲線。當(dāng)接入節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)6（從饋線前端）時(shí)，電壓增加不明顯；光伏電源接入點(diǎn)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(yīng)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(jié)點(diǎn)14、節(jié)點(diǎn)16，會(huì)出現(xiàn)功率倒流的情況，系統(tǒng)電壓會(huì)大于部分節(jié)點(diǎn)電壓（接入點(diǎn)周圍）。接入分布式電源一旦發(fā)生突然停電情況，就會(huì)迅速降低節(jié)點(diǎn)電壓（接入點(diǎn)周圍），電壓開始產(chǎn)生波動(dòng)，從而弱化電壓質(zhì)量，用戶的電力使用即會(huì)受到明顯影響。

3 結(jié)語(yǔ)

以理論、仿真實(shí)踐為切入點(diǎn)，對(duì)鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)絡(luò)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(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。1）配電網(wǎng)接入分布式光伏電源可以為節(jié)點(diǎn)電壓提供有效支撐。節(jié)點(diǎn)電壓提升幅度與光伏電源接入容量成正相關(guān)。但是當(dāng)接入容量超過(guò)某一限定時(shí)，會(huì)出現(xiàn)功率逆?zhèn)鬏?，系統(tǒng)電壓會(huì)比接入點(diǎn)周圍的電壓低，同樣有可能出現(xiàn)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(duì)線路電壓改善效果就越明顯。光伏電源接入點(diǎn)不合理，同樣會(huì)出現(xiàn)功率倒流現(xiàn)象。3）配電網(wǎng)接入或切斷分布式光伏電源均會(huì)顯著影響節(jié)點(diǎn)電壓，因此為了不影響用戶的用電質(zhì)量，有必要在相關(guān)節(jié)點(diǎn)（電壓波動(dòng)明顯）安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置（電容器等），也可以采取其他調(diào)壓方式避免配電網(wǎng)在分布式光伏接入影響下出現(xiàn)電壓波動(dòng)過(guò)大的情況。

參考文獻(xiàn)

[1]劉宏欣.分布式光伏發(fā)電接入后對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響[D].西安：西安理工大學(xué)，2017.

[2]MARMAGKIOLIS K ， CILINGIROGLU M .Rebuttal pharmacologic

pretreatment in SVG interventions[J].Catheterization and cardiovascular

interventions： Official journal of the Society for Cardiac Angiography amp; Interventions， 2014， 84（5）：856-856.