光伏电源接入对配电网电压稳定的影响研究

葛晓慧 ，赵 波

（1.浙江省电力试验研究院，杭州 310014 2.浙江省分布式电源和微网技术研究重点实验室，杭州 310014）

0 引言

并网光伏电源为分布式发电方式，其工作特点是将光伏电池阵列产生的直流电经逆变器转换成符合电网要求的交流电之后再并入交流电网[1]。光资源分布及太阳光辐射变化的不均衡性、随机性、波动性、间歇性等特点导致了并网光伏电源的输出具有不确定性，可调可控性差。此外，光伏电源接入配电网后改变了传统配电网的辐射状结构，在馈线末端出现电源，引起了配电网络中的潮流改变，从而改变了系统电压分布[2]，对配电网的电压稳定性带来不利影响。如某大区电网的重负荷区内安装大量光伏电源时，因区域内的日照特性基本相同，当日照出现突变时，光伏电源功率减少将导致该地区出现功率缺额，若该缺额很大，则可能对地区电压质量甚至电压稳定性产生不利影响。

本文在仿真平台上建立了典型配电网络，并在其薄弱线路末端接入光伏电源，然后分别从光伏渗透率、线路长度、系统动态负荷水平以及是否装设无功补偿装置等方面，研究并网光伏电源对典型配电网电压稳定的影响，并就提高系统电压稳定给出了相关建议。

1 仿真条件

1.1 并网光伏电源结构

并网光伏电源由光伏电池阵列和并网逆变器组成，将光伏电池阵列产生的直流电馈送给交流电网，其能量的传递与变换方式通过逆变器实现，可以采用单级、双级或多级等多种电路结构。目前，主流的光伏电源并网一般采用双级结构[3-4]，先通过DC/DC变换器升压，再通过DC/AC逆变器变换并网，其等效电路如图1所示。

图1 并网光伏电源等效电路

1.2 配电网结构及参数

仿真采用某实际地区典型配电网结构，系统总负荷为139.033+j45.698 MVA，主网架为10kV等级，光伏电源通过该等级并入。选取典型网架中负荷重、线路长、单端供电的一条薄弱架空线路为研究对象（如图2所示），该线路上共有7个负荷节点，负荷合计为7.5+j2.47 MVA。并网光伏电源模型采用双级结构[5]，接在该薄弱线路末端，容量依渗透率的不同而定。仿真中将考虑不同线路长度（4 km，8 km，12 km）、不同负荷组成（动态负荷比例为30%和60%）、不同光伏电源渗透率（10%和30%）以及线路上补偿电容投切时，光伏电源出力变化（t=1 s时，从额定输出突变到零输出）对系统电压稳定所造成的影响。

2 系统仿真及分析

2.1 线路长度不同的情况

设定动态负荷比例为60%，光伏电源渗透率为30%，配电线路上未装设补偿电容。仿真结果如图3-5所示。

图3 线路长度为12 km时的线路末端电压

图4 线路长度为8 km时的线路末端电压

图5 线路长度为4 km时的线路末端电压

从仿真结果可以看出，配电线路长度不同时，因光照变化导致的光伏电源出力改变对配电线路的电压影响也不同。线路越短，光伏电源对配电线路的稳态电压提升作用越明显，出力变化后的电压跌落越不明显，电压恢复期间的震荡幅度越小。这是因为光伏电源的出力变化会对接入线路的电压造成影响，但由于主网的存在，这种影响的幅度有限。线路越短，馈线上的电压分布受主网电压的钳制作用越明显，因而当光伏电源出力变化时，线路上的电压变化也就越不明显。

2.2 动态负荷水平不同的情况

仿真中，保持配电线路长度为12 km，光伏电源的渗透率为30%，配电线路上未装设补偿电容。仿真结果如图6-7所示。

由仿真结果可以看出，动态负荷比例越高，光伏电源出力变化后配电线路末端电压的抖动越剧烈。当配电线路上的动态负荷比例增高，尤其是异步电动机增加后，光伏电源出力变化引起的电压波动将更加剧烈，极端情况下甚至可能导致光伏电源接入点或配电网络的电压失稳。

图6 动态负荷比例为60%时线路末端电压

图7 动态负荷比例为30%时线路末端电压

2.3 光伏电源渗透率不同的情况

渗透率（Penetration Percentage）是指分布式光伏电源安装容量与上一级变压器额定容量或其接入线路的最大输送容量的比值。仿真中，保持线路长度为12 km，线路负荷中的动态负荷比例保持为60%，线路上未装设补偿电容。仿真结果如图8-9所示。

图8 光伏电源渗透率为30%时线路末端电压

图9 光伏电源渗透率为10%时线路末端电压

由仿真结果可知，光伏电源自身的渗透率是影响配电系统电压稳定性的重要因素之一。当光伏电源渗透率较高时，对接入点和接入线路的稳态电压提升作用较为明显，但是当天气因素发生变化引起光伏电源出力出现较大抖动时，配电线路上的电压波动将更为明显。因此，当光伏电源大规模接入配电网时，必须对该问题给予足够重视并采取相应的控制方案，以保证配电系统的稳定运行。

2.4 配电线路是否装设无功补偿装置的情况

仿真中，线路长度保持为12 km，动态负荷比例保持为60%，光伏电源的渗透率保持为30%。仿真结果如图10-11所示。

图10 配电线路上无补偿电容时线路末端电压

图11 配电线路末端装设2 Mvar补偿电容时末端电压

由仿真结果可以看出，补偿电容的接入将使配电线路末端的电压有所提高，光伏电源因光照变化导致出力变化时，线路末端电压的振荡幅度有所减小，但效果并不明显。这是因为在上述配电线路中，与电压稳定性关系较大的动态负荷的比例较高，因此，补偿电容的接入只能对电压的静态稳定性有帮助。当系统因光伏电源出力变化进入动态过程时，补偿电容对于电压稳定性的作用并不明显，电压稳定性仍主要取决于动态负荷的比例。

3 结论

光伏电源接入对配电网电压稳定影响的研究，通过对比不同线路长度、负荷组成、光伏渗透率以及线路补偿电容器的投切与否等多种情况，得到以下结论：

（1）光伏接入的配电网线路越长、动态负荷比例越高、光伏电源渗透率越高，光伏电源出力变化对配电线路电压的影响越大。

（2）进行光伏电源接入系统设计时，要根据电网实际情况进行电压稳定性校验和分析。

（3）因光伏电源出力变化引起系统电压动态变化时，投切线路上的补偿电容对稳定系统暂态电压的作用不明显。

[1]P.YANN，F.BRUNO，R.BENOIT，et al..Analysis of a photovoltaic generator integrated in a low voltage network[C].Presented at the 17thInternational Conference on Electricity Distribution，Barcelona，2003.

[2]刘伟，彭冬，卜广全，等.光伏发电接入智能配电网后的系统问题综述[J].电网技术，2009，33（19）∶1-6.

[3]H.Al-ATRASH.Control strategy and implementation for a two-state inverter system[C].Archive of the Florida Power Electronics Center,University of Central Florida，Feb.2006.

[4]YAZDANI，P.DASH.A control methodology and characterization of dynamics for a photovoltaic （PV）system interfaced with a distribution network[S].IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24（3）∶1538-1551.

[5]Y.TAN，D.KIRSCHEN，N.JENKINS.A model of PV gener ation suitable for stability analysis[S].IEEE Transactions on Energy Conversion,2004，19（4）∶748-755.