分布式光伏接入配电网对电压分布的影响

郭鹏超，杨秀，张美霞，刘隽

(1.上海电力学院电气工程学院，上海200090；2.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海200437)

分布式光伏接入配电网对电压分布的影响

郭鹏超1，杨秀1，张美霞1，刘隽2

(1.上海电力学院电气工程学院，上海200090；2.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海200437)

位于负荷中心的分布式光伏电源对配电网线路的电压分布有重大影响，在考虑无功负荷和线路电抗影响的前提下，首先经过理论计算和仿真验证，说明了单个分布式光伏(PV)对线路电压分布的影响与其接入位置和注入容量有很大关系；当多个PV接入时，不同容量组合和位置接入对电压分布的影响也不同。然后计算得出随接入位置的改变，PV的最大可接入容量不同，最后用仿真的方式说明了在PV接入点并联电抗器补偿或通过逆变器控制可以防止PV的接入所引起的电压越限问题。

分布式光伏；配电网；电压越限；电抗器补偿；逆变器控制

目前以大机组、大电网、高电压为特征的单一式供能系统占全世界供能系统的90%以上，但是由于能源枯竭和环境问题，环保高效、灵活的分布式发电方式已经被世界各国所重视[1]。例如德国的“10万个太阳能屋顶计划”和美国的“百万太阳能屋顶计划”[2]的实施等，我国2012年发布的《中国的能源政策(2012》、由国家能源局公布的《太阳能发电发展“十二五”规划》、国家电网公司2012年10月出台的《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》等文件或政策的颁布与实施，为分布式光伏发电项目的发展打开电网支持“绿灯”。2013年8月，发改委颁布了新的分布式光伏补贴政策，2014年1月，能源局下发关于下达2014年光伏发电年度新增建设规模的通知，指出2014年新增备案总规模14 GW中分布式为8 GW。

通过上述政策整理可以看出，国家对分布式光伏支持力度非常大，分布式光伏项目的收益率已具备较强的吸引力。

分布式光伏电源(Generated Photovoltaic，PV)是指在配电网层面接入的光伏电源，PV以电力电子装置接入到配电网，一般以单位功率因数运行，不参与接入点电压调节[3]，PV的接入可能导致接入点出现过电压现象[4-5]，因此，为了避免过电压，有必要研究PV接入配网线路后引起线路电压的变化以及限制PV的接入容量等。文献[6]以不同的运行方式分析了最大负荷和最小负荷情况下的光伏最大接入容量；文献[7]基于恒电流负荷模型和恒电流DG稳态模型，对含有DG的放射状配网的电压分布、DG的可行接入位置以及注入容量限制进行了理论探讨，文献[8-10]分别从不同的角度计算了分布式电源的准入功率极限。

本文将以10 kV单馈线配网结构为例，在考虑无功负荷和线路电抗影响的前提下，分析单个与多个分布式光伏电源接入配网后对电压分布的影响，并计算特定配网结构下PV可接入的最大接入容量，最后对改善电压分布的措施做简要仿真分析。

1 分布式光伏电源对线路电压分布的影响

配电网网络的拓扑结构类型较多，我国城乡大多数的配电系统仍以放射状链式结构为主。配网中的负荷种类繁多，为便于研究，本文将采用恒功率模型来表示馈线上各节点的负荷。

本文配网采用如图1所示的17节点辐射状配网图，电压基准值为10 kV，线路阻抗数据和节点负荷数据则采用IEEE33节点标准模型中对应节点和线路的数据[11]。线路首端0节点作为平衡节点，电压标幺值设为PSD-BPA最大允许限值，即1.052，且恒定不变，线路第i节点的电压为Ui(i=1，2，3，…，17)，节点i与节点i－1之间线路阻抗为Ri+jXi，节点i处的负荷容量为Pi+Qi，负荷和分布式光伏电源均采用恒功率模型。

图1 单个分布式光伏电源接入10 kV线路的负荷分布

本文使用PSD-BPA电力系统仿真工具，将17节点配网阻抗数据和节点负荷数据输入，进行潮流计算后，可得总的线路损耗值为0.009 MW，而已知配网负荷容量为1.51 MW，因此线路损耗所占负荷容量比例极小，本文的理论分析将忽略损耗对计算的影响。

定义有功功率和无功功率向负载方向流动为正值，反之为负值。根据电力系统基础知识可得，PV接入前，节点i和节点i－1之间的电压降如式(1)所示[11]。

由于用户消耗的有功功率Pn和无功功率Qn均大于0，故ΔUi<0，Ui

式中：U0为线路初始端电压。

1.1 单个分布式光伏电源接入的情况

设PV在节点m处接入配网，容量为PV，运行功率因数为1.0。当负荷节点i位于PV接入点前时，即0

当式(3)中ΔUi>0时，Ui－Ui－1>0，可求得结果如式(4)所示：

由式(3)可以求得节点i的电压如式(5)所示：

由式(5)和式(2)比较可知，光伏电源接入后对馈线各节点电压有一定的提升作用，提升幅度与线路参数、节点负荷容量、PV发电容量及其接入位置有关。

当负荷节点i位于光伏接入点之后时，即m

由式(6)和式(1)比较可得，当负荷节点位于PV接入点之后时，两节点的电压差未发生变化，但由于光伏接入点m的电压被抬高，因此，PV接入点之后的节点电压均被抬高，电压分布趋势与PV接入前相同，呈下降趋势。

综上所述，设光伏接入点为m，在线路初始端电压保持不变的前提下，单个PV接入后，随着PV出力的逐渐增加，线路电压变化趋势如下：

1.2 多个分布式光伏电源接入的情况

设节点i处接入光伏容量为PVi，与式(4)类似，PV接入配网系统后，节点i处的电压如式(7)所示：

节点i与节点i－1之间的电压差如式(8)所示：

由式(8)可得，当ΔUi<0时，即节点i的电压低于节点i－1的电压，反之，节点i的电压高于节点i－1的电压。

综上所述，多个PV接入配网后的电压分布与各节点接入PV的发电容量、线路参数和各节点的负荷容量有关，电压分布情况应视具体情况而定。

1.3 分布式光伏最大接入容量

(1)单个分布式光伏电源接入配网的情况

在所选的10 kV配网模型中，由于线路首端电压已经确定为最大允许限值，即U0=1.052，且恒定不变，因此在式(5)中，应使Ui≤U0，可得结果如式(9)所示：

由式(9)即可求得各节点PV可接入的最大容量，由于0.95≤Ui≤1.052，i=1，2，…17，这里做Ui=1近似处理，因此可求得各节点PV可接入的最大容量的近似结果如式(10)所示：

由式(10)和线路以及节点参数便可求得配网线路中各节点PV可接入的最大容量，可以看出不同节点可接入PV的最大容量是不同的。

(2)多个分布式光伏电源接入配网的情况

由式(7)可得，要使Ui≤U0，节点i处的PV接入容量需满足式(11)：

由式(11)可以看出，当多个PV接入配网时，各节点PV可接入的最大容量不仅与线路和节点参数有关，还与其它节点接入PV的容量有关，因此，节点i处的光伏电源最大接入容量应根据具体情况而定。

2 仿真结果分析

2.1 单个分布式光伏电源接入配网的情况

已知10 kV配网线路电抗和节点负荷数据，可求得配网模型的容量为1.686 MVar。由式(9)和线路及节点参数可计算得到单个PV在不同位置接入时的最大可接入容量，结果如表1所示，表中CP(Capacity Penetration)为PV的容量渗透率，即PV的接入容量占配网负荷容量的比例[12]，PVmax为节点的PV最大可接入容量。

为验证计算结果，本文采用PSD-BPA仿真工具，在节点4、9、17处分别按表2数据接入分布式光伏，表中的“接入容量2”即为表1中对应节点PV的最大可接入容量，仿真结果如图2、图3、图4所示。

????????????????????? 4 9 17????1/MW(???/%)0.100(5.93)????2/MW(???/%)0.600(35.59)1.000(59.31)0.828(49.11)????3/MW(???/%)0.900(53.38)????4/MW(???/%)1.653(98.04)1.273(75.50)1.700(100.83)1.300(77.11)1.900(124.56)1.500(88.97)1.000(59.31)

图2 在节点4处接入分布式光伏的电压分布

图3 在节点9处接入分布式光伏的电压分布

图4 在节点17处接入分布式光伏的电压分布

(1)PV的接入对电压分布的影响分析

由仿真结果图2、图3、图4可以看出，随着PV接入容量的增加，馈线的电压分布出现了三种趋势：1)逐渐降低；2)先降低再升高再升高；3)先升高再降低。在趋势2)和3)中，PV接入点成为系统的局部电压最高点。

(2)PV可接入最大容量分析

在图2、图3、图4中，当接入点PV的容量为最大可接入容量时，接入点的电压与首端电压相等，均达到配网线路的最大允许限值；当接入点PV的容量大于最大可接入容量时，已有部分节点电压越限，仿真结果与计算结果完全吻合。

2.2 多个分布式光伏电源接入配网的情况

本文选择节点11和15作为PV接入点，PV接入容量为1.041 MW，渗透率为61.74%，通过不同容量组合来分析多个PV接入配网后对电压分布的影响，接入容量组合如表3所示，由PSD-BPA仿真所得电压分布如图5所示。

?????????????????????/CP(MW/%) ??11 ??15??1 0.100(5.93) 0.941(55.81)??2 0.300(17.79) 0.741(43.95)??3 0.600(35.59) 0.441(26.15)

图5 两节点不同容量组合接入的电压分布曲线

由图5可以看出，当节点11处PV容量为0.100 MW、节点15处接入PV容量为0.941 MW时，馈线部分节点电压已经越限。而当节点11处PV容量为0.600 MW、节点15处接入PV容量为0.441 MW时，各节点电压均没有越限情况。

因此可以得出结论：多个PV同时接入配网时，当相同PV总容量不变的情况下：(1)不同的PV容量组合接入馈线对电压分布的影响不同；(2)靠近馈线末端的PV接入容量越大，靠近馈线首端的PV最大可接入容量就会偏小，反之，靠近馈线首端的PV最大可接入容量较大。

3 改善电压分布的措施

在实际运行中，光伏电源运行出力是随机的，不可能一成不变，当光照较强或负荷容量较低时，就有可能导致接入点甚至周围节点的电压越限，因此有必要采取措施来改善PV接入后的电压分布。常规的调压方式一般包括发电机调压，同步补偿机、电容器组、并联电抗器和静止补偿器调压，变压器调压[13]等。

本文将采用PV接入点电抗器补偿和逆变器控制的方式分析单个PV接入配网时对线路电压分布影响的改善措施，多个光伏电源接入时可采取类似的措施。

3.1 电抗器补偿

本文以节点9为例，来说明采用电抗器补偿的方式可以有效防止电压越限。在节点9接入PV容量为1.500 MW(渗透率为88.97%)，电抗器补偿容量为2.00 MVar前后的电压分布曲线对比如图6。

由图6可以看出，在PV接入点处并联一定容量的电抗器，可以防止接入点电压越限甚至使节点电压恢复至接入光伏电源之前的状态。

图6 在节点9处接入PV和电抗器前后电压分布曲线

3.2 逆变器控制

当逆变器输出有功功率一定，可以通过调整逆变器的有功输出来调整接入点电压，本文以节点9为例，PV发电容量为1.5 MW(渗透率为88.97%)，功率因数为超前，逆变器不同功率因数运行时的电压分布曲线如图7所示。

图7 定有功输出，逆变器调节功率因数时的电压分布曲线

由图7可以看出，当逆变器以超前功率因数0.7运行时，线路电压分布最接近于PV接入前状态，但此时逆变器的输出功率已达到2.14 MVA，即此种运行方式需要较大容量的逆变器。

当逆变器容量一定时，可以通过调节逆变器的有功和无功输出来调整接入点电压，仍以节点9为例，逆变器容量为1.5 MVA，功率因数为超前，逆变器不同功率因数运行时的电压分布如图8所示。

图8 逆变器容量一定，调节功率因数时的电压分布曲线

由图8可以看出，当逆变器以超前功率因数0.7运行时，线路电压分布最接近于PV接入前状态，但此时逆变器有功输出为1.05 MW，无功输出为1.07 MVar，此时改善电压分布是以损失有功输出为代价的。

4 结论

分布式光伏电源接入配网后，会对配网线路的电压分布产生影响，甚至导致电压越限现象，本文通过理论分析和仿真验证的方式，得出以下结论：

(1)单个PV接入配网，随着PV容量的增加，线路电压分布趋势呈现逐渐降低、先降低后升高再降低以及先升高再降低三种趋势；

(2)单个PV接入配网，越靠近馈线首端，可接入的PV容量越大。当一定容量的光伏电源接入配网可能导致接入点电压越限时，建议将PV接入靠近馈线首端的位置；

(3)多个PV接入配网，不同容量组合接入时，为减小PV的接入对馈线电压分布的影响，可将较小容量PV接入靠近馈线末端节点，将较大容量PV接入靠近馈线首端节点；

(4)PV接入点并联电抗器补偿或通过逆变器控制可以防止由于PV的接入引起的电压越限问题，并改善PV接入配网的电压分布。

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Influence of distribute photovoltaic access to distribution network on voltage profile

GUO Peng-chao1,YANG Xiu1,ZHANG Mei-xia1,LIU Jun2
(1.College of Electric Power Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China;
2.Electric Power Research Institute of SG Shanghai Electric Power Company,Shanghai 200437,China)

The distribute photovoltaic located at load center has significant impact on feeders'voltage profile.Considering the reactive power and line reactance,after theoretical calculation and simulation,it is proved that the influence of distribution PV access to distribution network on voltage profile has great relationship with its access position and injection capacity;when there are multiple PV access to distribution network,the influence on voltage profile is different when combined capacity and location are different.Then the maximum alternative capacity at each node was calculated.Al last,it is illustrated through simulation that shunt reactor at PV node and inverter controlling can solve the voltage violation problem.

distribute photovoltaic;distribution network;voltage violation;reactor compensation;inverter controlling

TM 615

A

1002-087 X(2016)08-1660-05

2016-01-25

郭鹏超(1990—)，男，河南省人，硕士，主要研究方向为分布式光伏对配网的影响。