分布式光伏接入主动配电网电压特性研究

程孟增，于 佳，戴晓宇，王珊珊，汪明达

(1.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015；2.辽宁省送变电工程公司，辽宁 沈阳 110021；3.国网辽宁省电力有限公司管理培训中心，辽宁 沈阳 110023)



分布式光伏接入主动配电网电压特性研究

程孟增1，于 佳2，戴晓宇1，王珊珊3，汪明达1

(1.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015；2.辽宁省送变电工程公司，辽宁 沈阳 110021；3.国网辽宁省电力有限公司管理培训中心，辽宁 沈阳 110023)

分析了分布式光伏电源接入主动配电网后配电网馈线节点电压变化机理，给出以静态电压限值为约束的接入容量极限,探讨了影响主动配电网静态电压变化的各种因素。运用PSCAD/EMTDC电磁暂态软件搭建分散光伏发电多点接入主动配电网的系统模型。结合仿真算例验证上述分析的正确性，修正了不同线路长度接入容量方案，并提出解决分布式光伏发电和负荷网源不协调工作引起的电压偏差的措施和方案。

分布式光伏; 主动配电网; 馈线电压; 电压波动；PSCAD/EMTDC

随着环境的恶化，以风电、光伏发电、生物质等可再生能源为主体的分布式电源已成为发展的必然趋势。太阳能是一种清洁可再生的能源，取之不尽、用之不竭，有着其他新能源无法比拟的优势[1]。光伏发电发展迅猛，2016年底辽宁省新增光伏装机容量46.9万kW，发电量约为3.62亿kWh，成为全省增加最快的发电电源方式。其中，光伏电站21.9万kW，分布式光伏25万kW。由于分布式光伏项目接入配电网将改变传统配电网的辐射式配电方式，配电网电压波动问题是大规模分布式光伏发电发展的最大挑战之一[2]。为保证主动配电网的可靠运行，一般采用限制分布式光伏发电出力特性，并对接入实施严格规范的管理[3]。

当配电网中包含有分布式光伏时，配电网中的潮流就不再是单一的了，即改变了传统配电网的潮流，这种由于分布式光伏的接入而使功率流向变为双向的配电系统，成为主动配电网系统。主动配电网(active distribution network，ADN)的本质是分布式可再生能源被动消纳方式变为加入储能装置和分布式联合控制方式，减小分布式光伏发电对配电网造成的不利影响，从而提高配电网接纳分布式光伏发电的能力，被认为是解决分布式光伏发电接入问题的有效途径之一[4-5]。

主动配电网中接入分布式电源后，和传统的配电网作为单向供电电源在结构上有所变化。主动配电网最大的特点是接入了一定容量的光伏发电装置[6-7]。分布式光伏发电采用就地安装、就地消纳的方式，因此省去了线路输电损耗，提高分布式电源的利用率；光伏电站还具有就近补偿无功功率的功能，但随着分布式光伏容量接入增大，由于天气的变化，分布式光伏出力波动率增加，动态功率变化直接影响到配电网电压发生较大的波动[8-10]。本文以辽宁朝阳金杖子变电站为例，说明分布式光伏发电接入对主动配电网电压的影响。对单个光伏发电和多个光伏发电分散接入主动配电网电压变化机理进行分析，以指导满足电压偏差时光伏发电接入容量的合理范围，并提出光伏发电容量超出最大值时，保证满足电压偏差要求需要采取的措施。文中搭建了光伏和电网的仿真模型，通过单一节点接入和多点接入两种情况下，研究不同容量和不同位置接入以及不同负荷特性情况下，对主动配电网静态电压的研究。根据计算分析结果，提出相应的改善措施与建议。

1 主动配电网电压分布

本文对配电网电压进行分析，是以简单的单线式配电网作为实例，主动配电网系统的线路电压变化特性为主要研究对象，配电网的潮流计算以接入光伏的配电线路进行的，这样可以使分析基本反映客观情况。沿配电台区线路将每个分支线路视为一个节点进行编号，如图1所示的简单主动配电网中，馈线上包含有N个节点，设节点之间线路的电阻和电抗为R、X，故阻抗大小为R+jX，主动配电网系统的负荷分布在线路接入端，大小设为Pi+jQi，接入配电网分布式光伏的大小为PDG+jQDG。

图1 含分布式的简单均匀配电网系统

设主动配电网中线路上的一点j(位置不定)，

未接入分布式光伏前，j点前后的有功和无功功率分别为

(1)

(2)

如式(1)和式(2)所示，分析了线路的j点前后潮流情况。

1.1 系统电源作用下线路的电压计算[11]

主动配电网在没有光伏电源接入情况下，配电网线路中任意j点的电压降表示为

ΔUsj=ΔUsj-+ΔUsj+

(3)

式中：ΔUsj-为节点j前的负荷引起的电压降落；ΔUsj+是节点j点后的负荷引起的电压降落。结合式(1)和式(2)，可得：

(4)

(5)

最后可得到配电网线路的电压变化为

(6)

式(6)所示的电压是在无光伏电源接入后配电网中节点j处与变电站母线间的电压降。

1.2 分布式电源作用下电压波动的计算

分布式光伏单独作用线路电压波动的影响，相当于一根独立的导线在通过光伏容量的时候产生的电压降落，此时导线的长度即光伏接入点i前至变电站线路的长度，同理在光伏接入点后，接入点i至负荷点N线路阻抗产生的压降，光伏单独作用后电压降落表示为

(7)

1.3 整个电网线路电压计算

对于2个电源来说，系统电源在负荷线路上电压可以表现为降落，但是光伏电压可以抬升系统节点电压作用，在统一节点2个电源对电压波动的影响表示为

(8)

假设负荷点N处的电压U0，则线路中任一j点的电压为

(9)

由式(9)可知，分布式光伏的接入容量、接入位置均会影响到主动配电网的电压分布情况，由于分布式的功率因数决定分布式接入时输出的有功无功比例，故也是分布式光伏影响主动配电网电压分布的另一个因素。

2 分布式光伏仿真系统建模

目前，光伏并网发电系统电路主要由光伏模拟、变流器和电网主电路部分以及控制电路部分组成。光伏电池是一种非线性直流电源，根据详细程度，其数学模型可分为理想模型、单二极管模型和双二极管模型，光伏电池的等效电路如图2所示。

图2 光伏电池等效电路图

一个理想的光伏电池，在光照恒定时，光生电流不随光伏电池的工作状态而变化，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。由等效电路可得出光伏电池的输出特性方程：

(10)

式中：Iph为给定光强下的短路电流。

(11)

式中：Isc为标准测试条件(Tref=25 ℃，光照强度=1 000 W/m2)下的短路电流。参数αT为在参考日照下的电流变化温度系数：

(12)

式中：Irs为额定温度下的太阳能电池二极管反向饱和电流；q为电子电荷常数，通常为1.60×10-19；k为波尔兹曼常数，通常为1.38×10-23；n为二极管影响因子；Eg为光伏电能带宽度。

光伏阵列是由多个光伏组件串并联组成，从而提高了系统的电压和电流，以此增大加系统传输的功率。由Nc个组件串联，Nb个组件并联组成的光伏阵列的输出电流可描述为

(13)

P=VI

(14)

从式(13)、式(14)中可以看出:光伏阵列的输出电流I与输出功率P随光伏阵列输出电压V的变化而变化。

分布式电源并网逆变器的控制方式多种多样，目前应用较为广泛的主要是双环控制。双环控制的外环主要为功率控制，内环电流控制，一般动态响应较快。双环控制既能满足功率的静态稳定性，又能满足动态控制的快速性，光伏的控制系统如图3所示。

图3 单个光伏并网发电控制系统

3 仿真结果及分析

以图1为例，仿真条件：外部电路短路容量Sd为100 MVA； 母线额定电压UN为10.5 kV；光伏电源功率因数为超前0.98；线路电压等级为10 kV；线路型号采用LJG-240和YJLV-240。线路上共有8个用户接入，其中4个用户为10 kV/380 V用电负荷用户。另外4个用户为光伏电源接入用户，光伏性质为自发自用余电上网混合型光伏电源。

仿真算例1：光伏接入不同位置对馈线电压分布的影响。

算例1采用线路型号YJLV-240，线路阻抗0.125+j0.08 Ω/km，线路长度20 km。 线路有4个节点，分别为节点1、2、3、4，每个节点距变压器电气距离分别为5 km、10 km、15 km和20 km。光伏接入容量为3 MW。假设主动配电网负荷处在轻负荷运行情况，即用电负荷为零。在不改变其他运行条件，改变分布式电源接入位置时，检测分布式电源接入对主动配电网电压分布的影响。

(a)光伏接入节点4时线路各节点电压

(b)光伏接入节点3时线路各节点电压

(c)光伏接入节点2时线路各节点电压

(d)光伏接入节点1时线路各节点电压图4 光伏接入位置改变时主动配电网馈线电压变化图

由图4可以看出，相同容量光伏发电接入位置不同对电压的影响不同。在节点l、 2、3和4接入分布式电源时，光伏节点电压和光伏接入点以后的电压相同。配电网馈线上各节点电压均有提升，且馈线末端节点4的电压抬升量均大于馈线的其他节点1、2、3。通过图4(a)结果可看出，节点4电压有效值为10.8 kV,节点3为10.7 kV，节点2电压为10.5 kV，节点1电压为10.4 kV。按照《电能质量供电电压偏差》(GB/T12325—2008)中要求，节点4电压越限。通过图4(b)—(d)看出，光伏单独接入节点3，节点2和节点1时各节点电压低于光伏接入节点4的电压。所以光伏接入线路越短越有利于电压管理。

通过仿真结果综合验证了理论分析所得结论。

a.配电网线路接入分布式光伏电源后，线路上电压都有不同程度的提高；从节点1-4节点入处沿着负荷线路降低，接入点越靠近线路末端，电压抬高越明显。

b.在不改变其他运行条件时，只改变光伏接入位置，分布式电源接入位置越靠近末端，光伏对馈线电压影响越大。

仿真算例2:光伏接入容量对馈线电压分布的影响。

算例2采用线路型号LGJ-240，线路阻抗0.12+j0.35 Ω/km，线路长度20 km。在节点4接入分布式电源的容量依次接入P1=1 MW, P2=2 MW, P3=3 MW, P4=6 MW。在不改变其他运行条件时，观测分布式电源接入容量对不同配电网电压带来影响。

仿真结果如图5所示。图5(a)所示光伏接入节点4，接入1 MW时，节点1、2、3、4都不超过标准电压，电压有效值在10.4 kV以下。图5(b)所示接入2 MW时，节点4电压有效值可达到10.6 kV，已到达静态电压稳定极限值。图5(c)所示节点4电压越限。图5(d)所示节点3、4静态电压越限。通过仿真得出结论：在不改变其他运行条件时，分布式电源接入容量越大，对馈线电压的提升作用越明显。20 km的LGJ-240线路，馈线末端接入极限分布式光伏容量为1.9～2.1 MW。

(a)接入1 MW光伏发电线路各节点电压

(b)接入2 MW光伏发电线路各节点电压

(c)接入3 MW光伏发电线路各节点电压

(d)接入6 MW光伏发电线路各节点电压图5 光伏接入容量改变时主动配电网馈线电压变化图

4 结论

主动配电网的基本特性是在配电网层面，实现分布式电源和多元化负荷大量接入后，形成的网—源—荷为一体的主动配电网。本文对分布式发电接入主动配电网后分布式电源容量大小对配电网馈线节点电压进行研究，考虑了以电压为约束条件下，电网结构参数、接入容量、负荷特性等综合因素对电网静态电压影响。本文应用PSCAD/EMTDC电磁暂态软件建立了66/10 kV台区模型，结合工程常用10 kV架空线路和电缆线路具体参数建立不同馈线模型，以及分散的分布式光伏及其控制系统模型。通过理论分析了光伏有功和无功功率及接入馈线负荷特性对电压的影响。研究了分布式电源接入位置、接入容量和运行方式对主动配电网馈线稳态电压分布的影响，得出了相应的结论。

a.主动配电网中任何一点接入分布式电源，都有助于减少分布式接入线路的电压损失，对线路和台区电压有支撑作用，馈线上所有的节点电压都会有所抬升，且越靠近末端的节点，抬升量越大。

b.在供电半径越大，分布式光伏准入容量越小。电压等级10 kV，线路长度20 km 的LGJ-240架空线路，其集中单点接入容量极限为1.9～2.1 MW。电压等级10 kV，线路长度10 km 的LGJ-240架空线路，其集中单点接入容量极限为2.8 MW。

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Research on Voltage Characteristics of Distributed Photovoltaic Connected Active Distribution Network

CHENG Mengzeng1，YU Jia2，DAI Xiaoyu1，WANG Shanshan3，WANG Mingda1

(1.State Grid Liaoning Electric Power Company Limited Economic Research Institute, Shenyang，Liaoning 110015, China;2.Liaoning Power Transmission& Transformation Engineering CD.，Shenyang, liaoning 110021, China；3.State Grid Liaoning Management Training Center , Shenyang, liaoning 110023；China)

This paper analyzes the distribution mechanism of feeder node voltage after the distributed photovoltaic connected to the active distribution network,and gives the maximum capacity of PV under static voltage limit.This paper discusses the influences various factors of static voltage ADN, such as the position where PV generation is connected with, the mode of connection of PV gen-eration, output power of PV generation, the line parameters of power grid, the change of load characteristics.The electromagnetic transient software PSCAD/EMTDC is used to built the AND system model of the distributed PV generation multi-connection. The correctness of above-mentioned analysis is verified by four calculation examples, correct connected capacity scheme for different line length, and put forward the measures and solutions which solve the voltage deviation caused by the distributed PV generation and the grid load.

distributed PV; active distribution network; feeder voltage; voltage fluctuation; PSCAD/EMTDC

TM615

A

1004-7913(2017)05-0018-05

程孟增(1981)，男，博士，高级工程师，从事新能源和分布式电源研究。

2017-03-01)