不同电压等级光伏并网对电网电压影响分析

2018-10-13王晓文张异殊于海常戈阳阳

东北电力技术 2018年8期

王晓文，张异殊，于海常，苏蠡，戈阳阳

(1.沈阳工程学院电力学院，辽宁沈阳 110136；2.国网大连供电公司，辽宁大连 116001；3.国网沈阳供电公司，辽宁沈阳 110000；4.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳 110006)

随着人类对能源需求的日益增长，伴随着能源利用与环境保护的问题接踵而来，光伏发电等新能源在世界范围内受到了极大的重视，并得到了广泛的应用。光伏并网发电系统按照其发电方式可以分为集中式光伏并网发电系统和分布式光伏并网发电系统[1]。分布式光伏并网发电系统与集中式光伏并网发电系统相比，省去了长距离输电线路送电入网引起的输电线路损耗、电压跌落、无功补偿等诸多问题，分布式电源一般接在中、低压配电网系统，可以有效地弥补大规模集中式发电和输电的不足，以其高可靠性、可以改善供电质量、在短时间内可以有效解决电能短缺等优点得到了广泛的发展[2]。

近年来，国家在光伏并网发展方面加大了投入和支持，在此趋势下，2017年辽宁电网光伏发电增长300%。随着光伏渗透率的增加，分布式光伏对配电网电能质量、电压波动、继电保护等各个方面也带来不可忽视的影响[3-4]。因此，通过研究光伏并网对不同电压等级电网的影响可以帮助我们更加高效利用光伏发电，促进光伏产业的有序健康发展。

本文首先搭建了光伏发电系统及并网模型，介绍了光伏并网发电系统及对不同电压等级电网的影响机理。在此基础上通过改变接入点位置和光伏系统容量，定量分析了接入不同电压等级的光伏并网发电对电网电压的影响。最后通过现场试验数据验证了仿真系统给出的研究结论。

1 分布式光伏与配电网络

1.1 光伏发电基本原理

光伏电池的等效电路为一恒电流源与二极管并联，有串联和并联电阻，文献[5-6]给出了其等效电路，如图1所示。

图1 光伏电池等效电路图

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应，将光能直接转变为电能的一种技术。光伏发电具有无污染、可再生、建设周期短、运行维护简单等优势，其特性非常适用于分布式发电系统[7]。光伏阵列是一种直流电源，它是光伏发电系统的实际电源。光伏电池组件可以等效为电流源，其等效电路可以用图1所示的结构来描述。一般认为漏电阻Rsh可以忽略，光伏电池组件的输出电流表达式如式(1)所示：

(1)

式中：Isc为光伏电池由于光生伏特效应而激发的电流，它与电池的材料和尺寸、辐照度以及本体的温度有关。

1.2 接有分布式光伏的辐射式配电网结构

在正常运行方式下，配电网的接线方式都可以看作是单电源辐射式接线，由于配电网具有较短的馈线长度和较低的电压等级，因此在配电网络中只需要考虑分布电抗和分布电阻，不用考虑对地分布电容以及三相间线路的互感[8]。配电网馈线中不同位置分布有若干负荷和分布式光伏电源，假设某条辐射式配电网接线上共有n个节点，每个节点处都有分布式光伏电源和负载与之相连(没有的地方，设定其功率为0)，给出如图2所示的接有分布式光伏的辐射式配电网结构图。

图2 接有分布式光伏的辐射式配电网

2 分布式光伏并网对配电网电压的影响

根据已有的研究表明，分布式光伏接入电网，对配电网电压主要产生3种影响：一是引起节点电压升高，二是引起电压波动或闪变，三是改变电压的分布[9]。

2.1 单一PV接入对配电网的影响

如图3所示，设定线路共有N个负荷，故第n个点的负荷为Pn+jQn，分布式光伏电源PV的接入容量为PDG.n+jQDG.n，配置的电网电源侧为一个无穷大系统，其母线电压为UN,其幅值恒定不变，第n点的电压为Un(n=0,1,2,…,N)，ΔUn(n=0,1,2,…,N)为节点n-1和n之间的电压差[10]。

2.1.1 PV接入电网前

任意两点n和n-1之间的电压降落可以表示为

(2)

其中线路任意1个节点n的电压可以表示为

(3)

式(2)、式(3)中有功功率和无功功率均为正，相邻两个节点之间的电压差值为正，馈线首端电压最高，随着潮流流动，电压逐渐降低，距离母线越远，节点电压越低。

2.1.2 PV接入后对配电网电压的影响

分布式光伏接入电网后，如图3所示，等同于向配电网注入了一定的有功功率，光伏有功功率的潮流方向相反于负荷有功功率的方向，这就会使配电网的电压有一定的升高，同时也有可能导致节点电压的越界[11]。单一PV接入配电网的情况分为3种情况讨论。

a.节点m点接入PV时，节点m点电压为

图3 分布式光伏接入后的负荷分布

(4)

b.光伏系统接入配电网后，负荷点P位于光伏接入点m之前(m>P>0),P点的电压为

(5)

由式(5)可以看出，当线路参数与负荷都是确定值时，节点电压的大小与分布式光伏系统接入的位置和自身的容量有关。忽略线路的电抗和无功，得出两点之间的电压差值为

(6)

c.同前面两种情况相同(忽略无功和电抗的影响)，负荷P位于m点之后(m

(7)

相邻2个节点之间的压降为

(8)

由式(8)可知节点P-1始终大于节点P，所以在此情况下，节点电压逐渐降低。

通过理论分析可知，当光伏的功率因数为1时，单一光伏系统接入电网后配电网的影响因素为接入位置及光伏容量。当配电网未接入光伏时，电网节点电压逐级下降；当接入小容量光伏系统时，配电网各个节点电压略有升高，整体仍旧呈现下降的趋势；当接入大容量的分布式发电系统时，且接入点在电网上段，配电网节点的电压会出现先升、后降、再升的情况；当接入大容量分布式发电系统(大于接入点及接入点之后所有的损耗)，且接入点位于电网中下段时，配电网各节点电压会呈现先升高后逐级降低[12-13]。

2.2 多个光伏系统接入对配电网电压的影响

如图3所示，多个光伏系统接入配电网中同理忽略无功的影响，任意m点电压为

(9)

前后两点间电压差值为

(10)

式中：PVn为节点n接入的PV容量大小，式(9)表明，当各负荷节点的总损耗大于接入的PV的容量时，线路电压略有升高，仍旧呈现下降的趋势；相反当各负荷节点的总损耗小于接入的PV容量时，线路电压呈现逐渐升高趋势[14]。

3 仿真分析

3.1 分布式光伏并网引起电压波动

本文在Matlab仿真平台上建立了光伏发电系统模型，对光伏发电对电网影响分析进行仿真。建立的仿真模型如图4所示。

图4 光伏发电系统仿真模型

在Matlab-Simulink中的三相断路器模块中设置的并网时间点为0.005 s，仿真结果如图5所示，可以看出在光伏投入电网时，引起电压波形的短时波动。从图5中可以看出，在短路容量较小的情况下，微电网的投入会对电网电压波形造成一定的变化，但不会影响电网的电能质量。

图5 光伏电源投切对电压波动的影响

3.2 分布式光伏并网改变电压的分布

在Matlab平台构建如图6所示的简单光伏接入电网的网络模型，配电线路中U0=10 kV，经过变压器接入66 kV的电网中，构建简单的配电网模型，线路采用LGJ-150型号的架空线路，长度为8.82 km，配电网馈线设计负荷为6 MVA，功率因数为0.9。设置节点1-6，间距均为1 km。将光伏电源接入到1条10 kV配电线路中，设该配电线路始端电压为1.05 pu，额定电压UN=1.0 pu。

图6 简单配电网馈线结构图

根据以上的理论分析，开展同一PV在不同点接入配电网的仿真工作，选择1-4节点接入容量为4 MVA的光伏系统，仿真结果如图7所示。由图7可以看出，光伏系统的接入抬高了各节点的电压，特别是PV接入节点4最为明显。同时，在容量不变但光伏接入点发生变化的情况下，各个节点电压也发生了变化。接入光伏的容量越大、接入位置越远离母线，则各节点的电压抬升越明显。

图7 光伏接入不同位置时对节点电压影响

在相同参数条件下，只改变光伏容量和接入位置，针对同一接入点接入多个光伏的工况进行仿真，仿真得到的配电网各个节点电压变化情况如图8、图9所示，固定位置3和5接入S=2 MVA，S=3 MVA，S=4 MVA。

图8 节点3处接入不同PV对节点电压的影响

图9 节点5处接入不同PV对节点电压的影响

接入光伏后，馈线电压整体抬升，接入点抬升最为明显，对于同一个接入点，容量越大，负荷点电压抬升越明显。通过Matlab对光伏在不同接入条件下的仿真分析，证明了理论分析的正确性。

4 试验验证

为了进一步验证不同电压等级光伏接入对电网电压影响，采用实测数据对辽宁某地区66 kV接入及10 kV接入的两个典型光伏电站的电压情况进行分析。选择66 kV接入和10 kV接入的2个光伏发电系统的典型日，取有功功率输出为正的数据为例进行分析，典型日并网点电压变化情况如图10所示，可以看出66 kV系统在光伏出力时的电压波动范围是65.62～66.71 kV， 10 kV系统在光伏出力时的电压波动范围是10.61～11.17 kV。依据标准GB/T 12326—2008，66 kV系统的电压波动范围应在2.5%以内，10 kV系统的电压波动范围应在3%以内。因此66 kV和10 kV电压都超标，由于10 kV背景电压偏高，所以超标更严重。