分布式光伏电源对配电网节点电压的影响分析

朱林， 付东， 翟建伟， 陈达

(华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641)

0 引 言

光伏发电出力会随着天气变化及昼夜交替而发生波动，其不确定性和间歇性给电网安全运行带来了一系列的挑战。尤其是，当大量光伏电源接入低压配电网后，会带来配电网电压波动、闪变、越限等问题[1-5]。因而，含光伏接入的配电网电压特性非常值得重点关注。

目前，在光伏电源接入对配电网电压影响的相关领域已有了相对丰富的成果。文献[6]沿用类似思路比较了光伏电源接入前后配电网节点电压降落情况。但上述工作中所涉及的场景局限在配电网常规链式结构，较少涉及配电网的复杂拓扑结构、实际运行条件。文献[7-8]以实际高密度分布式屋顶光伏园区配电系统为研究对象，采用OpenDSS软件分析不同渗透率下光伏发电对配电网电压幅值的影响，但缺乏在线路阻抗、负荷容量等因素上的对比分析。

与此同时，也有学者[9]考虑了分布式发电对配电网电压分布的影响，从分布式发电的容量、接入位置说明对电网电压的影响，并提出变压器的分接头调整、电容器调节等应对方案[10]，然而却忽略了配电网实际运行条件与所具备的实际调节能力，方案较难实施。

尽管上述研究工作均能紧密围绕光伏发电所引起的节点压降计算，但分析方法和采用的分析模型相对简单，仅从链式配电网中的单点接入情况进行外推，所采用的大量理想化条件较难满足配电网的实际情况。因而，难以全面把握光伏电源接入对配电网电压降落的影响并量化影响因素的作用程度，也难以获得考察光伏接入配电网的规律认识。

本文针对含光伏接入的配电网，提出了基于叠加原理的电压特性分析方法，将配电网任意点电压降落分解为配电网母线引起的电压降落和光伏电源接入引起的电压降落两部分，并分别展开讨论分析。方法有良好的适应性，可用于多个光伏电源接入、配电网复杂拓扑等场景。在此基础上，为了方便分析光伏电源对整个配电网电压分布的主要影响因素，依据配电网结构及其运行方式，又进一步提出了电压降落的简化分析模型，并在此实用化模型基础下，分析了各种影响因素并总结了作用规律。大量的仿真表明了本方法的有效性。

1 光伏电源对配电网节点电压影响

在之前的研究中，通常是将光伏电源视为功率等价的负负荷，通过对比光伏并网前后节点压降变化，从而分析光伏电源所引起的配电网中任意点电压降落情况[11-12]。该方法尽管可以显式表达光伏并网配电网所引起的节点压降，但也存在下述问题：首先，将光伏电源视为等价的负负荷，因而配电网各节点电压仅由系统电源单独作用,这样将难以抽取出光伏电源对整个配电网电压分布的全部影响因素;其次，当有多个光伏电源接入时，易与多个节点负荷交织混合在一起，难以推导配电网任意点上的电压降落情况，甚至可能无法分析出多个光伏电源对配电网任意点电压的影响过程，不利于总结相应的作用规律；最后，该方法能较好适应辐射状配网，但较难适应T接、环网等接线方式以及多分布式电源并网情况。

针对以上问题，本文提出利用叠加定理，讨论光伏电源及系统电源共同作用下配电网任意点电压降落的分析方法。在后续分析中是将光伏看作独立供电电源，因而可将含分布式光伏电源的配电网可理解为多电源网络。研究光伏接入后配电网各节点电压变化情况，就可以等同在原有系统电源单独作用的基础上，加入光伏电源对配电网各节点的作用，即研究光伏接入对配电网各节点影响时，将系统电源进行接地处理，消除其他电源的影响。这样可有效地揭示出光伏电源对电网各节点影响的具体过程，同时也可以显式推导出光伏电源接入前后节点电压的变化情况。

在本文中，将光伏电源采用电流源来建模[13-14]。当有多个光伏电源接入配网中时，由叠加原理可知：考虑系统电源的作用，则将光伏电源开路处理；单独分析某个光伏电源的影响，则需要将系统电源接地，其他光伏电源开路；最后需要对所有电源的作用进行综合，将单独考虑电源作用下所获得的电压进行加和，即可获得配电网任意节点的电压。

对于考察分布式光伏电源接入配电网引起节点电压变化时，本方法可实现对单一光伏电源影响过程的独立分析，有效消除电源间的相互影响，可提示影响电压特性变化的主要因素。同时，也简化了在整个配电网中的分析过程，对于配电网的组网形式、具体拓扑结构并没有特别要求，易于从简单的辐射状接线方式扩展到其他较为复杂的接线方式。

2 分布式光伏电源对配电网电压的影响

2.1 单一光伏电源接入配电网

图1 链式配电网模型

针对单一光伏电源接入，且节点数为M的常规链式配电网，如图1所示。根据本方法，分析配电网任意一点m的电压降落ΔUm，可有：

1)配电网系统电源单独作用情况

在系统电源作用下，可认为系统母线电压为额定电压UN。因此，对于配电网任意一点m的电压降落ΔUm1，可表示为：

(1)

式中：Pn和Qn为第n节点处的有功负荷和无功负荷;Rk=rklk，Xk=xklk，rk、xk、lk分别为第k段线路的单位电阻值，单位电抗值及长度。

2)光伏电源单独作用情况

图2 单光伏电源接入链式配电网模型

设光伏接入点为q，接入容量为PVq+jQVq。当光伏电源单独作用时，系统电源视为短路，即配电网母线进行接地处理，如图2所示。

在q点接入光伏电源后，其有功、无功出力直接改变了接入点的负荷。同时，对于接入点之前、后的各个节点所引起的电压降落，需要分别讨论。

当m位于光伏接入点q之前，由光伏电源接入引起的电压降落ΔUm_qf为：

(2)

式中:PVq和QVq为q点接入光伏的有功功率和无功功率。

当m位于光伏接入点q之后，由光伏电源接入引起的电压降落ΔUm_qb为：

(3)

3)综合作用情况

根据本方法，利用叠加原理获得配电网任意节点的电压，需要对所有电源的作用进行综合，即将系统电源单独作用下和光伏电源单独作用下所获得的电压进行加和处理。

综上，配电网任意一点m，受其与光伏接入点位置的影响，m点上的电压降落ΔUm可整理为：

(4)

2.2 多光伏电源接入配电网

图3 多光伏电源接入链式配电网模型

设光伏接入点分别为q1,q2…,qj，容量分别为PVi+jQVi,(i=q1,q2…,qj)，如图3所示。

根据本方法，利用叠加原理获得配电网任意节点电压的步骤与2.1节的一致。只是在考虑光伏电源作用时，需要根据光伏电源的数量，轮流考虑单个作用和其他光伏电源开路的情况。

根据上述讨论，易于推导在此场景下配电网任意一点m的电压降落ΔUm：

式中:i=1,2,…;j由式(1)～式(3)决定。

2.3 光伏电源接入复杂拓扑结构配电网

图4 多光伏电源接入干线式配电网模型

图5 光伏电源接入环状式配电网模型

如图4、图5所示配电网，其结构相对复杂，但对其分析电压降所采用的方法和实施步骤却与前文类似：首先，对所有光伏电源断路处理，分析仅含系统电源下任意点的电压降落ΔUm1；然后，对系统电源接地处理，逐一分析每个光伏电源对系统任意点引起的电压降落ΔUm_i,i=1,2,…,q，q为配电网接入光伏电源总个数；最后，对所有电源的作用进行综合，即可获得任意点相对于配电网母线电压的电压降落。

从上文可看出，本方法可较好体现光伏发电所引起的节点压降，实施步骤清晰且易于掌握，对配电网的拓扑结构没有特殊要求，易于扩展应用。但所获得的电压降落公式依然相对复杂，尤其是随着光伏电源接入点的显著增多，节点压降的分段讨论将日益复杂，在实际配电网中的应用受到限制。因而，作者尝试在本节工作的基础上，结合配电网典型运行方式、电气参数等特征，在下一节中探讨实用分析模型。

3 光伏电源接入对电压降落的影响因素分析

以图1所示系统为研究对象，设配电网母线电压标幺值为1.05 pu，线路初始型号为LGJ-70，单位长度阻抗值为(0.481+j0.413)Ω/km，线路上含有7个节点，2个节点间的距离为0.05 km，每个节点消耗的有功功率均为10 kW。

3.1 单光伏电源接入

图6为30 kW光伏电源分别接入节点1，节点3，节点5，节点7及未接入任何节点时各节点电压变化曲线。

图6 节点电压随光伏电源接入点变化曲线

由图6可以看出，光伏电源接入有提升各节点电压的作用。有光伏电源接入时，无论光伏接入点在何处，各节点的电压均高于光伏发电未接入时的电压；光伏电源接入点的不同对电压提升的效果也不同，接入位置越接近线路末端，对电压提升效果越大，会容易出现电压越限。

图7为光伏电源接入节点5时，各节点电压随光伏出力的变化曲线。

图7 节点电压随光伏电源出力变化曲线

由于光伏电源出力的不同，沿线电压呈现三种变化趋势。当光伏出力为0 kW和7.5 kW时，沿线电压逐渐下降；当光伏出力为15 kW和22.5 kW时，沿线电压先下降后上升再下降；当光伏出力为30 kW时，沿线电压先上升后下降。由图7可以看出，出力较大的光伏电源对各节点的电压提升明显，其中对接入点节点5的电压提升效果最为显著，也最容易出现电压越限。对于光伏电源接入节点，也有类似结论。

图8为光伏电源接入节点5，采用四种不同线路型号，各节点电压变化曲线。

图8 节点电压随线路型号变化曲线

由图8可以看出，电气距离的变化直接影响电压降落。当线路采用型号LGJ-70，相对于型号YJV22-240,线路的单位阻抗变大，节点间电气距离增大，此时在光伏接入点电压提升最明显，在接入点及其附近的节点会容易出现电压越限。

3.2 多光伏电源接入

以3.1节仿真场景为例，重点研究多光伏接入对配电网电压的影响情况。图9为各节点接入光伏出力相同时的节点电压曲线。

图9 光伏电源出力相同时各节点电压

调整光伏电源的出力，当各节点接入20 kW光伏时，末端电压为1.110 5 pu，出现电压越限；当各节点接入13.5 kW光伏时，末端电压为1.071 9 pu，达到电压上限值。因此，为了防止线路末端出现电压越限，每个节点最多接入13.5 kW的光伏；当各节点接入10 kW光伏时，与节点负荷相等，因此各节点的电压均为1.050 0 pu，各节点的消耗刚好由本节点接入的光伏提供。多光伏电源总出力的增大，容易使线路末端节点电压越限。

随机设置各节点上的光伏出力，进行模拟光伏电源的不确定性。图10为光伏总出力由28 kW增大到140 kW时沿线各节点电压分布图。

图10 光伏电源出力各节点电压

由图10可以看出，当光伏电源总输出小于70 kW时，沿线电压呈下降趋势，线路末端电压最低；当总输出大于70 kW时，沿线电压呈上升趋势，线路末端电压最高；随着光伏电源总出力增加，线路的最大电压值会显著变大。

对于分布式光伏电源接入场景，光伏电源出力大于限定值后，线路末端节点容易出现电压越限。因而，可以采用该限定值作为配电网光伏电源的极限接入容量。

4 结束语

本文提出了一种基于叠加定理的电压特性分析方法，分析了分布式光伏电源接入对配电网节点电压的影响机理，并提出了忽略配电网无功功率及线路电抗的电压特性分析实用化模型。通过大量仿真得知，光伏电源接入对配电网电压具有提升效果，光伏接入点越靠近线路末端，光伏接入容量越大,对电压的提升效果越显著；减小节点间的电气距离具有维持配电网沿线电压稳定的效果；当多光伏电源接入配电网时，限制接入容量能够有效地抑制电压越限。通过理论分析及仿真验证了所述结论的合理性。