光伏并网引起主动配电网电压越限问题研究

0 引言

近年来，传统化石能源日益枯竭，气候环境危机加重，为应对持续增长的电力负荷和能源短缺问题，以光伏、风电、生物能为代表的分布式电源以其清洁、灵活的发电方式已经逐渐广泛接入配电网[1]。随着新能源装机容量迅速增长，配电网从无源系统变为有源系统，传统配电网的拓扑结构和潮流运行发生了巨大的变化，其可靠性面临巨大的挑战。分布式电源的大量接入和高度渗透，使配电网成为一个电力分配和交换网络，实现智能化是解决分布式电源与配电网的集成问题，提高配电网供电质量和运行效率的必由之路。

光伏发电作为一种可再生能源，正由大型集中并网向分布式并网发展。集中式并网结构复杂，不利于控制，所消耗的经济成本非常大，不适用于一般的小型电网；但是分布式并网结构相比集中式并网较为容易，便于控制，占地面积小，所用的花费也相比于集中式少[2]。分布式光伏并网接入到主动配电网中，虽然节约了成本，提高了效率；但是也存在一些比较常见的问题，比如分布式光伏出力的随机性和波动性与电网负荷不平衡时会加大配电网调压的难度，且电路中存在大量电力电子开关器件，会产生谐波污染，还会引起一些潮流分布的影响和电压的分布影响，尤其是引起电压越限[3]。中低压配电变压器无带载调压能力，光伏系统接入电网后，用电高峰期可为配电网运行提供支撑，减轻负荷压力，一旦出现光伏系统出力较高而负荷较低时，同时会出现过电压现象。

1 分布式光伏并网对配电网可靠性的影响

近年来，以光伏为代表的分布式电源以其清洁、灵活的发电方式逐渐广泛接入配电网。当光照足够强烈或负荷较低时，分布式光伏的输出将使并网点和周围节点的电压超过限值，甚至引起保护装置动作将其切出电网。光伏电源的配电网系统由光伏阵列、直流转换器（DC/DC转换器）、逆变器、控制器等组成，其系统结构图如图1所示[4]。

图1 分布式光伏发电系统的结构图

在理想情况下，传输线电压保持不变，但在远距离传输情况下，线路阻抗使电压产生畸变，图2为光伏电源接入后的链式配电网。

图2 链式配电网

图2 中，U0为初始位置电压，Un、Pn、Qn分别为第n个用户的电压、消耗的有功功率和无功功率（n＝1，2，3，…，N），两个用户之间的线路阻抗为Rn+jXn＝ln（r+jx），Pv代表第p个用户接入的光伏容量。两个用户之间的电压差ΔU可表示为

光伏接入前，对普通用户来说，无功功率Qn和有功功率Pn均大于 0，即 ΔUm＜0，Um＜Um－1，于是，第m个点用户的电压为

光伏并网接入时，0＜m＜p，第m个点用户的电压可表示为

可得到电压差

如果所用的电在光伏接入点之后，即p＜m＜N时

由式（6） 知，（m－1） 点始终大于m点的电压，电压沿馈线方向降落。

2 光伏逆变器的控制策略

对于配电网来说，阻抗比R/X越大，有功功率越大，会导致电压越限。从上面的推导可以看出，有功功率越大，电压差越大，为了防止电压越限需要大量的无功功率来平衡，但这样会增大电流，增加线路损耗，必须增加逆变器的容量[5-6]。简单地利用逆变器的无功功率控制有很大的缺陷。

可以利用有功和无功功率协调控制策略，通过有功控制降低电压，利用逆变器的剩余容量吸收无功功率，既节省了逆变器容量，又降低了电压，对消除分布式光伏接入主动配电网引起电压越限风险具有较高的实用价值。

3 光伏并网引起的主动配电网电压越限仿真结果与分析

3.1 影响电压越限因素的仿真模型

基于以上理论建立影响电压越限因素的仿真模型，假设线路为理想线路，即只存在有功，不存在无功。通过仿真分析光伏在不同的条件下的电压值，可以得到不同影响因素下的电压变化趋势。图3为光伏接入不同线路长度后的各点电压，图4为光伏接入不同电压负荷后的各点电压，图5为光伏接入不同线路横截面积后的各点电压。

图3 光伏接入不同线路长度后的各点电压

图4 光伏接入后不同电压负荷的各点电压

图5 光伏接入不同线路横截面积后的各点电压

由仿真结果可知，光伏接入系统后，线路电压会上升，且与接入不同线路长度、负荷大小和导线的横截面积有关，初始时电压值均线性递增，当达到一定值之后开始缓慢地平滑衰减。

3.2 光伏逆变器控制对电压的改善

电网运行中，当光照足够强烈或负荷较低时，分布式光伏输出将使并网点和周围节点的电压超过极限，甚至引起保护装置动作将其切出电网，利用光伏逆变器的有功和无功功率协调控制可以降低电压越限的风险[7]。

由分布式光伏并网引起的有源配电网电压越限通常是由光伏系统输出过大的有功功率引起。图6所示为添加光伏逆变器后电压的改善情况。

图6 加入光伏逆变器后电压的改善情况

4 结束语

分布式光伏电源的输出功率易受环境因素影响，当接入有源配电网时可能导致电压越限问题。建立分布式光伏接入主动配电网的仿真模型，通过有功和无功功率协调控制方法消除电压越限风险，采用有功功率控制降低电压，利用逆变器的剩余容量吸收无功功率。分析分布式光伏接入后不同线路长度、电压负荷和导线截面积的电压变化，提出通过光伏逆变器解决电压越限风险的控制策略。仿真结果验证了其正确性和可行性。