分布式光伏发电并网对配网电压的影响分析

罗日腾

（广东电网有限责任公司梅州平远供电局）

0 引言

进入21 世纪以来， 我国加大了对清洁能源的重视力度， 开始将光伏发电、 风力发电、 水力发电等接入到配网中， 在一定程度上缓解了电能紧张的局面。尤其是在光伏并网过程中， 其适用范围广、 发电效率高、 成本投入小， 具有显著的经济优势。如何科学规划光伏接入方案， 合理配置光伏并网模式， 抑制过电压及严重电压波动， 保障配网稳态电压分布， 已经成为绿色配网建设的重中之重， 值得深入研究与拓展。

1 并网方式

光伏并网可通过逆变器、 光伏阵列、 控制系统、变压器等， 将光能转变为电能， 供用户侧生产生活使用。现阶段我国光伏发电系统主要包括纯并网光伏发电系统、 具有UPS 功能的并网光伏发电系统和并网光伏发电混合系统三大类， 其均可从高/低压馈线处接入， 实现供电差额的补偿与外送， 其中：

（1） 集中式并网。我国配网主接线一般为单电源树干式接线、 单电源辐射式接线和双电源手拉手环网接线。双电源在运行过程中互为主备， 在一定程度上也可视为单电源辐射式接线。此时， 集中式光伏并网可将大型光伏电站与主接线连接， 进行高压远距离输电。该并网发电时所有电能均输送到配网后再统一调配， 起到了非常好的削峰填谷效果。

（2） 分布式并网。分布式光伏系统规模较小，先满足用户侧用电后余电上网。分布式光伏并网可直接接入到主干线链路中， 就近上网， 如图1 所示。

图1 某10kV配网分布式光伏并网方案

上述并网过程中光伏电源靠近用户侧， 供电半径大幅缩短， 减少了不必要的电能损耗。同时， 光伏电站与微电网灵活连接， 可在特殊条件下独立运行， 提升了用户用电的可靠性， 在我国配网中已经开始大规模推广应用。

2 作用机理

2.1 主要影响

受环境因素和技术因素的影响， 分布式光伏并网过程中很容易出现由光照强度差异、 接入位置差异造成的电压波动、 震荡谐波或出力不均衡等问题， 在一定程度上影响了配网运行的安全性能和经济效益。其中：

（1） 电压水平。分布式光伏并网可明显改善配网的整体电压水平， 增强配电的可靠性和经济性。通过光伏发电系统可在配网供需紧张的情况下， 满足区域生产生活用电需求。同时， 还可避免配网故障引起的大面积断电， 其对配网发展具有至关重要的意义。

（2） 电压波动。接入位置直接决定着光伏出力情况， 若接入位置过于靠近馈线末端， 此时接入点区域流通电流明显加大， 线路损耗增加， 电压波动明显；光伏容量直接影响着光伏出力均衡程度， 其出力时的电压值与光照强度由直接关系。若光照强度变化较大， 则光伏并网中的有功功率和无功功率差异较大，电压波动明显。

2.2 电压计算

本次研究过程中主要以图1 为例， 建立分布式光伏并网的恒功率静态模型。此时， 配网中共含有n个节点， 其各接入点处光伏出力恒定、 三相对称， 且工作于单位功率因数。

按照GB/T 12325-2008 中的要求， 220kⅤ及以下三相供电电压偏差不可超过±7%， 0.22kⅤ单相供电电压偏差不可超过+7%和-10%。计算过程中：

同时， GB/T 12325-2008 中规定， 35kⅤ及以下电压波动限值如表1所示。

表1 电压波动限值

可根据电压偏差与标称电压直接结算， 即：

2.2.1 未接入时的电压情况

如图1 所示， 低压配网中N个用户可等效为N 个负荷， 记系统低压侧电压为UN， 各节点视在功率为PLn+jQLn（n= 1，2，3…N）， 各节点间线路阻抗为Rn+jXn（n= 1，2，3…N）。在无光伏接入时，流入负载的有功功率视为“+”值， 反之视为“-”值。

若配网处于稳定状态， 忽略线损时， 配网第 （i-1） 个节点和第i个节点间的电压偏差为：

则矢量坐标下， 配网正向链路的线电压逐渐下降， 可将第i个节点处的电压视为：

2.2.2 光伏并网后的电压情况

在分布式光伏并网后， 配网主干线链路中接入光伏功率PVn， 此时， 第i个节点处光伏发电的有功功率与流入负载的有功功率方向相反， 会造成节点出现明显过电压， 即：

整理后可视为：

对照光伏未接入时第i个节点的电压负荷公式，可发现在分布式光伏并网后， 光伏电源可支撑正向上的馈线电压。若接入位置靠近馈线末端， 节点过电压问题明显， 对配网线路安全运行具有一定的影响， 在并网过程中应全面重视。

同时， 根据光伏输出功率和最大功率的波动关系， 将波动功率选取为最大功率的1/2， 可根据以上情景， 计算出分布式光伏并网时的不同容量引起的电压波动为：

即分布式光伏并网总体容量一致时， 配网主干线链路中馈线末端的电压偏差数值最大， 即分布式并网数量越多， 馈线末端电压偏差越明显； 分布式光伏并网容量越大， 配网主干线链路末端的电压偏差数值越大， 电压波动越明显， 最大可达：

综上所述， 分布式光伏并网可引起配网过电压或电压波动， 其接入位置与光伏容量与电压偏差数值呈正相关。

3 仿真检验

3.1 仿真操作

以某10kⅤ配网中的典型ⅠEEE-14 节点网络为例，对本次搭建的电压偏差计算模型进行检验， 其结构如图2所示。

图2 某10kV配网中的IEEE-14节点网络

上述网络中共包括3 条馈线， 14 个节点。其中，节点1为电源节点， 馈线1中含节点2、 6、 5、 7； 馈线2中含节点3、 11、 8、 9、 10； 馈线3 中含节点4、 13、14、 12。

按照分布式光伏并网引起的配网节点电压偏差关系式， 在Matlab/Simulink 软件中搭建仿真模型， 设置节点网络中基准电压为23kⅤ， 基准容量为100MⅤA，总负荷容量为28.7+j7.75MⅤA； 设置节点网络中的光伏阵列为CRM250S156P-60 型光伏电池， 其有功功率可达250W， 线电流为8.06A， 线电压为31.0Ⅴ， 相电流为8.65A， 相电压为37.8Ⅴ； 设置节点网络为同步PⅠ电流控制， 采用L 型拓扑结构滤波器， 增强谐波抑制效果， 提升配网电压偏差仿真的准确性和可靠性。

3.2 检验评估

（1） 未接入时的电压检验。在未接入分布式光伏发电系统时， 馈线1、 2、 3中的各个节点电压沿正向逐渐降低， 节点间存在明显的电压偏差， 仿真结果与理论计算结果一致， 如图3所示。

图3 光伏未接入时各节点的电压偏差

（2） 接入位置对电压的影响检验。在分布式光伏并网后， 根据接入位置的不同， 可发现在同一馈线上， 距离馈线末端的距离越近， 电压偏差数值越大，如图4所示。

图4 不同接入位置时的电压偏差

图4 中， 分布式光伏发电系统分别从馈线1 的节点2、 5、 6、 7依次接入。当从节点2并网时， 此时节点2 处电压偏差为2.12%， 节点5 处的电压偏差为1.47%， 节点6 处的电压偏差为2.25%， 节点7 处的电压偏差为1.28%； 当从节点5并网时， 节点2处电压偏差为2.20%， 节点5处的电压偏差为1.50%， 节点6处的电压偏差为2.18%， 节点7处的电压偏差为1.25%。对比观察， 可确认随着并网位置远离线路首段， 电压偏差逐渐增大， 并网点处电压偏差受影响最明显， 与计算结果一致。

（3） 接入容量对电压的影响检验。在分布式光伏并网后， 根据接入容量的不同， 可确定接入容量越大， 馈线末端电压波动越大， 如图5所示。

图5 不同接入容量下的电压偏差

图5 中， 分布式光伏发电系统分别按照总有功负荷容量的25%、 35%、 45%、 55%接入。此时， 在不同光伏容量下节点2、 节点5、 节点6、 节点7的电压偏差绝对值明显上升， 电压波动情况明显， 尤其是靠近馈线末端的节点7电压偏差幅度最大约6%， 其光伏容量与电压偏差正相关， 与计算结果一致。

4 结束语

经仿真结果验证： （1） 分布式光伏并网有助于提升配网的整体电压水平； （2） 不同接入位置的电能质量存在明显差异， 尤其是在馈线末端接入后， 节点电压波动较大， 配电稳定性系数下降； （3） 光伏容量大时将直接引起各馈线节点电压波动、 潮流谐振， 光伏容量越高， 电能质量越差。

因此， 在分布式光伏并网过程中应根据配网架构、负荷容量等合理规划， 充分考虑安全性、 可靠性、 稳定性、 经济性指标， 确定最佳接入点、 并网容量及运行方式等。要重点关注分布式光伏并网后引起的电压波动和谐波问题， 根据电压偏差数值和潮流波动情况， 做好针对性并网防护。并配合智能监测、 定期检查等，及时发现分布式光伏并网运行中的隐蔽风险， 其具体方案如下：

（1） 合理规划， 优化接入位置。分布式光伏并网过程中要对接入位置进行严格计算和分析， 充分考虑馈线结构、 供电半径、 负荷分布和出力情况， 合理协调供电半径和馈线距离， 找出最佳接入点， 从而获得最优的并网场景。一般可按照某10kⅤ配网中的ⅠEEE-14 节点网格仿真验证的方法， 搭建分布式光伏并网模型， 在不同节点中输入光伏负荷， 计算其对各节点电压波动的影响， 通过横向对比找到最佳接入点即可。

（2） 调整容量， 保证出力均衡。为进一步提升分布式光伏并网的安全效益和经济效益， 在设置的过程中应在满足用户侧需求的基础上尽量降低光伏容量，保证配网中火力发电、 光伏发电等均衡出力， 避免由光伏出力过高造成的电量冗余、 潮流波动等。除此之外， 在设置的过程中还需保留适当余量， 必要时可设置调压装置， 使光伏并网时的电压偏差在标准范围内， 从而增强光伏接入的稳定性和可靠性。

（3） 加强管理， 做好控制防护。分布式光伏并网时会对配网结构产生明显冲击， 造成配网电压波动、过电压等问题。在上述管理过程中， 应做好保护装置的设置， 如增加反馈调节装置、 安装谐波抑制装置、设计自动监测系统等， 从根本上改善配网运行的安全性、 可靠性和稳定性。如按照分布式光伏并网接入标准， “35kⅤ公共连接点电压正、 负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%； 20kⅤ及220Ⅴ单相公共连接点电压偏差不超过标称电压的+7%、-10%”。在电压偏差超过阈值后， 应逐一进行接入点、 接入容量、 开关装置、 保护装置的检查， 确定接入方案、 保护装置等是否存在异常， 及时进行优化和调整， 保证电压偏差在正常范围内， 避免由异常波动造成的用电故障。