光伏接入对配电网电压分布的影响

白金,周秀,陈彪,杨鑫,殷睿

(1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院,宁夏 银川 750011;2.国网宁夏电力有限公司固原供电公司,宁夏 固原 756000;3.长沙理工大学,湖南 长沙 410114)

0 引 言

近年来,我国不断推进落实“双碳”目标,光伏发电可再生能源处于重要的战略机遇期。诸如宁夏、青海、甘肃以及新疆等省(区)光照年辐射量平均值在1 600 kW·h/m2以上,为光伏发电提供了天然的优越条件。然而,光伏发电并网在低压配电网存在多方面问题:光伏电源的出力受环境中光照强度和温度影响较大,环境条件的快速变化可能导致配电网系统中电压的波动和闪变,大规模的使用光伏逆变器可能引发电力谐波污染,同时增加配电网网络损耗[1-4]。此外,光伏电源渗透率对配电网潮流和网络损耗也产生影响,渗透率的增加可能导致网络损耗的上升[5-7]。不同光伏接入位置对配电网网络损耗的影响也存在差异[8-10],因此,光伏发电不可避免地引起电压质量问题,仅通过限制光伏接入容量而不对运行技术及策略进行优化,很难将这一问题彻底解决[11-15]。

本文进行了光伏接入配电网节点电压变化原理的理论分析,并建立了光伏并网的仿真模型,以量化评估光伏接入配电网位置、接入容量等因素对节点电压的影响,同时,研究验证了光伏接入后可能引发的配电网末端电压越限问题。

1 光伏接入配电网节点电压改变原理分析

目前,我国35 kV电压等级及以下电压等级大多采用单一辐射性链式网络,这种结构具有接线容易,经济性好,后期方便增加容量等优点。对于这种网络,电能一般从线路首端送往线路末端,不允许潮流逆转,但是这种电能输送方式会导致线路末端的电压明显低于线路首端。如果负荷过大,消耗的无功功率过多,则有可能导致线路末端节点电压过低,影响电能质量。

光伏系统接入配电网以后,潮流的分布情况将会发生改变,与此同时,伴随着潮流变化,节点电压也会发生改变,其等效电路如图1所示。其中PV为光伏电源,假设光伏运行在单位功率因数下,P+jQ为光伏注入到系统的功率,SL=PL+jQL为系统负荷,R和X分别为线路电阻和电抗,US为等值系统电压。

图1 光伏发电系统并网等效电路

由功率关系可得:

(1)

光伏接入前并网点电压U0为

(2)

光伏接入后并网点电压U为

(3)

光伏接入前和光伏接入后,光伏接入点的电压变化量ΔU为

(4)

式(4)表明,当光伏有功出力改变时,光伏接入点的电压将会发生改变,并且随着光伏系统的有功功率输送增加,接入点的电压抬升效应将变得更为显著,实现了有功功率就地平衡。

通过光伏接入,能够有效改善配电网电压下降问题。由于我国传统的配电网主要采用单一辐射性网络或链式网络结构,当光伏出力变化较为缓慢,有功功率输出相对平稳的情况下,这一原理适用于绝大多数配电网络结构。如果环境条件变化迅速,如光照强度和温度剧烈波动,光伏的有功功率输出也将出现较大变化,从而引起光伏接入点电压波动,上述原理将不再适用。

小容量光伏接入后,产生了有功功率补偿效果,中和了一部分当地负荷要求,没有产生潮流逆转的情况。而同样的配电网络,如果光伏大规模接入,并且采用集中接入的方式,渗透率过高,就会造成潮流反转,光伏系统将会给配电网络倒送功率,原理分析如图2所示。

图2 光伏发电系统等效电路

由功率关系可得:

(5)

根据式(2)和式(3)可求出光伏接入前后并网点电压,并由式(4)得到光伏接入前后电压变化量ΔU为

(6)

式(6)第二项近似为0,如果光伏系统运行在单位功率因数下,则可简化为

(7)

式(7)表明,光伏输出的有功功率过多,超出了当地负荷需求,剩余的功率倒送至配电网,此时产生潮流逆转。此外,随着光伏系统输出的有功功率增加,接入点的电压升高变得更加显著,极有可能造成光伏接入点的节点电压越限问题。由于光伏系统输出的有功功率与光照强度密切相关,自然环境中的光照强度可能会发生急剧变化,因此,需要通过仿真验证来评估在光伏装机容量过大,渗透率过高时,节点电压的变化情况。

2 仿真验证

2.1 光伏接入前后对节点电压的影响

本文将配电网负荷简化为1个恒功率模型,将低压配电网络的架空线路简化为阻抗等值电路,如图3所示。该模型可对35 kV系统情况进行模拟,有效解决配电网的用电情况随机性较大,负荷的种类较多,负荷模型难以准确搭建的问题。配电网络设置了6根母线,每1根母线视为1个节点,分别编号为N1,N2,N3,N4,N5,N6。每1个母线带1个负荷,模拟配电网的用电情况,将母线2,4,6号分别接入光伏发电系统。架空线的线路阻抗设置为(0.2625+j 0.409657) Ω/km,系统外部电网所连接的母线为平衡节点,电压为U1=1∠0。节点负荷设置为P=5 MW时,线路长度为2 km。

图3 配电网电压分布仿真模型

配电网节点电压的变化情况可以用电压变化率来反映,该参数越大,则表明光伏接入配电网后的影响越大。电压变化率ε的定义如式(8)所示。

(8)

该仿真中,每一个节点上的负荷均设置为5 MW,6个负荷总计为P=30 MW。PV1、PV2、PV3光伏系统各装机3.3 MW,并假定各光伏系统的发电同时率均为1,此时光伏渗透率达到33.3%。光伏系统接入前后,节点电压变化情况如图4和图5所示。

图4 光伏并网前后各母线电压

图5 光伏接入后各节点电压变化率

由图4可知,光伏接入后,除了首端节点之外,另外的5个节点电压均出现了明显上升,改善了配电网的电压分布。对于配电网末端,光伏接入之后,节点电压抬升至0.993 p.u.,即使出现了负荷高峰,末端仍能保证电压不会出现过低的情况。分布式光伏并网之后,网络拓扑结构随之改变,潮流流向不仅由高压侧流向低压侧,而且由光伏系统直接流向负荷侧。并网光伏平衡了当地负荷,降低了电压损耗。

光伏接入后电压变化率如图5所示,首端电压变化不明显,而越靠近线路末端,节点电压变化率越大。

2.2 接入容量对配电网节点电压的影响

利用图3的仿真模型,负荷与光伏的接入都保持不变,只改变光伏系统的输出有功功率,验证其对配电网节点电压的影响。光伏系统有功输出及渗透率见表1,仿真结果如图6所示。

表1 各节点光伏容量及渗透率

图6 光伏容量及各节点电压曲线

光伏系统渗透率越高,节点电压也越高,当渗透率达到50%时,光伏系统对35 kV配电网节点电压的支撑效果最好。当渗透率达到66.7%时,光伏系统输出有功过多,导致了潮流逆转,各节点电压升高,甚至超过首端电压。

2.3 接入位置对配电网节点电压的影响

在上述仿真模型中,保持总的光伏装机容量不变,渗透率为50%,P=15 MW。分2组做仿真测试,第1组中,3个节点光伏系统容量均为5 MW,改变光伏系统接入的位置。第2组仿真测试改变光伏接入方式,将分布式光伏接入改为集中式光伏接入。光伏接入位置如表2、表3所示。仿真结果分别如图7和图8所示。

表2 第1组仿真案例编号

表3 第2组仿真案例编号

图7 光伏分布位置变化

图8 光伏集中接入位置变化

由光伏分布位置变化导致节点电压变化情况来看,在同一个光伏接入配电网的系统下,改变光伏系统的接入位置,配电网的节点电压将产生较大的改变。仿真结果表明,越靠近末端,光伏系统接入个数越多,对电压的支撑效果就越好。3种组合中,N4,N5,N6的组合对光伏系统的电压支撑效果最好。

由图8可以看出,光伏系统接入位置越靠近末端,在渗透率不超过一定值,即不造成配电网过电压的情况下,对配电网节点电压的抬升效果越好。并且通过对比图4可以发现,光伏系统接入首端时,对节点电压的影响很小。

2.4 光伏引起的配电网过电压仿真验证

若光伏以集中式的方式接入配电网,则当它接入配电网末端的效果最明显,接入配电网末端将显著改变配电网每一个节点的电压。仿真将光伏系统集中接入至节点6,并不断修改光伏系统的有功功率输出,得到仿真结果如图9所示。

图9 光伏集中接入下不同渗透率对节点电压的影响

当末端节点接入15 MW光伏系统,渗透率为50%时,能有效改善配电网电压分布,末端电压将略高于首端。当末端节点接入22.5 MW光伏系统,渗透率为75%时,末端电压偏高,接近于1.04 p.u.。当末端节点接入30 MW光伏系统,光伏的有功功率输出达到配电网负荷的总消耗有功,也即渗透率超过100%时,末端节点电压将超过1.05 p.u.,节点电压超过1.05 p.u.就可以认定产生了电压越限问题。

3 结 论

分析了光伏并网后电压波动原理,通过电力系统仿真软件进行仿真,得到了光伏系统的不同接入方式、接入容量、接入位置等对配电网电压分布的影响。仿真结果表明,分布式光伏接入配电网时,接入点越接近末端,对系统电压改善效果越好。和分布式接入相比,将光伏系统集中接入配电网末端对系统电压改善效果更好。

光伏系统接入配电网,当末端节点接入15 MW光伏系统,渗透率为50%时,能有效改善配电网电压分布,末端电压将略高于首端。当末端节点接入22.5 MW光伏系统,渗透率为75%时,末端电压偏高,接近于1.04 p.u.。当末端节点接入30 MW光伏系统,渗透率为100%时,出现了配电网末端电压越限问题。