分布式光伏电源对配电网电压影响的研究

摘 要：分布式光伏发电已成为未来新能源主要的发展方向，但是大量分布式光伏连接到电网后会对电能质量造成影响。本文重点研究分布式光伏电源不同接入容量、不同接入位置对链式配电网络电压的影响。基于MATLAB，采用牛顿法编程进行潮流计算，仿真结论为分布式光伏电源可以为节点电压提供有效支撑并改善线路电压，但超限或接入位置不合理都将导致电压越限，影响配电网的电压质量。为了保证配电网电压质量分布式光伏设备自身和配电网都应采取各种调压方式，避免分布式光伏接入配电网出现电压波动过大的情况。

关键词：MATLAB；SIMULINK；链式配电网；牛顿法

中图分类号：TM 711" " 文献标志码：A

1 配电网电压受分布式光伏电源输出有功的影响

传统配电网结构多呈辐射状，电压在稳态工况下会不断弱化（沿馈线潮流向）。分布式光伏电源与配电网连接后，馈线传输功率减少，无功出力（分布式光伏电源）支持加大，电网潮流降低，节点电压出现波动，从而提高所有荷载节点部位（沿馈线）的电压。在分布式光伏电源功率（电网内接入）不高的条件下，潮流弱化同样不明显，尽管如此，同样可以在一定程度上提高各负荷节点（沿馈线方向）电压，发挥电压的支撑功能；如果分布式光伏电源功率（电网内接入）过大，就会明显弱化潮流，显著提高节点电压，而在功率超过某特定值的条件下，可能会出现潮流逆向，部分节点电压会因此出现电压越限。配电网各节点电压会受分布式光伏接入电网位置、发电功率、并网容量（并网点）等因素的影响。

负荷功率和分布式光伏电源出力对线路传输功率有影响，而线路传输功率又对节点电压有影响，因此，当光伏接入配电网后，其输出的功率将会导致线路传输功率发生变化，从而导致节点电压发生变化。分布式光伏接入不同的位置、不同的容量都会对节点母线电压产生影响，如果未进行评估就随意接入，很有可能导致母线电压越限，对电网造成严重的损害。

1.1 单个光伏接入配电网对电压的影响

10kV配电网（放射状）具有代表性，假设在某点接入光伏电源。设线路中的载荷数量计为N个，Pn+jQn（n=1，2，…，N）为第n个负荷点消耗功率（Qn为负荷点消耗的无功功率；Pn为负荷点消耗的有功功率）。Rn+jXn（n=1，2…，N） 为线路阻抗（第n、第n-1个负荷点间）（Xn为电抗分量；Rn为电阻分量）。

设Ppv+jQpv为分布式光伏电源PV（接入）容量（Qpv为分布式光伏输送的无功功率；Ppv为分布式光伏输送的有功功率）。设m为PV接入点，设幅值恒定的U0为配电网电源侧母线电压，Un（n=1，2，…，N）为第n点电压， ∆Un（n=1，2，…，N）为n节点与n-1节点两者之间的电压差[2]。

n与n-1这2个毗邻点间的电压降在配电网内接入分布式光伏PV前如公式（1）所示。

（1）

式中：" ∆Un为n节点与n-1节点两者之间的电压差； Un为第n点的电压；Xn为电抗分量；Rn为电阻分量；Qpv为分布式光伏输送的无功功率；Ppv为分布式光伏输送的有功功率。

因此，任一节点的电压如公式（2）所示。

（2）

式中： ∆Un为n节点与n-1节点两者之间的电压差；Un为第n点的电压；Xn为电抗分量；Rn为电阻分量；Qpv为分布式光伏输送的无功功率；Ppv为分布式光伏输送的有功功率。

因为外部环境易影响分布式光伏发电，因此其荷载随机性极为突出。荷载类型多种多样，笔者假设分布式光伏系统在不吸收能量条件下将功率送入配电网。在m节点向配电网内接入分布式光伏电源PV，该电源会把有功功率输入电网，输入的有功功率对各节点电压具有一定的提升作用，但是同样有可能出现节点电压越限（接入处）现象。

分布式光伏PV接入节点m点后，相应的节点电压如公式（3）所示。

（3）

比较公式（2）和公式（3），在接入分布式光伏后，接入点m电压升高，且其增加的大小如公式（4）所示。

（4）

式中： Um为m节点的电压； U0为母线电压；Xn为电抗分量；Rn为电阻分量；Qpv为分布式光伏输送的无功功率；Ppv为分布式光伏输送的有功功率。

在m点接入分布式光伏PV的条件下，如果点m前为P负荷点所处部位（0lt;Plt;m），那么P点的电压如公式（5）所示。

（5）

式中： Up为第p点的电压；U0为第基准电压；Xn为电抗分量；Rn为电阻分量；Qpv为分布式光伏输送的无功功率；Ppv为分布式光伏输送的有功功率。

由公式（5）可以看出，当线路的参数以及用户负荷的大小明确时，P节点的电压还与分布式光伏的输出功率以及接入的位置有关，接入分布式光伏后配电网电压得到提升。相邻2点之间的电压差如公式（6）所示。

（6）

因为线路电抗较小，可以忽略不计，且用户负荷的功率因数较大，所以可以暂时不考虑无功功率产生的影响，公式（6）可简化为公式（7）。

（7）

式中： ∆Up为节点p与节点p-1两者之间的电压差； Up为第p点的电压；Xn为电抗分量；Rn为电阻分量；Qpv为分布式光伏输送的无功功率；Ppv为分布式光伏输送的有功功率。

对比公式（1）和公式（7）可以得出∆U'plt;∆Up，证实在分布式光伏接入条件下，节点p与节点p-1间压降比没有接入时小。分布式光伏接入容量值通常会影响节点p的电压。如果接入容量不大，即时，∆U'pgt;0，那么p节点电压比p-1节点低，因此线路电压的变化趋势为沿馈线逐渐降低；如果有较大容量接入，即时，∆U'plt;0，那么p节点电压比p-1节点高，部分节点处的电压显著升高。

在分布式光伏PV接入m点后，如果负荷点p位于m点之后（mlt;Plt;N），那么p点的电压如公式（8）所示。

（8）

电压降（相邻两点）如公式（9）所示。

（9）

式中：∆Up为节点p与节点p-1两者之间的电压差； Up为第p点的电压；Xn为电抗分量；Rn为电阻分量；Qpv为分布式光伏输送的无功功率；Ppv为分布式光伏输送的有功功率。

由公式（9）可知，节点p-1的电压始终比节点p的电压高，所以电压沿馈线呈现一直降低的趋势。

综上所述，配电网的节点电压会受单一光伏电源的功率因数、接入位置及容量的影响。线路电压变化趋势如下。1）如果分布式光伏未接入配电网，那么线路电压的变化趋势为逐渐下降（沿馈线末端向）。2）分布式光伏接入配电网且容量不大，线路电压（所有节点）略增，不过逐渐降低（沿馈线末端向）趋势依旧明显。3）当配电网接入的分布式光伏容量较大时，从配电网电源到接入节点的线路传输功率逐渐变小，线路电压的变化趋势将沿馈线末端方向呈现先降低后升高再降低的情况。4）如果接入节点+各荷载消耗功率（节点接入条件下）的总和小于配电网接入分布式光伏容量，那么线路电压将会沿馈线末端方向先升高后降低[3]。

1.2 配电网电压受分布式光伏电源输出无功功率的影响

功率调节是现有光伏逆变器的一项基本功能，大多数光伏逆变器都具备该功能，无功功率调节电压会被其输出或吸收。太阳的光照强度随时间变化，一天内适合的光照强度维持时间较短，导致大部分时间光伏并网逆变器全部在比其额定容量低的功率上运行。因此，如果额定容量大于光伏有功功率，那么逆变器富余容量能够将无功支撑作用提供出来用于调节电网电压。第1、第4象限为荷载工作区域，第2、第3象限为光伏逆变器工作区域，其不但可以将无功吸收输入电网，而且还可以将有功功率输入电网。

这表明光伏电源的有功输出可以补偿电压降（有功消耗导致），电压会被光伏有功输出增大。光伏电源无功输出可降低或提升线路压降，从这点来看，有点类似于以补偿无功为基础实现线路电压提升的无功补偿装置。

忽略逆变器的有功功率，仅考虑输出无功，如果逆变器进行的是感性无功输出，就可以起到降低电压的作用，如果是容性无功输出，则具备升压作用。线路末端与分布式光伏电源安装部位之间的距离越小，分布式光伏电源无功输出越多，越能显著增强馈线电压。

通过上面的分析可以得出结论，可以通过无功功率（分布式电源并网逆变器）输出来调节光伏电源接入节点电压。

2 电压受分布式光伏电源接入配电网影响仿真

仿真分析采用链式配电网络，系统节点平衡，三相对称，12.66kV基准电压，SB=10MVA，总容量1.6771MVA，总无功负荷和有功负荷分别为0.7400Mvar和1.5050MW，

2.1 配电网电压分布受分布式光伏电源接入容量的影响

在配电网接入分布式电源的条件下，配电网电压分布会受到容量差异的显著干扰。基于配电网受接入容量值干扰分析，避免接入位置的影响，在节点10率先接入分布式电源，出力变化随机，功率因数为90%，分别确定0%、30%、50%、80%以及100%荷载总容量。编制MATLAB程序对系统接入分布式电源后的潮流进行分析和绘图，采用牛拉法进行潮流计算。具体仿真结果如图1所示。

由图1可知，节点电压在未接入分布式光伏电源的条件下逐渐变小（沿馈线末端向），馈线末端的部分节点电压已经低于规定的电压下限，在线路末端用电的用户将无法正常用电，最低电压的标幺值达到0.94左右。当节点10接入光伏后，分布式光伏电源将有功功率注入电网，馈线中传输的功率比未接入光伏时减少，导致整条馈线的电压水平显著提升。比较容量不同的分布式光伏电源接入同一节点形成的馈线电压分布曲线结果表明，支撑节点电压的功能与分布式光伏接入容量值成正相关，会显著增高节点电压。但是，如果接入容量大于特定数值，那么就会出现逆向传送功率，明显高于系统电压的局部电压最大值出现在节点10，同时节点10周围的节点电压也被提升至系统电压以上。

2.2 配电网电压分布受分布式光伏电源接入位置的影响

电压分布同样会受到配电网内接入分布式电源的位置差异干扰，先把分布式电源输出出力固定在50%荷载总容量标准，以便分析配网网受接入位置差异的干扰，以免节点电压受到接入容量差异的干扰。由4、6、8、10、12、14、16馈线的节点分别连接分布式电源，对电压分布所受干扰展开仿真分析比较。编制MATLAB程序对系统接入分布式电源后的潮流进行分析和绘图，仿真结果如图2所示。

由图2可知，如果把容量一样的分布式光伏电源接入馈线各位部位，就会产生明显不同的配电网电压分布曲线。当接入节点4、节点6（从馈线前端）时，电压增加不明显；光伏电源接入点和馈线末端之间距离越小，越能有效支撑馈线整体电压，与此相应的是末端电压改善效果更明显。然而，与末端距离越小， 比如接入节点14、节点16，会出现功率倒流的情况，系统电压会大于部分节点电压（接入点周围）。接入分布式电源一旦发生突然停电情况，就会迅速降低节点电压（接入点周围），电压开始产生波动，从而弱化电压质量，用户的电力使用即会受到明显影响。

3 结语

以理论、仿真实践为切入点，对链式配电网络电压分布（辐射状）受分布式光伏电源位置差、容易异接的影响进行分析，得出以下结论。1）配电网接入分布式光伏电源可以为节点电压提供有效支撑。节点电压提升幅度与光伏电源接入容量成正相关。但是当接入容量超过某一限定时，会出现功率逆传输，系统电压会比接入点周围的电压低，同样有可能出现电压越限情况。2）分布式光伏电源的接入位置越靠近馈线末端，对线路电压改善效果就越明显。光伏电源接入点不合理，同样会出现功率倒流现象。3）配电网接入或切断分布式光伏电源均会显著影响节点电压，因此为了不影响用户的用电质量，有必要在相关节点（电压波动明显）安装无功补偿装置（电容器等），也可以采取其他调压方式避免配电网在分布式光伏接入影响下出现电压波动过大的情况。

参考文献

[1]刘宏欣.分布式光伏发电接入后对配电网电能质量的影响[D].西安：西安理工大学，2017.

[2]MARMAGKIOLIS K ， CILINGIROGLU M .Rebuttal pharmacologic

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