某光伏电站接入电网对电压潮流的影响

王国智，李忠良，刘　芳，李永刚，刘晓璇，魏建祥

(1.国网焦作供电公司，河南焦作　454000；2. 华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定　071003；3.国网海西供电公司，青海格尔木　816099)



某光伏电站接入电网对电压潮流的影响

王国智1，李忠良1，刘芳1，李永刚2，刘晓璇2，魏建祥3

(1.国网焦作供电公司，河南焦作454000；2. 华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003；3.国网海西供电公司，青海格尔木816099)

摘要：光伏电站接入电网，必然会对系统电压、潮流产生影响。根据某地区周围电网的情况，给出了其光伏电站接入系统的设计方案。基于光伏发电模型实测数据掌握了光伏发电系统的出力变化，利用MATLAB软件编程进行牛顿-拉夫逊潮流计算，对比光伏电站接入前后电压、潮流变化；根据投运光伏电站数据，得到光伏电站接入电网对电压、潮流的影响。

关键词：输配电工程；光伏电站；接入系统；光伏并网

E-mail:JZDDYFA@163.com

王国智,李忠良,刘芳,等.某光伏电站接入电网对电压潮流的影响[J].河北工业科技,2015,32(1):45-49.

WANG Guozhi, LI Zhongliang, LIU Fang,et al.Impact of a photovoltaic power station connected to power grid on voltage and power flow[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2015,32(1):45-49.

环境和能源的双重危机，使可再生能源得到广泛发展，光伏并网发电[1-4]便是其一，目前，国内外对光伏发电的研究比较多，光伏发电的发展很迅速。2011年，全球新增并网光伏装机容量已经达到了29.685 GW，累计并网光伏装机容量则达到69.684 GW。预计到2016年，全球新增并网光伏装机容量将达到75 GW，累计并网光伏则达到300 GW。中国的政策扶持力度逐年加大，2008年，中国并网光伏装机容量仅45 MW，到2011年，则增加到2 200 MW。可以说光伏并网发电正是一项人类高度重视并将长期坚持的大工程[5-10]。由于光伏发电本身波动性等特点，光伏电站接入电网，必然会对电网的电压潮流产生影响[11-12]。

本文以某光伏电站接入某地电网为例，研究光伏电站接入对系统电压、潮流的影响。根据此地周围电网的情况，给出接入系统方案。利用MATLAB编程，对此方案进行潮流计算及可靠性分析，并对比光伏电站接入电网前后有功无功，电压、网损等电能质量数据，得出光伏电站接入后对此地电网电压、潮流的影响。

1光伏电站接入方案介绍

光伏发电的应用及推广依赖于光伏电站的设计与建设，而光伏电站接入系统又要根据《光伏电站接入电网技术规定》(Q/GDW617-2011)的相关技术要求和考虑多方面的因素。根据某地电网的实际情况，提出光伏电站接入方案见图1。

光伏电站并网[13-15]按T型接入C地和F地110 kV路线。光伏电站内建升压站，规划主变容量40 MVA，主变采用有载调压变压器。主变阻抗电压取标准系列。主变抽头：(115±8×1.25%)/10.5 kV，电压等级110/10 kV，光伏电站所发电力通过站内10 kV线路汇集至升压站主变低压侧。110 kV采用线路变压器组接线；10 kV主接线为单母线，母线最大穿越功率按50 MVA考虑。110 kV出线规划1回，导线型号为LGJ-240，最大输送功率97 MVA(40 ℃)。至F地110 kV变电站，线路长度约10 km。主变低压侧安装8 Mvar容性无功补偿装置、变电所110 kV电气设备短路水平按不小于25 kA设计。

图1　某光伏电站接入方案简化示意图Fig.1　Schematic diagram of the simplified network for a 　photovoltaic power station tegrated into system

2光伏电站的模型及牛顿-拉夫逊原理

2.1　光伏电站模型

当光伏电站采用最大功率跟踪的PQ控制时，光伏电站以接近于1的高功率因数与电网传递能量，因此可以将光伏电源作为有功功率时变、无功功率为零的PQ 节点；当进行潮流计算时，由于光伏电站将能量传递给电网，因此可以将其看做一个“负”的负荷并入电网进行潮流计算。本论文采用华北电力大学新能源国家重点实验室光伏发电模拟系统中的10 kW薄膜固定式光伏发电系统的2013年4月4日9:00的实验实测数据作为光伏电站输出有功功率值来进行光伏电站潮流、电压的预测。10 kW薄膜固定式光伏发电系统输出有功P=3.02 kW，因此假设此时40 MVA的光伏电站接入电网输出的有功为P=3.02×4 000=12.08 mW，即作为有功为12.08 mW的“负”的负荷接入系统。

2.2　牛顿-拉夫逊原理简介

本文潮流计算运用的是牛顿-拉夫逊原理并利用MATLAB软件编程求取。牛顿法是求解非线性方程的有效方法。这种方法把非线性方程的求解转换为反复对相应的线性方程的求解过程。逐步接近非线性方程解的过程，通常称为逐次线性化过程。

设有单变量非线性方程f(x)=0,x为满足该方程的真解，它与近似解x(0)的差为Δx(0)，Δx(0)=x-x(0)。将f(x)=f(x(0)+Δx(0))=0在x(0)处展开为泰勒级数：

(1)

式中：f′(x(0))…f(n)(x(0))分别为函数f(x)在x(0)处的一阶导数，…，n阶导数。如果差值Δx(0)很小，上式中二次及以上高次项可忽略不计。

这是关于Δx(0)的线性方程，也称为修正方程式，由此可得修正量如下：

Δx(0)=-f(x(0))/f′(x(0))；

(2)

f(x(0)+Δx(0))=f(x(0))+f′(x(0))Δx(0)=0。

(3)

用求得的Δx(0)去修正近似解，得：

x(1)=x(0)+Δx(0)=x(0)-f(x(0))/f′(x(0))。

(4)

由于Δx(0)是由略去了高次项的简化式求得的，因此所解出的修正量Δx(0)也只是近似解，所以x(1)与真解仍有误差，只是向真解逼近了一步的改进值。但是可以通过反复迭代求解不断接近真解，迭代计算的通式是：

x(k+1)=x(k)-f(x(k))/f′(x(k))。

(5)

当Δx(k)→0时便有f(x(k))→0，从而x(k)即为所求解。迭代过程的收敛判据为

|Δx(k)|<ε或|f(x(k))|<ε，

其中ε 是事先给定的很小的正数。

牛顿法的核心是将非线性方程的求解转换成相应线性方程的多次求解。其迭代过程见图2。由于推导修正方程的前提条件是初始值选择合适使Δx较小，所以牛顿潮流计算方法对初值要求很严，否则会出现不收敛的情况。

图2　牛顿法的几何解释Fig.2　A geometric interpretation of Newton’s method

3光伏电站接入后的等值电路图及潮流计算

光伏电站的并网线路T接在C地—F地110 kV线路上，方案等值电路图见图3(参数归算到220 kV侧)。

图3中：节点1为平衡节点，1-A地；2-B地；3-C地；4-D地；5-E地；6-F地110 kV侧；7-F地110 kV侧；8-F地35 kV侧；9-T节点；10-光伏电站。

系统参数变压器T1:SN=90 MVA，PK=313.3 kW，UK=9.46%。

变压器T2:SN=63 MVA，PK=245 kW，UK=10.5%。选择电压基准值为UB=220 kV和功率基准值SB=100 MVA。

利用以上数据及牛顿-拉夫逊原理计算潮流的方法编制MATLAB潮流计算程序，潮流计算结果见表1，潮流分布图见图4。

图3　等值电路图Fig.3　Equivalent circuit diagram

节点12345678910电压等级/kV22022022022022011011035110110标幺值10.98970.99071.00580.99360.99350.99300.99420.99390.9952实际电压/kV220217.734217.95221.28218.59114.25114.1936.79114.29114.45

由表1可以看出，除了8节点，各站点满足电压偏移范围为额定电压±5%的要求。至于8节点，可通过无功补偿使其电压满足要求[16-18]。

图4　潮流分布图Fig.4　Power flow diagram

4光伏电站接入电网实验研究

光伏电站投入运行后，得到电站接入电网前和接入后的数据，见图5-图7。

图5　光伏电站接入前后对节点电压的影响Fig.5　Effect of the photovoltaic power station 　on the node voltage

图6　光伏电站接入前后支路有功无功变化Fig.6　Change of the branch active and reactive power before and after the photovoltaic power station integ rated into system

图7　光伏电站接入前后支路网损Fig.7　Branch loss before and after the photovoltaic 　power station integrated into sytem

由图5可以看出，接入光伏电站前后，节点电压有略微不同，接入光伏电站对局部电压有调节作用，光伏电站对附近电网起一定支撑作用。同时光伏电站的接入使得节点电压升高，导致有的节点电压越限，如图5中的8节点，其电压偏高了，需通过无功补偿可使其恢复到正常的电压水平。

由图6与图7可以看出，光伏电站并入电网，经过处理之后，把它作为PQ节点的电源，就是PQ节点的负的负荷接入节点，它不是消耗有功功率，而是发出有功功率(消耗功率为负值)。光伏电站的接入对原有电网潮流分布的有功功率和无功功率有一定影响，不同线路的有功功率和无功功率增减不一，增幅不一，线路上的网损情况因潮流变化而相应变化。可以说，光伏电站的接入使得电网变得复杂了，网络的潮流分布、能量流动方向、网损、保护装置等相应复杂了。

接入前总网损D(s)=5.104 16-j38.948 76 MV，接入后总网损D(s)=4.791 51-j40.754 15 MVA，网损差别较小，且由于电站出力不断变化，两种情况下引起的网损差别可忽略。

5结语

基于光伏发电系统实测数据掌握了光伏发电系统的出力变化，提出将光伏发电系统作为PQ节点并入网络中进行潮流计算。根据某地周围电网的情况，给出了其光伏电站接入系统的设计方案，通过MATLAB软件仿真，得出接入光伏电站使得电网节点电压被抬高，光伏电站对附近电网起一定支撑作用；光伏电站的接入对原有电网潮流分布的有功功率和无功功率有一定影响，不同线路的有功功率和无功功率增减不一，增幅不一，线路上的网损情况因潮流变化而相应变化等结论。

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Impact of a photovoltaic power station connected to

power grid on voltage and power flow

WANG Guozhi1, LI Zhongliang1, LIU Fang1, LI Yonggang2, LIU Xiaoxuan2， WEI Jianxiang3

(1.State Grid Jiaozuo Power Supply Company, Jiaozuo， Henan 454000，China; 2.School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding， Hebei 071003, China; 3. State Grid Haixi Power Supply Company, Geermu, Qinghai 816099, China)

Abstract:Connection of new photovoltaic power station to the power systems will have inevitably impact on system voltage and power flow. According to the situation of the power grid in some area, the design scheme for a photovoltaic power station integrated into the grid is put forward. Based on the measured data from photovoltaic power generation model, the output change of the photovoltaic power generation system is obtained, and by using MATLAB software programming, Newton-Raphson power flow calculation is implemented, so that changes of voltage and power flow are compared before and after the photovoltaic power station's connection to the simplified grid systemAccording to the real data coming from the operating photovoltaic power station integrated into power grid, the influence of the connection to voltage and power flow is received.

Keywords:transmission and distribution engineering; photovoltaic power station; integrated into system; photovoltaic grid connected

作者简介：王国智 (1966—)，男，河南焦作人，高级工程师，主要从事电力安全和调控一体化、电能质量安全方面的研究。

基金项目：河南省科技攻关项目(2013598)

收稿日期：2014-09-22;修回日期：2014-10-26；责任编辑：李穆

中图分类号：TM933.2

文献标志码：A

doi:10.7535/hbgykj.2015yx01009

文章编号：1008-1534(2015)01-0045-05