基于电压波动特性的地区配电网光伏电源接纳能力分析

姜力文，康 青

（1.国网山西省电力公司大同供电公司，山西 大同 037008；2.国网太原供电公司，山西 太原 030012）

基于电压波动特性的地区配电网光伏电源接纳能力分析

姜力文1，康 青2

（1.国网山西省电力公司大同供电公司，山西 大同 037008；2.国网太原供电公司，山西 太原 030012）

结合地区配电网现状及光伏电源接入的典型模式和运行特性，通过功率变化引起的电压波动的方法，系统分析光伏电源对配电网电压波动的影响，从而对地区配电网接纳光伏电源的能力进行研究。研究表明，光伏电源接入系统的总容量与其功率因数有关，平均功率因数越小，其接入允许容量越小，输出功率波动大，不确定性程度高，对配电网电压稳定影响显著。

配电网；光伏电源；电压波动；接纳能力

1 易引起配电网电压波动的光伏电源运行特性

根据光伏电源的运行特性进行分析，配电网中接入光伏电源后，由于光伏电源输出功率波动大，不确定性程度高的运行特点，会引起配电网电压分布的变化，极易造成配电网电压波动，引起闪变。其中引起光伏电源功率波动的因素很多。

1.1 引起配电网电压波动的光伏电源运行特性分析

由于受所处环境温度、日照强度、季节变化等自然因素的影响，光伏电源在其接入的配电网中的输出功率具有波动性大，随机变化性强，不确定性程度高等特点。尤其对保证电网电能质量方面造成很大的难度。如若控制措施不当，极易导致系统电压闪变、谐波增多，甚至造成系统失稳、解列等严重事故。因此配电网中光伏电源的接入对电网稳定运行控制提出了很高的技术要求。其中引起光伏电源功率波动的因素很多。

一方面利用风能、太阳能等可再生能源作为系统电源的方式，使得其功率输出具有天然的随机性和波动性。同时电源控制器算法和参数设定也可能导致系统功率周期性地变动。另外当电源所处外界自然环境发生变化时，其输出功率也会随之变动，影响系统电能质量。此外光伏电源接入点多为低压配电网母线，而其短路容量相对较小。如果光伏电源容量占系统电源总容量比值偏大，在光伏电源输出功率变化时系统电压会产生较大的波动。另一方面，由于光伏电源在运行的过程中可能会发生方式倒换、运行异常、故障事故等情形，因此随机启停机组的状况时有发生。同时由于配电网调度人员难以掌握光伏电源的投入、退出时间以及发出的有功功率与无功功率的变化，使得配网线路的电压调整控制十分困难。由上述情况可知，并入配电网的光伏电源输出功率需要有一定的数值裕度，否则其功率变化将严重影响系统电能质量，从而加大技术人员对系统配电网电压调整控制难度。本文着重研究该阈值的取值范围。

2 对光伏电源功率波动引起的电压问题的计算分析

本文以简化的电力系统为例，得到如图1所示的示意图。其中：节点①为配电网与上级电网的接口，将其视作系统大电源节点，其注入变电站的功率输入设为；节点②为站内主变高压侧母线；节点③为站内主变低压侧母线。同时将站内低压馈线上的负荷和所接入的光伏电源等效到低压侧母线总体考虑，分别设为P3+j Q3与光伏电源Pdg+j Qdg。

图1 光伏电源接入配网中的系统示意简图

对于上述简化系统，计算过程如下。

2.1 基于出力波动下的光伏电源

光伏电源接入系统并处于稳定运行状态下，忽略配电网和变压器损耗，由功率平衡可得以下结论。

假定已计入光伏电源的系统处于稳定运行状态下，忽略配电网传输中的线路损耗和变压器损耗，由能量守恒定律可知

其中节点①注入变电站的有功功率和无功功率分别为

考虑极端状况下系统中所有光伏电源均退出运行。为了抑制负荷波动对系统稳定运行的影响，通常会留有一定的备用负荷，根据规程规定，规划、设计和运行中的电力系统，均应备有有功功率备用负荷。备用负荷一般取系统最大负荷的2%～5%，其中低值适用于大容量系统，高值适用于小容量系统。因本文研究的是配电网的光伏电源出力变化对系统运行的影响，因此假定系统备用负荷取5%。即此时整个系统能够提供的所有负荷视在功率为

当光伏电源容量占系统电源总容量比例较大时，若光伏电源短时内大量退出会对系统电压的稳定产生影响。设图1中光伏电源退出系统运行前后，母线③的电压、电流分别为U3、I3和U′3、I′3，同时由于负荷阻抗值基本不变，即R+j X不变。则有

比较式（4）和式（5），并将式（3）带入，可得

一般而言，系统正常运行中功率因数较大，有功分量远大于系统无功分量，即公式（6）可简化为

式（7）表明了光伏电源接入系统有功出力的大小对系统母线电压的影响。根据GB12326—2011电能质量电压允许波动和闪变规定，10 kV母线电压偏差不应超过标称电压的±7%。因此有

由式（7）和式（8）计算得出，光伏电源接入功率不应超过系统负荷的17.6%。

整个分析计算过程做了最严重情况的假设，即配网中光伏电源全部退出运行。然而实际运行中，风电、光伏机组的短期功率变化最大达到装机容量的60%，则式（7）应修正为

经实验计算得出如表1所示，其中Kks为光伏电源短期功率变化占装机容量比率，Kdgs为光伏电源接入功率占系统电源的比率。

表1 基于冲击负荷特性下的系统电压波动特性计算结果

由此可得光伏电源接入功率Pdg不应超过系统负荷P3的30%。进一步考虑负荷波动情况，我国地区电力系统峰谷差约为30%～40%，局部地区超过50%，由此可得到光伏电源的接入功率不应超过系统最大负荷的15%～20%。

2.2 基于冲击负荷特性的光伏电源电压波动特性分析

由于光伏电源在实际运行时其出力具有随机变化性，因此还可以将频繁退出或投入运行的光伏电源看作是一个冲击负荷，进而从冲击负荷对系统运行影响的角度来进行分析，系统中冲击负荷引起的电压降落公式如下。

式中：Qcj——冲击无功负荷，Mvar；

Pcj——冲击有功负荷，MW；

Sd——冲击负荷点母线短路容量，MVA；

Δf——冲击负荷引起的电网频率降低(p.u.)；

Kufh——负荷电压的频率效应系数，一般为0.8～2.0。

本文所研究的光伏电源接入点是低压配电线路，对整个系统中的潮流流向影响较小，因此可以将光伏电源投入或退出运行对系统频率的影响忽略不计。考虑到整个系统的故障情况，母线短路容量的大小和整个系统的容量相关，主变低压侧发生的功率波动，将由整个系统来分担。但在进行光伏电源接入分析时，考虑整个系统的负荷的功率变化，光伏电源Pcj、Qcj变化较大，可能与Sd在同一数量级，则电压波动幅度较大。

如表2所示，系统平均功率因素越大，光伏电源总出力占母线短路容量比值越小的情况下，系统电压波动幅度越小。因此，从保证电网电能质量角度来看，确保系统中接入光伏电源容量在一定比例范围显得尤为重要。

表2 基于冲击负荷特性下的系统电压波动特性计算结果%

从基于Matlab7.0仿真软件下的不同光伏电源占系统电源总容量的比率随功率因数变化的电压波动特性曲线图中可以看出，随着功率因数的减少，配电网中接入相同容量的光伏电源会导致系统电压稳定性变差。因此，为保证系统电能质量，需要控制光伏电源的接入容量值。

3 结论

光伏电源接入系统的总容量与其功率因数有关，平均功率因数越小，其接入允许容量越小，且输出功率波动大，不确定性程度高，对配电网电压有显著影响。当接入整个配电网的光伏电源容量达到一定规模，系统的电压质量将受到影响。本文研究结果建议光伏电源的接入功率不应超过系统最大负荷的15%～20%。

Analysis on Photovoltaic Power Accepting Ability of Regional Power Distribution Network Based on Voltage Fluctuation Characteristics

JIANG Liwen1，KANG Qing2
（1.State Grid Datong Power Supply Com pany of SEPC，Datong，Shanxi 037008，China；2.State Grid Taiyuan Power Supply Company，Taiyuan，Shanxi 030012，China）

In this paper，combining with current situation of regional power distribution network and the typical pattern and its operating characteristicsof photovoltaic power integration，the impactof photovoltaic power on voltage fluctuationsof distribution grid has been analyzed by themethod ofvoltage fluctuations caused by power changing.Thus，the ability of regional power distribution network to accept photovoltaic power has been studied.The results show that the total capacity of the photovoltaic power integrated is related to its power factor.The smaller theaverage power factor，the smaller the permitted capacity tobe integrated.The fiercer the fluctuation ofoutput power，thehigher the degreeofuncertainty，which hasa significantimpacton the voltage stability ofdistribution network.

power distribution network；photovoltaic power supply；voltage fluctuation；acceptableability

TP615

A

1671-0320（2015）05-0035-03

2015-06-13，

2015-08-03

姜力文（1988），女，山西大同人，2011年毕业于太原科技大学电气工程及其自动化专业，助理工程师，从事调度运行控制与电网规划工作与研究；

康 青（1988），山西太原人，2014年毕业于北京交通大学电力系统及其自动化专业，硕士，从事电力市场营销与业扩报装工作。