光伏电源接入对配电网馈线电压分布的影响

梁永省， 张新慧， 张　昆， 段秀凯， 徐　林, 毕瑞轩

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院， 山东 淄博 255049；

2.国网山东省电力公司 淄博供电公司， 山东 淄博 255000)



光伏电源接入对配电网馈线电压分布的影响

梁永省1， 张新慧1， 张昆2， 段秀凯1， 徐林1, 毕瑞轩1

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院， 山东 淄博 255049；

2.国网山东省电力公司 淄博供电公司， 山东 淄博 255000)

摘要：根据电压降落的原理，分别从单电源接入、双电源接入和多电源接入三个方面分析了光伏电源接入馈线前后线路电压分布的差异.总结了光伏电源接入馈线后电压分布的规律，并对均匀负荷模型、均匀递增负荷模型、均匀递减负荷模型和中间较重负荷模型四种负荷模型下光伏电源接入进行了建模仿真与验证.仿真结果验证了规律的正确性.

关键词：光伏电源； 电压分布； 负荷模型

光伏发电技术是利用可再生能源太阳能的重要途径之一[1-2].大规模光伏接入可以有效解决电力紧缺、分布不均衡等问题，但是光伏发电受光照和温度的影响波动较大，大规模光伏电源接入会对电网造成冲击导致电网电压波动，同时由于逆变的作用会向电网注入大量谐波从而导致电能质量不合格，还会对继电保护、电压分布、孤岛等产生不利影响.光伏电源接入线路后，配电网馈线的潮流方向会随之发生改变，甚至出现逆潮流，造成局部节点特别是并网点的电压越限[3-4].研究光伏电源接入馈线后的电压分布为光伏电源的接入位置与接入容量提供理论依据，有利于对并网点电压越限、末端节点电压过低和电压质量不合格等问题提出合理的解决措施.

很多学者针对光伏电源并网产生的电压影响方面作了相关的研究.文献[5]从配电网电压降落的角度分析了光伏电源接入前后的电压变化，分析了单个与多个光伏电源接入后对电压产生的影响.文献[6]从线路长度、负荷水平以及光伏电源的渗透率等方面来研究了光伏并网对配电网电压稳定性的影响.文献[7]通过建立光伏发电并网系统电路模型，从功率因数、负载功率的波动性、光伏接入的电压等级三个方面研究了光伏电源接入对电压稳定性的影响.但是上述文献研究单电源接入时都未考虑负荷模型对馈线电压分布的影响，没有总结出两个光伏电源接入馈线后电压分布的规律.

本文根据电压降落的计算原理，计算了10kV配电线路各节点的稳态电压，对光伏电源接入前后配电网各节点电压变化和线路电压分布变化规律进行了研究.对于不同的负荷模型下单电源接入前后电压分布作了理论分析与比较，并对电压分布规律作了仿真验证.分析了双电源接入对配电网馈线电压分布的影响，总结了配电网馈线线路电压分布的规律并进行仿真验证.多电源接入时，分析了对线路电压分布产生的影响及光伏电源接入的积极作用.

1负荷模型

实际线路中负荷的类型很多，负荷大小是动态的，很难准确的描述线路的负荷.均匀负荷模型、均匀递增负荷模型、均匀递减负荷模型和中间较重负荷模型是四种常见的负荷模型[8-9].因此本文对四种静态负荷模型线路进行分析.根据有关规定光伏电源不能直接参与电网调节[10]，但是光伏电源的接入会对馈线线路的稳态电压分布产生影响.其中光伏电源容量与接入位置以及不同的负荷分布都会影响稳态电压的分布.四种负荷模型如图1所示，节点p是光伏电源接入的位置，其中图1(d)是N为奇数的情况，同理可以画出N为偶数时的线路图.

2单电源接入对电压分布的影响

2.1电压降落计算原理

根据光伏电源的并网规范，不同电压等级的配电线路接纳光伏电源的能力不同，其中以光伏电源接入中低压线路较为广泛.本文针对中低压配电线路进行研究.配电网的结构多种多样，包括辐射式、环网式以及树干式，一般辐射式网络居多[11].本文以辐射式网络进行分析，以辐射式网络中某一条馈线为例进行研究.

(a) 接入均匀负荷模型线路

(b) 接入均匀递增负荷模型线路

(c) 接入均匀递减负荷模型线路

(d) 接入中间较重负荷模型线路图1　光伏电源接入馈线示意图

图2　馈线简化等值电路

图3　电压降落向量图

(1)

(2)

(3)

(4)

因为在实际线路中，一般线路两端的电压相位差较小，U1+ΔU>>δU即忽略垂直分量的影响[12-13].从而有

(5)

2.2影响分析

单电源接入配电线路的情况如图4所示.

图4　单个光伏电源接入馈线示意图

如图是一条10kV馈线线路，共有N个节点，节点a与a-1的阻抗为Ra+jXa，a节点带有负荷为Pa+jQa.光伏电源在p节点接入线路.

光伏电源接入配电网之前：假设功率流向负荷为正，反方向流动为负值[5].则节点a与a-1间的电压损耗是ΔUa=Ua-1-Ua

(6)

Ua=Ua-1-ΔUa=

(7)

负荷中有功功率与无功功率都大于0，且ΔUa>0，因此对于馈线线路，由始端节点至末端，电压是逐渐减小的.

光伏电源接入后：当a位于并网点p之前时，

(8)

中低压配电网，负荷的功率因数一般比较高，并且线路的电抗X较小，同时光伏电源的功率因数一般较高，介于0.9～1.0之间.因此可以忽略光伏电源无功功率与负荷无功功率的影响[5].因此公式可以简化为

(9)

(10)

(11)

并网点之后各节点间电压损耗不变，但受并网点及并网点以前的节点电压抬升的作用，并网点以后各节点的电压会升高.

综合上述，推导发现单电源接入后，当改变光伏电源的接入容量时，馈线线路始端至末端节点电压变化呈现不同的状态，总结有3种情况：一直下降、先下降后上升再下降、先上升后下降.

2.3算例仿真

以某条10kV馈线线路为算例，线路长12km，N=12，电阻r=0.065Ω/km，电抗x=0.146Ω/km,呈感性.线路始端电压为1.05传真均采用标幺值)，UN=1.0，SB=10MVA，UB=10kV，四种负荷模型下的线路总负荷均为7.2+j4.08MVA，光伏电源容量为2.4MW，光伏电源接入位置为节点6.图5为四种负荷类型线路下节点6接入光伏电源前后的电压分布.

图5　光伏电源接入前后的电压分布

由仿真结果可知，不同类型的负荷模型，馈线线路的电压分布也会不同，光伏电源在同一节点接入后，各节点电压都会相应的被抬高，但抬高的幅度不同，对各节点电压的改善程度也不同.分别改变不同负荷模型下光伏电源的接入容量可验证上述分析中电压分布的规律：由始端至末端节点电压变化为一直下降、先下降后上升再下降、先上升后下降.

3双电源接入对电压分布的影响

3.1影响分析

两个光伏电源分别在P1、P2两个节点接入，对应电压分别为UP1、UP2，注入功率分别为PV1、PV2，各节点的负荷都是随机的，节点a 与a-1间的阻抗为Ra+jXa.

图6　双电源接入馈线示意图

双电源接入后，节点a的电压与a-1的电压损耗是ΔUa=Ua-1-Ua，在不考虑光伏电源无功功率的情况下，计算相邻节点的电压损耗.

当节点a位于节点P1之前时，

ΔUa=

(12)

由公式(9)可将该式简化为

(13)

Ua=Ua-1-ΔUa=

(14)

当节点a位于P1、P2之间时，

则

Ua=Ua-1-ΔUa=

(15)

同样节点P1、P2之间会存在功率分点记为f2，线路稳态电压变化也会存在3种情况：沿着线路降低、升高、先降低后升高.

(16)

电压损耗ΔUa>0,在节点P2与末端N之间的稳态电压变化趋势为沿着线路降低.由以上分析可知光伏电源的接入使得单电源网络变为多电源网络，因此线路会存在含功率分点的情况.双电源接入后，线路功率流向比单电源接入更加复杂，图7为含功率分点时的馈线示意图.

图7　含功率分点的馈线示意图

假定区段0-P1与区段P1-P2各种情况下的功率分点均分别在f1、f2处，假设功率向右流动为正，向左为负.根据以上推导，馈线线路各区段的功率流向存在8种情况，见表1.

表1线路各区段的功率流向

序号功率流向0-f1f1-P1P1-f2f2-P2P2-N1正正正正正2正正正负正3正负正负正4负负正正正5正负负负正6负负负负正7正负正正正8负负正负正

根据公式推导与各区段的功率流向可以推导出8种情况下馈线各区段的电压变化规律，8种情况下各区段的电压变化情况如下表所示.

表2线路各区段稳态电压的升降变化

序号电压升降变化0-f1f1-P1P1-f2f2-P2P2-N1降降降降降2降降降升降3降升降升降4升升降降降5降升升升降6升升升升降7降升降降降8升升降升降

根据分析，双电源接入时馈线电压分布的规律可以总结为5种：由始端至末端节点一直下降、下降-上升-下降、下降-上升-下降-上升-下降、上升-下降、上升-下降-上升-下降.

3.2建模仿真

仍以某条10kV馈线线路为算例，N=12，电阻r=0.065Ω/km，电抗x=0.146Ω/km,呈感性，假设1～12各节点的负荷均相同，有功功率为0.6MW，无功功率为0.34Mvar.线路始端电压为1.05，UN=1.0，SB=10MVA，UB=10kV.线路中节点4与节点8分别接入光伏电源，不断改变光伏电源的容量可以得到表中八种情况的曲线图.

图8　双电源接入时8种电压分布情况

由以上分析与仿真可知，光伏电源的接入容量与接入位置会影响馈线的电压分布.当两个光伏电源接入馈线线路时，馈线线路各节点电压变化的电压分布规律会出现以上八种情况，但由于光伏电源容量与接入位置的影响，某些情况下会出现节点电压越限现象.综合这8种情况可以验证以上分析得到的5种电压分布规律.

4多电源接入对电压分布的影响

4.1影响分析

当馈线线路各节点均接入光伏电源时如图9所示.

图9　各节点均接入光伏电源馈线线路图

(17)

4.2建模仿真

仍以某条10kV馈线线路为算例，选用均匀负荷模型，各节点有功负荷均为0.6MW，无功负荷为0.34Mvar，节点1～12每一个节点均接入光伏电源，节点8、10接入光伏电源的容量为0.6MW，节点2、6、10接入光伏电源的容量为0.5MW，其余节点接入光伏电源容量为0.3MW，共计4.8MW.

图10　各节点均接入PV与均未接入PV的电压分布图

光伏电源分散的接入各节点后，能够直接为附近负荷供电，缓解线路的功率传输压力，对馈线各节点电压起到积极的作用，能够改善各节点的电压水平，调节各光伏电源的接入容量能够避免电压越限以及末端节点电压过低现象.

5结束语

本文利用电压降落的原理分析了光伏电源接入对配电网馈线电压分布的影响，通过建模仿真对比分析了四种不同的负荷模型下单电源接入对电压分布产生的影响差异，并总结了单电源接入后电压分布的规律.通过推导与仿真验证，总结了双电源接入馈线后电压分布的规律.光伏电源的接入有助于改善线路的电压分布，不同接入容量与接入位置对电压分布的影响也不同.总结双电源接入后电压分布的规律有助于为光伏电源接入容量与接入位置的选择提供理论依据,最大限度的降低接入点电压越限与末端节点电压过低的几率.

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(编辑：刘宝江)

Analysis of impact of photovoltaic grid-connected on voltage profile of distribution network feeder

LIANG Yong-sheng1, ZHANG Xin-hui1, ZHANG Kun2,DUAN Xiu-kai1, XU Lin1, BI Rui-xuan1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;2. State Grid Shandong Electric Power Company, State Grid Zibo Power Supply Company, Zibo 255000, China)

Abstract:The difference of voltage profile between the connection and not connection of PV to distribution network feeder is analyzed from three aspects of single PV, double PV and multi PV. The paper summarize the law of voltage profile when PV is connected to distribution network feeder in the four kinds of load model of uniform load model, uniform incremental model, uniform decreased load model and intermediate heavier load model. Finally the paper supplies the simulation and the results show the law is right.

Key words:photovoltaic; voltage profile; load model

中图分类号：TM615

文献标志码：A

文章编号：1672-6197(2016)02-0073-06

作者简介：梁永省，男，489568892@qq.com； 通信作者： 张新慧，女，zhxh626@126.com

收稿日期：2015-03-28