不同渗透率条件下的光伏电源并网对配电网电压偏差的影响

刘海涛

（内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020）



不同渗透率条件下的光伏电源并网对配电网电压偏差的影响

刘海涛

（内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020）

光伏电源并入配电网后，使配电网由单电源网络转化为多电源网络，改变了配电网的潮流分布，对配电网电压的稳定性会产生影响。在此基础上，研究了不同渗透率条件下的光伏电源接入对配电网电压偏差的影响以及影响程度。基于EMTDC/PSCAD软件的仿真平台，通过搭建含光伏电源的35/0.4kV的典型配电系统模型，进行一系列仿真试验。结合多个仿真试验结果，定量分析了接入不同电压等级母线、不同渗透率条件下的光伏电源对配电网电压偏差的影响规律。

光伏电源；配电网；渗透率；电压偏差

近年来，由于太阳能资源分布广、建设周期短，光伏发电在新能源发电中所占的比重逐渐增大。接入配电网的光伏电源（简称 PV），因其位于用户附近、配置灵活、可降低网损、能提高供电可靠性等特点［1-2］，具有较高的经济效益和社会效益，发展迅速。

然而，受光资源时间分布不均衡和气象变化的影响，光伏电源的输出具有随机性、波动性、间歇性的特点，导致了并网光伏电源的输出具有不确定性，可调可控性差［3］。随着光伏电源在电力系统中的不断渗入，对配电网的电能质量带来一系列不利影响，其中，对配电网电压的影响尤为突出。光伏电源接入后，使配电网由原来的单电源辐射型网络转变成多电源的互联网络，可能会引起配电网潮流大小和方向发生巨大的改变，使得配电网的稳态电压也发生变化，势必会对系统的电压稳定性造成影响［4-5］。

目前，这一问题已经引起相关电力工作者和研究人员的广泛关注。文献［6］研究了太阳辐照度变化与电网电压波动之间的间接因果关系，基于实际太阳辐照度的变化情况，仿真研究1天中光伏出力随辐照度变化对电压的影响。文献［7-9］研究了光伏电源接入 10kV母线，电压偏差不越限等相关约束条件下的准入容量问题。

本文以此为出发点，在典型35/0.4kV配电系统中，讨论了不同渗透率条件下的光伏电源在不同电压等级母线上并网对配电网电压偏差的影响以及影响程度。利用EMTDC/PSCAD仿真软件，搭建含光伏电源的 35/0.4kV典型配电系统模型进行仿真试验，结合多个仿真算例，定量分析不同容量、不同接入位置的光伏电源并网对配电系统电压的影响。对不同渗透率的光伏电源的并网位置提出了合理建议。

1 系统结构

光伏电源按并网模式不同可分为分布式光伏电源与集中式光伏电源。在实际工程中，布式光伏电源一般接在配电网0.4kV电压等级母线，集中式光伏电源一般接在配电网35kV电压等级母线。因此，结合工程实际，为了系统地分析不同电压等级接入模式下的光伏电源对配电网电压的影响，本文采用在含光伏电源的35/0.4kV典型配电系统中，进行不同渗透率条件下的光伏电源并网对配网电压影响的分析与讨论。

整个系统的结构如图1所示。其中图1（a）为光伏电源直接接于0.4kV母线的情况，图1（b）为光伏电源通过升压变压器接于 35kV母线的情况。不同电压等级母线通过35/0.4kV直配变压器连接。当光伏电源投入配电系统后，系统中母线上的潮流分布会发生变化，从而引起系统电压分布也会发生相应变化。对应的节点电压变化程度则反应了光伏电源并网后对该点电压的影响程度。

考虑到典型配电网中含有大量的发电机、电力电子装置等负荷，结合工况，该系统在两段 0.4kV低压母线中分别接入谐波负荷与不同的无功负荷。此外，两段低压母线同时运行，互为备用，既能保证供电质量，又能方便观察相同电压等级、不同容量母线下的电压受光伏电源接入的影响情况。

图1　含光伏电源的35/0.4kV典型配电系统

2 仿真系统

本文基于 EMTDC/PSCAD电力系统暂态仿真软件，搭建了图1所示的含光伏电源的35/0.4kV典型配电系统模型，进行了不同渗透率条件下的光伏电源并网仿真。

2.1仿真系统参数设置

根据《工业与民用配电设计手册》中对各级电压线路的送电能力的要求，35kV等级电缆线路的送电容量为15MVA［10］，结合工程实际，同时满足配电系统电压偏差与电压波动的要求，仿真模型中将电源容量设为15MVA，电源内阻设置为8%p.u.。

根据《工业与民用配电设计手册》对 35/0.4kV直降变压器的设计标准，结合市场主流变压器设计配置，仿真模型中将两台35/0.4kV直配变压器T1、T2的容量均设置为 5MVA，其短路阻抗均设置为6.5%p.u.。

系统模型中各元件的具体参数详见表1。

表1　仿真模型参数表

（续）

2.2仿真内容

本文主要讨论不同渗透率条件下的光伏电源并网对配电网电压偏差的影响。渗透率（Penetration Percentage）是指光伏电源安装容量与上一级变压器额定容量或其接入线路的最大输送容量的比值。不同渗透率条件实际上是改变并网光伏电源的容量。

因此关于图1所示的配电系统模型的仿真步骤如下：

1）将光伏电源分别接在两段 0.4kV低压母线上，如图1（a）所示，改变光伏电源容量，分别按从10%到80%变化的渗透率进行仿真，观察低压侧两个测量点电压。

2）将光伏电源通过升压变压器接在35kV中压母线上，如图1（b）所示，改变光伏电源容量，按从10%到80%变化的渗透率进行仿真，观察低压侧两个测量点电压。

3 量化分析

光伏电源接入后，配网节点电压会有所变化。由于光伏电源的投入，会使馈线中的传输功率减少，导致负荷节点电压有所上升。图2所示为光伏电源接在35kV母线、渗透率为30%时，Ⅰ段低压母线测量点，在光伏电源投入前后电流、电压的变化图像。

图2中，0.5s时刻线路中负荷投入，由于无功负荷的存在，使得节点电压降低，1s时光伏电源投入，对接点电压起到支撑作用，使得节点电压抬高。图2（a）为测量点电流、电压瞬时值的变化图像，图2（b）为测量点电压有效值的变化情况。

图2　渗透率为30%时，PV投入35kV母线前后A相电压、电流变化

为了量化测量节点在光伏电源投入前后电压的变化程度，本文采用并入光伏电源后节点电压nU′与光伏电源并人前的电压 Un之差与低压配网标准电压的有效值220V的比值构成电压变化程度指标ε，即

ε 越大，说明该点电压受光伏电源接入的影响越大；同时也说明，光伏电源对该节点的电压支撑越大。而当光伏电源由于某些原因突然退出运行时，该节点因为缺少支撑，会遭受低电压的严重电能质量影响问题。

本文在仿真过程中，由于无功负荷的存在，Un会低于标准电压，若不考虑无功负荷对节点电压的影响，或者通过无功补偿设备对该点电压进行补偿后，则Un就等于标准电压220V，此时ε 满足电能质量对电压偏差的量化。因此可以根据GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》中的标准来限定本文中的。

通过仿真试验与计算，得出于不同电压等级母线并网、不同渗透率条件下的光伏电源对低压侧节点电压的影响规律，如图3所示。其中图3（a）为Ⅰ段母线测量点情况，图3（b）为Ⅱ段母线测量点情况。

从图3可以看出，不同渗透率的光伏电源接入后对配电网电压的影响程度不同，渗透率越大，对电压的影响越大。对于接入不同电压等级的光伏电源，对节点电压的影响有明显的不同，光伏电源接在 35kV中压母线上对电压的影响程度显然要小于接在0.4kV母线的情况。除此之外，由于两段母线上的负载容量不同，其母线电压在各情况下所受影响也不尽相同。

图3　不同渗透率PV对节点电压的影响

根据我国国家标准GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》，35kV及以上供电电压的正负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%，20kV及以下三相供电电压偏差不能超过标称电压的 7%，220V单相供电电压偏差不能超过标称电压的+7%，-10%的相关规定［11］，在图3中做出电压偏差7%的辅助线后，可以看出：在该仿真系统中，满足电能质量电压偏差国标前提下，光伏电源接在 35kV母线上其渗透率可达80%以上，而接在0.4kV母线上，其渗透率上限仅为52%左右。

因此，小容量、低渗透率的光伏电源适合接在0.4kV低压母线，避免投入变压器成本的同时，也能进行灵活切换；条件允许的情况下，高渗透率的光伏电源更适合接在 35kV中压等级母线，更有利于降低由于其渗透率过高而带来的电压偏差等电能质量影响。

4 结论

本文通过搭建含光伏电源的35/0.4kV典型配电系统 PSCAD模型，结合多个仿真算例，分析了光伏电源并网对配网电压稳定性的影响，并得出如下结论：

1）一定容量的光伏电源接入配电网络，会对馈电线路电压分布产生明显影响。

2）接在同一电压等级母线上的光伏电源，随着其渗透率的增加，对配电网电压的影响越大；同一渗透率条件下的光伏电源，接在 35kV母线上对电压的影响明显小于接在0.4kV母线的情况。

3）在典型 35/0.4kV配电系统中，在满足电能质量电压偏差国标前提下，接于 35kV母线的光伏电源最大渗透率可达80%以上，接于0.4kV母线的光伏电源最大渗透率可达52%。

4）从配电网经济性与稳定性的角度出发，在35/0.4kV典型配电系统中，较低渗透率的光伏电源更适合接于0.4kV低压侧，较高渗透率的光伏电源更适合接于35kV中压侧。

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Influence on Voltage Deviation of Distribution Network with Photovoltaic Source of Different Penetration

Liu Haitao
（Inner Mongolia Electric Power Research Institute，Hohhot 010020）

With the photovoltaic source connected to the grid，the distribution network turns from the network with single power supply to that with multi power supply，so the load flow distribution of the distribution network may be changed，and the voltage stability of the distribution network will be affected. On the basis of the above，this paper studys the influence on voltage deviation of the distribution network connected with photovoltaic source of different penetration. Through the EMTDC/PSCAD simulation software，the model of the typical distribution system of 35/0.4kV with photovoltaic source supply is built，and a series of simulation experiments are carried out. Based on a lot of simulation test results，this paper quantitatively analyzes of the influence law about the voltage deviation of distribution network with photovoltaic source connected to different voltage bus and with different penetration.

photovoltaic source； distribution network； penetration；voltage deviation

刘海涛（1979-），男，硕士，工程师，主要从事分布式发电及配电自动化相关技术研究工作。