分布式光伏对配电网电压的影响机理及仿真分析

杨晓辉，杨 莉，杨 磊，钟伟杰

分布式光伏对配电网电压的影响机理及仿真分析

杨晓辉，杨 莉，杨 磊，钟伟杰

（南昌大学 信息工程学院，江西 南昌 330031）

通过分析分布式光伏并入配电网对电压偏差的影响机理，得出光伏接入后将提高线路电压水平，且线路某点电压变化量与相对光伏并网点位置、光伏容量及线路参数有关。搭建了6节点配电网网络和分布式光伏并网仿真模型，仿真分析了分布式光伏容量、并网点位置及线路参数对配电网电压偏差带来的影响。仿真结果表明：光伏接入容量越大、接入位置越远离首端，对线路电压的提升也越大；线路越长、导线线径越小、负荷越小、配变容量越小，电压升高幅度越大。

配电网；分布式光伏；光伏并网点位置；电压偏差

随着经济的飞速发展，人们对传统能源的过度开采已愈发严重，石油、煤炭等传统能源的枯竭已经不可避免。可再生能源将会成为人类未来替代传统能源的最佳形式，其中光伏发电资源充沛；较少受地域限制、清洁可靠等特点赢得人类青睐；但随着越来越多的光伏并入电网，问题也随之而来[1-3]。由于太阳能自身的间歇性、随机性等特点，并入配电网后将对配电网的电能质量及稳定性造成很大的影响[4-5]，且随着光伏在配电网中渗透率的提高，传统配电网潮流会出现变化，甚至产生反向潮流[6-7]，导致配电网末端电压抬升，严重时甚至会造成系统失去稳定，因此分布式光伏接入配网对电压的影响的研究尤为重要。

目前，已有大量文献对分布式光伏接入对配电网电压的影响展开了较为深入的研究。文献[8-10]分析了分布式电源渗透率提高引起的电压波动和电压越限等电能质量问题，实现了控制成本最低的协调电压控制策略。文献[11-12]研究了分布式光伏接入配网后所产生的可靠性及电能质量问题，分析了分布式光伏自身特点，得出了由于光伏出力不确定所导致的电能质量问题也很突出。文献[13]利用灵敏度的方法分析了光伏并网后对电压的影响，通过仿真验证了分布式光伏接入系统薄弱点和支撑点对配网电压的影响。

本文研究了分布式光伏并网对配电网电压的作用机理，并通过仿真分别从单个集中接入和多个分散接入两方面对理论分析进行了验证，为分布式光伏电源的良好发展奠定基础。

1 光伏容量及位置对配电网电压的作用机理

分布式光伏的接入使配电网变为多电源网络，多电源系统在进行研究时，可以通过叠加法进行计算。

式中，为节点有功功率，为节点电阻，为节点无功功率，为节点电抗，为单位长度电阻，为节点间距离，为单位电抗。

1.1 单个光伏接入对配电网电压的影响

单个光伏接在节点的位置时，其配电网如图2所示（P为光伏有功功率）。

（1）分布式光伏接入配网后，位于光伏接入点前的用户的电压为（此时0<<）：

式（3）中由于功率因数较高及线路电抗较小，导致无功功率也较小，因此可以将无功功率忽略不计。去掉无功功率后式（3）可以简化为

由式（4）可知，随着分布式光伏的接入，配电网线路上的电压也明显提升，且光伏接入位置及接入容量是2个影响因数。此时，户与–1户之间的电压差为

由式（5）可知，电压的升降趋势和光伏容量与户及户之后的所有用户消耗的有功功率之和的大小有关，若用户消耗的有功功率之和更大，则电压呈下降趋势，若用户消耗的有功功率之和较小，则电压为上升趋势。

（2）分布式光伏接入配网后，位于光伏接入点后的用户的电压为（此时>）

此时，户与–1户之间的电压差为

由式（7）可知，位于光伏接入点后的用户上的电压分布是随着距离的增大而降低。

综上所述，线路上的电压分布趋势主要有以下几种：①随着距离的增加逐渐下降；②随着距离的增加先降低后升高，再降低；③随着距离的增加先升高后降低。后两种情况时的接入点处的电压为局部极大值，其电压可表示为

1.2 多个光伏接入对配电网电压的影响

图3为多个分布式光伏接入配电网的情况，同样忽略线路电抗和无功功率的作用。此时用户处的电压为

此时，户与–1户之间的电压差为

2 线路参数对配电网电压的作用机理

对上述线路电压计算式进行迭代线性化。将各参数的初始值看成1，然后将函数进行泰勒展开，可得其线性近似结果如下：

其中：

代入上式，得：

在实际线路中有：

、变量有：

式中，为电阻，为电阻率，为线径截面面积，为长度，为阻抗率，为频率。

通过分析上述公式，线路长度及线径面积波动可忽略不计，因此、可以理解成和线路长度及线径面积有关，也就是说节点电压与线路长度及线径面积有关。

3 仿真分析

3.1 光伏容量对配电网电压影响的仿真分析

3.1.1 单个光伏接入情况

以图4系统为实验模型，线路电压等级380 V，线路型号为LJG–25 mm2，变压器容量50 kW，供电半径1 km，线路上共有6个用户接入，负载率按配电容量10%平均分布在6个用户上，线路单位长度阻抗为1.38+j0.432 Ω/km。

图4 10节点配电系统

光伏集中接在节点3上，通过潮流计算研究接入容量为0、1、5、10 kW时，配电网中各节点的电压分布，以及各节点电压变化曲线如图5所示。

图5 单个分布式光伏接入容量变化引起电压分布变化曲线

3.1.2 多个光伏接入情况

为研究多个分布式光伏的接入对配电网电压的影响，依然以图4系统为实验模型，线路参数与单个接入一致，假设光伏总容量被均匀接到6个节点上。通过潮流计算得到接入总容量为0、0.6、5、12、18 kW时，配电网中各节点的电压分布以及电压变化曲线如图6所示。

图6 多个分布式光伏接入引起的电压分布变化曲线

从图6可知，多个分布式光伏接入和单个接入情况类似，都是接入容量越大，对配电网电压的影响就越大。当系统分散接入0.6 kW的分布式光伏，相比未接入光伏时，各节点电压有所提升，但由于此时接入的光伏容量很小，因此电压分布依然和未接入光伏时的趋势相似，节点电压都是随着距离的增加而降低；当总容量为12 kW的分布式光伏均匀接入每个节点时，结点电压随着距离的增加而增加，此时线路末端电压最高；当总容量增加为18 kW时，结点电压随着距离的增加而增加，很明显的可以看到线路电压已经处于越限状态。

对比光伏总容量为5 kW均匀接入6个节点与节点3集中接入相同的5 kW容量时的两条曲线可以看出，光伏并网容量相同时，集中接入某节点与分散接入时对电压的提升作用不同，集中接入点之前各节点电压提升幅度大，而集中接入点之后各节点的电压提升幅度小，分散接入对电压稳定性更有利，集中接入电压波动范围较大。

3.2 光伏接入位置对配电网电压影响的仿真分析

3.2.1 单个光伏接入情况

为研究光伏接入位置不同对配电网电压的影响。依然以图4系统为实验模型，线路参数保持不变。当3 kW的分布式光伏分别在节点１、3、5、6接入时，仿真得到的电压分布变化曲线如图7所示。

图7 单个分布式光伏接入位置变化引起电压分布变化曲线

从图7可知，相同容量的分布式光伏电源接入配电网的不同位置，对配电网电压的提升作用也不同。分布式光伏电源接在节点１处，靠近母线，其对电压的提升作用不是很明显，各负荷处电压也是随着与初始端距离的増加而降低；分布式光伏电源接在节点3处时，线路电压明显提升，且远离首端位置，各节点的电压就越小；分布式光伏电源接在节点5处时，节点电压从节点1到节点3呈下降趋势，从节点3到节点5呈上升趋势，最后节点5到节点6又呈下降趋势，线路中会出现2个极值，其中分布式光伏电源接入点处是局部极大值；末端接入分布式光伏对配网电压影响最大，线路电压先降低后升高，系统构成一个双源结构，线路的电压分布呈“U”型，此时线路末端电压不再是局部极小值。综上可知，光伏容量保持不变时，分布式光伏的位置也能影响配网电压的分布，越靠近首端，对电压的影响作用就越小。

3.2.2 多个光伏接入情况

依然以图4系统为实验模型研究多个分布式光伏接入不同位置对线路电压的影响。假设分布式光伏总容量为6 kW，分别研究以下几种情况下的配电网电压分布：

（1）6 kW光伏集中接入节点1；

（2）6 kW光伏集中接入节点3；

（3）6 kW光伏集中接入节点6；

（4）6 kW平均分散在1、2节点；

（5）6 kW平均分散在2、3节点；

（6）6 kW平均分散在2、5节点；

（7）6 kW平均分散在4、5节点。

通过潮流计算仿真得到上述7种情况下配电网中的电压分布变化曲线如图8所示。

图8 多个光伏接入位置变化引起电压分布变化曲线

由图8可知，多个分布式光伏接入时，光伏接入位置对配网电压也有影响。从图8可以看出，分布式光伏分散接入多个不同位置时，分散接入在1、2节点时对电压的提升作用最小，分散接入在4、5节点时对电压的提升作用最大，因此分散接入时选取中偏后的位置节点对电压的提升作用更大。

分析图8中所有曲线可以发现，多个分布式光伏分散接入的电压提升幅度要小于集中接入在末端时的情况，但要大于集中接入在首端，因此可以得出和理论一致的结论：相同的接入条件下，分布式光伏集中接在末端时的电压提升最大。

3.3 线路参数对配电网电压影响的仿真分析

为研究线路参数对配电网电压的影响，依然以图4系统为算例，用户末端接入容量为10 kW的分布式光伏。研究在保持其他参数为基准值时，每次只改变一个参数时对配电网电压的具体影响。设定各参数的具体基准值分别为：线径为25 mm2，半径为1 km，配变容量为50 kW，负载率为10%。

3.3.1 线路长度对配电网电压影响的仿真分析

末端接入10 kW光伏，10%负荷均匀分布于6个节点，线径LJG-25 mm2，变压器容量50 kW，仿真研究在其他条件保持不变的情况下，线路长度发生变化对配电网电压分布的影响。不同线路长度下各节点电压分布曲线如图9所示。

图9 单个分布式光伏接入线路长度变化引起电压分布变化曲线

分析图9可知，在接入容量和接入位置保持不变的情况下，线路长度的改变对配电网电压也有影响，线路越长，电压提升越明显，与理论结论一致。

3.3.2 导线线径对配电网电压影响的仿真分析

末端接入10 kW光伏，10%负荷均匀分布于6个节点，变压器容量为50 kW，线路长度为1 km，仿真研究在其他条件保持不变的情况下，导线线径发生变化对配电网电压分布的影响。不同线径下各节点电压分布曲线如图10所示。

图10 单个分布式光伏接入导线线径变化引起电压分布变化曲线

分析图10可知，在接入容量和接入位置保持不变的情况下，导线线径的改变对配电网电压也有影响，且随着线径的不断增大，电压提升幅度有所下降，与理论结论一致。

3.3.3 配变容量对配电网电压影响的仿真分析

末端接入10 kW光伏，10%负荷均匀分布于6个节点，线径为LJG-25 mm2，线路长度为1 km，仿真研究在其他条件保持不变的情况下，配变容量发生变化对配电网电压分布的影响，不同配变容量下各节点电压分布曲线如图11所示。

图11 单个分布式光伏接入配变容量变化引起电压分布变化曲线

分析图11可知，在接入容量和接入位置保持不变的情况下，配变容量的改变对配电网电压也有影响。随着配变容量的增加，电压升高幅度有所减小；但是，减小的幅值随着配变容量的再提升影响较小，与理论结论一致。

3.3.4 负载对配电网电压影响的仿真分析

末端接入10 kW光伏，负荷均匀分布于6个节点，线径为LJG-25 mm2，配变容量为50 kW，线路长度为1 km，仿真研究不同负载率对配电网电压分布的影响，其电压变化曲线如图12所示。

图12 单个分布式光伏接入负载率变化引起电压分布变化曲线

分析图12可知，在接入容量和接入位置保持不变的情况下，负载的改变对配电网电压也有影响，且负载越小，电压提升越明显，与理论结论一致。

4 结论

（1）当线路始端电压恒定不变时，根据并网光伏容量、光伏并网点位置及线路参数不同，线路电压主要呈现3种不同形式：①随着距离的增加逐渐下降；②随着距离的增加先降低后升高，再降低；③随着距离的增加先升高后降低。

（2）配电网电压偏差随着注入配电网络的分布式光伏容量的增大而增大。

（3）随着并网位置远离线路首段，电压偏差逐渐增大，且并网点处电压偏差受影响最明显。

（4）线路参数的改变也会引起配电网电压的改变，且线路越长、导线线径越小、负荷越小、配变容量越小，电压升高幅度越大。

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Influence mechanism and simulation analysis of distributed photovoltaic on distribution network voltage

YANG Xiaohui, YANG Li, YANG Lei, ZHONG Weijie

(School of Information Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

By analyzing the influence mechanism of distributed photovoltaic integrated into distribution network on voltage deviation, it is concluded that the line voltage level is increased after the photovoltaic connection, and the variation of line voltage at a certain point is related to the position of relative photovoltaic grid-connected point, photovoltaic capacity and line parameters. The six-node distribution network and distributed photovoltaic grid-connected simulation model are built, and the effects of distributed photovoltaic capacity, grid-connected point location and line parameters on voltage deviation of distribution network are simulated and analyzed. The simulation results show that the larger the photovoltaic access capacity, the farther the access location is from the head, the greater the voltage rise of the line, the longer the line is, the smaller the wire diameter, the smaller the load is, and the smaller the distribution capacity, the larger the voltage increase is.

distribution network; distributed photovoltaic; position of photovoltaic grid-connected point; voltage deviation

TM615

A

1002-4956(2019)10-0063-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.015

2019-03-02

国家自然科学基金项目（51765042，61463031，61662044，61773051）；江西省教育厅教学改革项目（JXYJG-2017-02，JXJG-18-1-43）

杨晓辉（1978—），男，江西南昌，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为工业控制、智能控制、电力电子在新能源中的应用。E-mail: yangxiaohui@ncu.edu.cn