光伏电源接入对配电网电压的影响研究

张 昕魏立明

(吉林建筑大学,吉林 长春 130119)

随着电网中光伏渗透率的提高,光伏系统对配电网电压的影响逐渐增加,因此,研究光伏发电系统并网对配电网电压的影响性能,促进光伏电源和电力系统协调运行,具有十分重要的实用价值[1-2]。针对光伏发电并网对配电网电压产生的影响,目前已有一些文献进行研究。文献[3]针对光伏电源并网后线路电压的变化情况,对单个和多个光伏电源并网后的电压变化进行了公式推导。文献[4]分析了分布式发电接入对配电网电压的影响,并提出了利用分布式发电提高配电网电压稳定裕度的措施。文献[5]考虑谐波、电压波动与闪变等问题,研究了多个光伏电源接入点和配电网之间的交互影响。文献[6]研究了风力、光伏发电等不同新能源发电并网的电能质量问题,并给出了切实的思路和方案。本文从理论和实际算例仿真两个方面阐述与验证了分布式光伏发电系统对配电网稳态电压分布以及并网处电压产生的影响。

1 单个光伏电源接入对配电网节点电压的影响

光伏发电系统并入配电网后将改变配电网原有结构,不但改变配电网潮流流向和大小,其发电功率的波动性还会影响配电网节点电压的安全[7-8]。

配电网系统大多为辐射式结构,在稳定运行状态时,配电网节点电压从首至尾逐渐降低。在光伏发电系统接入配电网后,配电网将转变为有源网络,结构明显改变。

图1为一般低压配电网系统,共有N个节点。其中负荷Pn+jQn(n=1、2、3...N)为第N个节点,每个节点的电压为Un(n=1、2、3...N),线路始端电压为U0,第N个节点的电压为UN,第n条线路与n-1 条线路之间的阻抗为Rn+jXn=ln(r+jx),其中ln为2个节点间线路的长度,r、x分别为线路单位长度的电阻与电抗,P节点处(1≤P≤N)接入的光伏容量为PV。

图1 单个光伏接入配电网示意

1.1 光伏接入前馈线电压分布

以功率向负载方向流动为正,并忽略线路损耗。若节点P未接入光伏电源,由电力系统知识可得,第m与m-1节点间的电压降落为

式中:Um、Um-1分别为图1所示配电网第m、m-1的电压,l≤m≤N。

因为每个节点都有负荷且Pn>0,所以节点电压从头至尾逐渐降低,可推得线路上节点m处的电压为

因为在配电系统中负荷Qn较小且线路电抗较低,忽略负荷无功的影响,将公式(1)与(2)简化后可得

1.2 光伏接入后馈线电压的分布

在节点P接入光伏电源,位于光伏接入点前的节点电压为

观察公式(5)和公式(4)可以看出,光伏并网后,位于光伏接入点前的节点电压将得到一定的提高,而节点电压提升的大小不仅与配电网馈线的参数、负荷的功率大小相关,还与光伏接入的容量大小和并入的位置相关。

从公式(5)可以得到,第m与第m-1节点间的电压变化为

在节点P接入光伏电源,位于光伏接入点后面的节点电压为:P≤m≤N

其中,P≤m≤N。

第m与第m-1节点间的电压变化为

分析公式(8)可以得出,当在节点P接入光伏电源,位于光伏接入点后面的节点电压母线电压逐渐降低。

由以上分析可知,配电网中只并入一个光伏电源时,会提升配电网线路各节点电压。若改变光伏电源出力大小以及并网位置,配电网线路节点电压将有以下3种情况:逐渐降低;先降低后升高,再降低;先升高,再降低。

对于后2种情况,光伏电源接入位置的电压Up是局部电压最高点,其大小可表示为

这时,若要保证配电网线路上各节点电压幅值都满足运行要求,应使Up在线路允许的最大电压偏差范围之内,也就是Up要小于最大值。由此可确定线路应接入的最大光伏容量以及相应的功率因数从而进行有功无功的输出控制。

2 多个光伏电源接入对配电网节点电压的影响

图2为传统低压配电网系统中接入多个光伏电源的情况,设接入的光伏容量为Pvn(n=1,2,3,...,N),若存在节点未接入光伏发电,则表示这个节点并入的光伏容量Pv=0。

图2 多个光伏接入配电网示意

当多个节点接入光伏电源发电后,节点m的电压为

同上节,在不考虑无功功率的影响时

由公式(12)可得,若节点m后接入的全部负荷小于光伏发电功率时,配电网的各节点电压升高。在光伏电源并网后,配电网潮流分布发生改变。光伏电源的接入降低了配电网线路上功率的流动,从而导致配电网线路上节点电压大幅升高,甚至出现节点电压越上限的问题。电压变化的大小与多种因素相关,例如,光伏电源接入容量、实际发电功率情况以及光伏电源并网位置等。

3 仿真验证

为检验光伏电源接入配电网后具体的影响程度,验证上面分析的准确性,本节在MATLAB 仿真软件上搭建IEEE33节点配电网系统模型进行仿真验证。测试系统如图3所示。

图3 IEEE33节点测试系统

在此IEEE33 节点配电网系统模型中,设置系统功率的基准值SB=10 000 k VA,设置线电压的基准值UB=12.66 k V,系统总有功功率P总=3 715 k W,系统总无功功率Q总=2 300 kvar。设置母线“0”处为IEEE33 节点配电网的理想电源。为研究光伏并网特性,这里假定光伏电源为恒定功率电源,并网不考虑其本身控制。

3.1 光伏输出功率对配电网节点电压的影响

为分析光伏出力变化对配电网节点电压的影响,这里分别设置500 k W、2 000 k W 和4 000 k W的光伏电源并到节点8号位置。对比不同光伏输出功率时,IEEE33节点配电网系统各节点电压分布情况如图4所示。

图4 光伏电源不同接入容量对节点电压影响

由图4 可以看出,当接入光伏输出功率为4 000 k W 时,节点8号母线电压超过了1.02 pu,可能越上限。随着光伏输出功率的增加,各节点电压提升的幅度逐渐增加。并且在特殊情况下,光伏接入位置母线电压会出现局部峰值,有超越规定上限的可能。若光伏电源出力大于配电网负载总和时,光伏接入位置母线电压以及其周围母线处的电压都会出现电压越上限的情况,影响电力系统的安全稳定运行。

3.2 光伏接入位置对配电网节点电压的影响

依次在IEEE33节点配电网系统的不同节点上并入光伏电源,设置并入的光伏额定容量相同,大小均为1 000 k W,对比不同位置接入光伏电源后配电网系统各节点电压大小,节点电压分布情况如图5所示。

图5 光伏电源不同接入点对节点电压影响

由图5可以发现,线路电压因为并网光伏位置的变化而改变。尤其是将光伏电源接入配电网线路末尾时(如32节点处接入,电压升高近0.05 pu),配电网的电压升高最为明显,极易出现电压越上限问题。为避免电压越限问题的产生,在光伏电源规划时应避免在配电网末端并网,而是将光伏电源的并网位置规划在配电网中间靠后的线路上,这时能够有效利用光伏并网的升压效果。

4 结束语

随着光伏发电在电网中接入的比例逐年递增,电力系统对配电网电压稳定性也提出了更高的要求。本文对光伏发电并网后有功功率和无功功率对电压偏差的影响机理进行了分析,并对光伏电源并网后配电网电压越限机理进行了研究,得出了不同情况下光伏电源并网对配电网电压的影响规律,为合理设置光伏电源的运行方式,提升配电网的电压质量提供了理论基础。