分布式光伏接入對配電網電壓影響及工程計算

張劍帥，楊洋，汪濤

（1.云南電網有限責任公司研究生工作站，云南 昆明 650217；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217；3.云南電網有限責任公司大理祥云供電局，云南 大理 672100）

0 前言

自2020 年“雙碳”目標提出以來，我國新能源領域得到快速的發展；特別是分布式能源發展尤為迅速，分布式光伏大規模接入配電網將會成為我國新型電力系統的一個重要發展方向，分布式光伏也將會成為我國未來的電力市場重要主導因素之一[1-2]。

分布式光伏的發展及運用雖然帶來了很大的環保和經濟效益，減少了化石能源的使用及大量的二氧化碳排放，但是光伏發電具有很大的隨機波動性，受到天氣變化和晝夜交替因素的影響，其接入會給配電網的安全穩定運行帶來一系列的挑戰。特別是低壓配電網中接入大規模的分布式光伏后，會給配電網帶來電壓波動、閃變和電壓越限等不利于配電網安全穩定運行的因素[3-6]。所以分布式光伏的接入對配電網產生的影響是一個應該重點關注的問題。

在分布式光伏接入對配電網影響的領域國內外學者已經做了很多的研究。文獻[7]先從理論上分析了光伏接入對配電網網損和電壓方面的影響，并運用PSCAD 進行了仿真驗證，模擬光伏接入容量、接入位置對配電網的影響。文獻[8]提出了一種基于諧波震蕩抑制和信號統計檢測的方法來監測分布式光伏接入對配電網造成的電壓波動；通過對電壓波動信號的能量譜進行頻譜偏移特性分析，然后應用統計信息分析的方法進行高分辨譜特征提取和識別從而實現配電網電壓波動檢測。文獻[9]對分布式光伏在配電網中的接入位置和接入容量引起的電壓偏差進行了分析研究，并基于Simulink 進行了仿真分析。

此外，很多學者在考慮了分布式光伏系統對配電網電壓分布的影響外，還從分布式光伏在配電網中的接入位置、接入容量進一步說明對配電網電壓的影響，并提出了變壓器的分接頭調整、電容器調節、儲能調節等方案來改善電壓質量問題[10-13]，從而能進一步提高光伏并網比例。

盡管針對分布式光伏接入對配電網電壓質量影響做了很多研究，但目前很多研究僅局限在分布式光伏接入對配電網電壓產生影響趨勢，僅對配電網影響做了定性分析沒有做到影響大小的定量分析。在實際的工程應用中需要計算出一定容量的分布式光伏接入下對配電網電壓影響的大小來指導配電網中分布式光伏的接入，保證配電網的安全穩定運行。

本文針對分布式光伏接入的配電網，提出了因素拆分及效果疊加的方法，首先將系統電源及光伏電源對配電網的影響進行拆分，針對含多個分布式光伏的系統也分別拆分出每個光伏電源的作用；其次依次將所有電源對配電網產生的效果進行疊加，構成整體系統運行下配電網電壓狀態分析；此外，在低壓配電網中居民用電功率很高而線路的電抗值較小，可以忽略無功功率的作用，以此提出了分布式光伏接入下配電網電壓計算的適于工程運用的簡化模型；最后通過Matlab/Simulink 搭建了IEEE33節點配電網系統仿真對模型進行了驗證，結果表明模型具有較高的實用性和可靠性。

1 配電網節點電壓影響理論分析

1.1 單一系統電源下配電網節點電壓分析

當僅有系統電源接入情況下，且為有N個節點的常規鏈式配電網，如圖1 所示。分析電源接入下任意節點m的電壓變化ΔUm1可表示為：

圖1 鏈式配電網模型

式中：U0為線路首段電壓；Pn，Qn分別為節點n處的有功負荷和無功負荷；Rk，Xk分別為第k 段線路的電阻值和電抗值，且Rk+jXk=lk(rk+jxk)，lk、rk、xk分別為第k段線路的長度、單位阻值和單位電抗值。

1.2 單一光伏電源接入下配電網節點電壓變化分析

在分布式光伏的接入情況下，隨著功率注入會增加配電網中的有功、無功功率進而導致配電網部分節點電壓升高。設PV 單獨作用情況下，接入點為q，接入容量為PPV+jQPV。此時系統電源視為斷開狀態，其配電網結構如圖2 所示：

圖2 單個光伏接入的配電網模型

在q 點接入光伏電源后，隨著光伏電源的有功、無功功率注入改變了接入點負荷分布。同時，光伏電源接入對接入點上游和下游節點電壓的影響需要分別討論。

1.2.1 當m點位于光伏接入點q上游

由光伏電源接入引起的電壓升高ΔUm-pvf表達式為：

1.2.2 當m點位于光伏接入點q下游

由光伏電源接入引起的電壓升高ΔUm-pvb表達式為：

1.3 多個光伏電源接入下配電網節點電壓變化分析

配電網中多個分布式光伏電源接入情況下，設接入點分別為q1，q2，…，qj，接入容量分別為PPVi+jQPVi，（i=1，2，…，j）, 其配電網結構如圖3 所示：

圖3 多個光伏接入的配電網模型

多個分布式光伏電源接入對配電網電壓變化的分析同單個光伏電源產生的影響分析一致，只是在考慮光伏電源的作用時，需要依次考慮每個光伏單獨作用和其他光伏電源處于開路情況。根據疊加原理將其影響進行加和，即為多個光伏接入下對配電網作用結果。其表達式為：

1.4 綜合系統電源及光伏電源下的配電網節點電壓分析

配電網具有輻射狀拓撲的特點。一般配電網是以環狀設計的，但其在運行時，中間任何一個環上都有一個開關處于常開狀態，其實際以輻射狀形式運行。圖4 是一簡單的配電網運行拓撲圖，其在節點3 開始分支為兩條支路，支路的末端節點分別為節點M 和節點N；支路M 中的節點j、k分別接入分布式光伏PVj、PVk；支路N 中的節點i接入分布式光伏PVi。

圖4 多光伏接入下的簡單配電網拓撲圖

1.4.1 具有單一分布式光伏的配電網

光伏電源接入前，由式（1）在系統電源下配電網電壓變化分析，則配電網中任意相鄰兩節點電壓降為：

則節點m 的電壓Um1為：

由圖4 的拓撲結構可知：

式中：PLn、QLn、PGn、QGn（n=1，2，3，…）f分別為節點n負荷的有功、無功功率及分布式光伏注入的有功、無功功率。

在低壓配電網中，考慮到低壓線路中的電阻較大且遠大于電抗值，為了便于工程計算可以忽略無功功率，則有：

當PV 從接入節點q 如圖1 所示，接入容量為PPV+jQPV，為了便于計算功率因素選為1。此時，在系統電源及光伏電源的作用下結合式（1）和式（2）得q 點上游節點電壓為：

忽略無功功率，則有：

結合式（1）和式（3）得光伏接入點下游節點電壓為：

忽略無功功率，則有：

1.4.2 具有多個分布式光伏的配電網

多個光伏接入的配電網模型如圖3 所示，假設節點qn接入光伏的容量為PPVn+jQPVn，當所有分布式光伏接入后，結合式（1）和式（4）可得配電網節點m 的電壓為：

忽略無功功率后則有：

基于如上分析得配電網電壓簡化模型：

2 算例驗證

基于多種情況下的配電網，為了驗證工程模型的實用性，運用Matlab/Simulink 構建IEEE33 配電網模型進行仿真分析，基于傳統潮流算法和構建的工程數學模型進行多種分布式光伏接入下的仿真，分析分布式光伏不同形式接入下對配電網的影響趨勢及對比傳統潮流算法分析構建模型的準確性。配電網的拓撲結構如圖5 所示，配電網絡由33 個節點及32 條支路組成。IEEE33 節點系統負荷為3715+j2300 kVA，系統額定電壓為12.66 kV。IEEE33 節點支路的原始數據如表1 所示：

表1 IEEE33節點系統原始數據

圖5 IEEE33節點系統配電網拓撲圖

2.1 無光伏接入下的配電網仿真分析

為了驗證模型的準確性和可靠性，同時為了直觀地分析配電網運行過程中的電壓分布情況，基于表1 所示的實際配電網數據進行仿真。在仿真運行中分別采用傳統的配電網潮流算法和本文所構建的工程簡化算法，其仿真結果如圖6 所示：

圖6 不同算法下配電網節點電壓分布情況

由圖6 可以看出，采用傳統的潮流算法和所提出的工程簡化算法仿真運行結果基本重合，兩種算法結果偏差很小，且工程簡化模型運行所需的參數少，較于傳統潮流計算簡便很多，能快速地運算和得出節點計算結果。此外，圖6仿真結果顯示，配電網節點電壓隨著節點距離電源點距離的增加而減小，且對于分支路，其節點電壓也是越靠近末端其值越小。

2.2 單個光伏接入下的配電網仿真分析

光伏接入下配電網節點電壓受到多因素的影響?；诖?，構建光伏不同位置接入、不同容量接入下的配電網模型，仿真分析其節點電壓分布及變化情況。選擇在節點18、25、31接入100 kW 和在節點18 分別接入100 kW、200 kW、300 kW 分析接入位置和容量對配電網電壓影響的情況，仿真結果如圖7、8 所示：

圖7 不同節點接入相同容量PV后配電網節點電壓情況

圖8 相同節點接入不同容量PV后配電網節點電壓情況

從圖7、8 可以看出，隨著分布式光伏電源的接入，會提高配電網節點的電壓。且在不同位置節點接入情況下，接入點電壓會呈現一個凸起，該支路電壓會呈現先減小再增大過了接入點后又逐漸減小的趨勢；對于接入不同容量PV 的情況，配電網節點電壓受PV 容量影響明顯，接入的容量越大，接入點電壓突起越明顯，隨著接入PV 容量增大，其他部分節點電壓也會有明顯的提升。

2.3 多個光伏接入下的配電網仿真分析

隨著分布式光伏的發展及多種條件限制下，當前大多數配電網中分布式光伏以分散接入方式為主。保持表1 中的配電網參數，進行多個光伏同時接入下的電壓影響仿真，同時在三條支路上的18、25、31 節點分別接入容量為100 kW 的光伏電源，仿真結果如圖9 所示。

圖9 多個光伏接入下的配電網節點電壓情況

由圖9 顯示，當配電網中多節點同時接入PV 時，所接節點支路的電壓均有所上升；同時觀察可得多節點同時接入的情況下更能使配電網電壓得到整體的提升，能減緩配電網電壓傳輸波動。

通過對比圖7 和圖9，可以看出多節點接入下的配電網電壓分布情況即為這些節點單獨接入下影響效果的疊加，進一步驗證了工程簡化模型的可靠性。

3 結束語

本文針對分布式光伏接入下的配電網電壓分布及節點電壓計算問題，通過采用因素拆分及影響效果疊加的方法，基于傳統配電網潮流分析和考慮到中低壓配電網的運行情況和拓撲結構，構建了分布式光伏接入下的配電網電壓分析及計算的簡化工程運用模型。

最后，通過采用IEEE33 節點算例模型仿真驗證了：（1）所構建的簡化模型的實用性和可靠性，即按照提出的簡化算法仿真結果和傳統算法結果基本重合，兩者偏差??；且多個仿真結果顯示多個PV 同時接入下的仿真結果為其單獨接入的結果疊加。（2）仿真得出了分布式光伏接入對配電網電壓的影響特點，即分布式光伏的接入會一定程度地提升配電網電壓，尤其是接入點的電壓，接入容量越大其電壓凸起越明顯；多個分布式光伏同時接入下能改善配電網整體的電壓質量，一定容量光伏電源可以劃分為多個小容量接入，避免了單一接入下的電壓越限，能增加配電網光伏可接入容量。