不同场景下光伏接入配电网的影响分析

杨苹，许志荣，袁昊哲，彭嘉俊，3，周少雄

（1.华南理工大学电力学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学广东省绿色能源技术重点实验室，广东 广州 511458；3.华南理工大学风电控制与并网技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 511458；4.广东智造能源科技研究有限公司，广东 广州 511458）

不同场景下光伏接入配电网的影响分析

杨苹1，2，许志荣1，袁昊哲1，彭嘉俊1，3，周少雄4

（1.华南理工大学电力学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学广东省绿色能源技术重点实验室，广东 广州 511458；3.华南理工大学风电控制与并网技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 511458；4.广东智造能源科技研究有限公司，广东 广州 511458）

对光伏规模化接入配电网的影响分析有助于电网提前采取相关措施以提高电网运行的稳定性。分析光伏分别以单点及多点接入前后配电网的电压变化情况，提出评估光伏接入对配电网影响的3个量化指标：电压差变化率、静态电压和网损变化量。针对实际工程网架拓扑，计算出所提的量化指标以进行光伏接入对配电网的影响分析，验证示范工程光伏接入设计方案的合理性，证明了该指标具有实际的工程应用价值。

光伏；高渗透率；配电网；量化指标

随着分布式电源大规模接入配电网，其清洁、高效和环保的特性得以充分展现［1-3］。与此同时，配电网的潮流特性及各节点电压也会发生相应变化，从而导致电压波动甚至闪变，对配电网稳定性将造成多方面的影响［4-8］。

针对分布式光伏发电对配电网馈线各点电压的影响，文献［9］通过建立中压配电网馈线各点电压的偏差模型，研究分布式光伏接入对配电网电压的影响，以及不发生过电压条件下可接入的分布式光伏容量。但该文献并未分析光伏接入对配电网网络损耗的影响。文献［10］针对分布式电源接入配电网后对馈线电压造成的影响，提出电压—无功灵敏度分析法。该分析法仅考虑了配电网电压对无功变化的敏感度，而实际分布式电源有功功率对配电网电压的影响是不可忽略的。文献［11］针对具体的配电网拓扑，利用仿真计算，以配电网络每一节点电压不超过限值为依据，得到每户居民的光伏准入发电容量。由于需要根据具体应用对象进行建模计算，难以得出典型配电网结构下的一般性结论，且配电网拓扑更为复杂时建模比较困难。

由于配电网中光伏接入点的电压偏差和电压波动是限制配电网对高渗透率光伏接入容量接纳能力的关键因素，因此针对高渗透率光伏接入配电网引起的电压抬升问题，根据光伏单点接入和多点接入配电网的两种场景，本文提出了3个量化指标用于评估高渗透率光伏接入对配电网的影响，并以某生态科技园微电网示范工程为实例，计算所提指标以验证光伏接入方案的合理性，证明了该指标具有实际的工程应用价值。

1 光伏接入配电网的典型场景分析

1.1 光伏单点接入配电网

图1为单个光伏接入的典型配电网低压线路负荷分布图。

图1 单个光伏接入的配电网低压线路负荷分布Fig.1 Load distribution of low-voltage distribution network with single photovoltaic system connected

线路上带有N个用户，第n个用户视在功率为Pn+Qn(n=1,2,…,N)。线路初始端电压为U0，设定该值不变。线路上第n户所在位置电压为Un(n=1,2,…,N)。第n-1个用户和第n个用户之间线路阻抗为Rn+jXn=ln(r+jx)，其中，ln为第n-1和n个用户之间线路的长度，r和x分别为单位长度线路的电阻和电抗。用户p接入的光伏容量为PV。

由于用户侧功率因数很大，而且低压线路电抗很小，因此可忽略无功功率的作用。

1）若用户在光伏接入点前，第 m户(0

光伏接入后，在光伏接入点前的用户电压幅值得到提升，且提升幅度与线路参数、用户负荷大小、光伏出力及其接入位置密切相关。

第m户和第m-1户之间的电压差为

2）用户在光伏接入点后，第m户(p

相邻两点电压差为

即m点电压始终要小于m-1点的电压。

综上，假设线路初始端电压不变，单个光伏接入后，随着光伏出力的逐渐增加，线路电压变化趋势存在3种情况：1）逐渐降低；2）先降低后升高，再降低；3）先升高后降低。

1.2 光伏多点接入配电网

图2为多个分布式光伏接入的配电网低压线路负荷分布图。线路上有多个用户均接入光伏，没有接入光伏的用户，其光伏容量按零考虑。

图2 多个光伏接入的配电网低压线路负荷分布Fig.2 Load distribution of low-voltage distribution network with several photovoltaic systems connected

所有光伏接入后，可得m点电压为

相邻两点电压差为

式中：PVn为第n个用户接入光伏的容量。

综上，光伏多点接入情况下，同样可能使第m户和第m-1户的电压差减少，当光伏接入容量足够大时，后者电压甚至会大于前者电压。

2 3种量化指标的定义与分析

2.1 电压差变化率指标

本文定义相邻接入点的电压差对光伏接入容量的导数为电压差变化率指标。将ΔUm对PV求导，得到光伏接入容量变化所对应的电压差变化率指标：

其中，当用户在光伏接入点后(p

化简式（7）可知电压差变化率∂ΔUm/∂PV为 1个等比数列，其中公比为根据公比的取值范围，可判断配电网相邻两点电压差随PV的变化规律。

设线路电压由减小到增大的转折节点为M，光伏接入点为p，可得到以下结论：

2.2 静态电压指标

根据国家标准GB12325—90《电能质量供电电压允许偏差》，为保证配电网的电能质量，用户

供电电压允许偏移|ΔU|≤7%，则

式中：UM为配电网线路额定电压，本文取电源点电压U0=[UM]；U*m为m点实际电压。

定义m点的静态电压指标为

对于不同情况的光伏接入，静态电压指标Sm有不同的表达式。

1）单个光伏接入，且用户位于接入点前：

2）单个光伏接入，且用户位于接入点后：

3）多个光伏接入时：

为使配电网m点电压稳定，光伏接入容量PV使得点m的静态电压指标Sm满足-7%≤Sm≤7%。

2.3 网损变化量指标

分布式能源接入配网后，通过合理设计接入方案有利于减少线路损耗，提高配网传输效率。

在接入光伏前配电网产生的网损SB为

式中：ΔUkb为光伏接入配电网前第k点和k-1点的电压差；Rk为第k点和k-1点之间的线路阻值，k=1,2,3,…,N。

在接入光伏后配电网产生的网损SA为

式中：ΔUka为光伏接入配电网后第k点和k-1点的电压差。

定义网损变化量指标为

若ΔS<0时，接入的光伏利于减小线损；反之，ΔS>0时，光伏的接入则导致线路网损增加。

3 实例分析

以某生态科技园微电网示范工程作为算例，针对光伏单点接入和多点接入的不同场景计算所提出的3个量化指标，评估光伏接入配电网的影响情况。

3.1 光伏单点接入配电网

选择园区内某办公楼为工程算例对象，计算光伏单点接入对配电网电压的影响指标。9B栋研发办公楼为商业办公楼宇型用户侧微电网，该示范点配置15 kW光伏板，同时配置15 kW·h的蓄电池储能系统接入，算例不考虑蓄电池储能。选定9B栋研发办公楼中的用户2作为微电网的受电负荷，该用户最大负荷为18 kW。其办公楼宇型用户侧微网拓扑结构如图3所示。

图3 9B栋研发办公楼宇型用户侧微电网拓扑Fig.3 The topology of the non-residential user-side microgrid in the 9B R&D office building

负荷及线路参数如表1所示。其中，380 V侧母线线路电阻率ρ=0.3 Ω/km,端电压U0=380 V,光伏接入容量PV=15 kW。

表1 负荷及线路参数情况Tab.1 The parameter of the load and line

1）计算光伏单点接入前后各点的电压，如图4所示。

图4 光伏单点接入前后各点电压分布图Fig.4 Comparison of the voltage distribution before/after photovoltaic source single-point access

2）计算光伏单点接入的各用户电压差变化率，如表2所示。

表2 电压差变化率指标Tab.2 The voltage difference indexs

由表2可知，接入光伏容量的变化对用户1，2两点的电压差变化影响较大；光伏容量增大，用户1点电压变化最大。

3）计算光伏单点接入的静态电压指标，如表3所示。

表3 静态电压指标Tab.3 The steady-state voltage indexs

光伏单点接入后各点电压在允许电压偏差范围内。

4）计算光伏单点接入的网损变化量。光伏接入前为1.469 kW，光伏接入后为0.934 kW，网损变化量指标为-0.535 kW，配电网的网损减少。

3.2 光伏多点接入配电网

选择园区内“9A栋公寓”为工程算例对象，计算光伏多点接入对配电网电压的影响指标。9A栋公寓为商业住宅型用户微电网，该示范点配置36 kW光伏板，同时配置21 kW·h的蓄电池储能系统接入，算例不考虑蓄电池储能。每户负荷的功率大致为6～10 kW，具体情况视用户的需求而定。根据设计标准的要求，初步确定各用户的最大用电负荷为10 kW，则该微电网的12户用户的最大负荷为120 kW。其商业住宅型用户侧微网拓扑结构如图5所示。

图5 9A栋商业住宅型用户侧微电网拓扑Fig.5 The topology of the user-side microgrid in the 9A commercial residential building

负荷参数如表4所示。其中，380 V侧母线线路电阻率ρ=0.3 Ω/km,端电压U0=380 V。光伏接入容量分别为：PV1=6 kW,PV2=6 kW,PV3= 6 kW,PV4=6 kW,PV5=6 kW,PV6=6 kW。

表4 负荷及线路参数情况Tab.4 The parameter of the load and line

1）计算光伏多点接入前后各点的电压，如图6所示。

图6 光伏多点接入前后各点电压分布图Fig.6 Comparison of the voltage distribution before/after the photovoltaic source multi-point access

2）计算光伏多点接入的各用户电压差变化率，计算结果如表5所示。

表5 电压差变化率指标Tab.5 The voltage difference indexs

由表5可知，接入光伏容量的变化对用户1至6点的电压差变化影响较大，光伏容量增大用户1点电压变化最大。

3）计算光伏多点接入的静态电压指标，如表6所示。光伏多点接入后各点电压偏差较大，用户12点已达到5.22%，若光伏容量增大，用户12点将最早超出配电网电压偏差允许范围。

4）计算光伏多点接入的网损变化量。光伏接入前为4.988 kW，光伏接入后为2.747 kW，网损变化量指标为-2.242 kW，配电网的网损减少。

表6 静态电压指标Tab.6 The steady-state voltage indexs

4 结论

根据光伏单点及多点接入配电网2种场景，本文对光伏接入配电网拓扑进行分析，结合实际的微电网项目工程，提出电压差变化率、静态电压指标和网损变化量3个新的量化指标，并给出详细的推导，以评估高渗透率光伏接入对配电网的影响，具有实际的工程应用价值。最后，针对2个实际工程网架拓扑，计算出所提的量化指标以进行光伏接入对配电网的影响分析，验证示范工程光伏接入设计方案的合理性。

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修改稿日期：2016-04-08

Impact Analysis of Photovoltaic Integrated Into Distribution Network in Different Scenarios

YANG Ping1，2，XU Zhirong1，YUAN Haozhe1，PENG Jiajun1，3，ZHOU Shaoxiong4
（1.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2.Guangdong Key Laboratory of Clean Energy Technology，South China University of Technology，Guangzhou 511458，Guangdong，China；3.National-local Joint Engineering Laboratory for Wind Power Control and Integration Technology，South China University of Technology，Guangzhou 511458，Guangdong，China；4.Guangdong Intework Energy Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 511458，Guangdong，China）

Impact analysis of photovoltaic massively connected to distribution network will be helpful to take measures in advance to improve the power network stability.According to the voltage changes of distribution network under both scenarios contains the photovoltaic single-point and multi-points access to distribution network，Put forward three quantitative indicators，which included voltage difference change rate，static voltage indicator and net loss variation.In view of practical engineering network topologies，the quantitative indicators were calculated to analyze the influence of photovoltaic integrated into the distribution network，and the rationality of photovoltaic access scheme on the demonstration projects was verified.It proves that these quantitative indicators have practical engineering applications value.

photovoltaic；high permeability；distribution network；quantitative indicators

TM615

A

10.19457/j.1001-2095.20161118

国家高技术研究发展计划（2014AA052001）；广东省科技计划项目（2012B040303005）；

南方电网科学研究院科技项目（SEPRI-K143003）

杨苹（1967-），女，博士，教授，Email：243567111@qq.com

2015-09-14