分布式光伏电源对配电网电压的影响研究

王晓文 ，张异殊 ，于海常 ，戈阳阳

（1.沈阳工程学院电力学院，辽宁沈阳 110136；2.国网大连供电公司，辽宁大连 116001；3.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳 110006）

当今能源储备逐渐减少，环境逐渐恶化引发了各国对清洁能源的关注[1]。并入配电网中的分布式光伏PV（photovoltaic）系统得到了很大发展。然而分布式PV接入配电网之后，光伏电源的间歇性与随机性的特点对配电网的电能质量与稳定性产生极大影响，制约了光伏产业的发展，其输出功率的不稳定是导致电网电压波动的重要原因，对系统的安全稳定性造成了一定的隐患。解决含分布式PV低压配电网电压越限问题对光伏产业发展具有重大意义。

目前，解决电压越限的方法有很多，文献[2]中对分布式PV接入配电网的接入点进行了仿真研究，结果表明配电网中的负荷水平和短路容量对配电网电压的波动产生了较大的影响。文献[3]探讨了接入位置、光伏出力大小、负荷大小、电网线路参数等对单馈线多节点的10 kV线路的电压变化的影响，给出了解决电压越限的具体措施。文献[4]中提出了通过改变电网设备来消除电压越限的方法，但该方法成本过高。文献[5]提出了在并网逆变器中加入无功补偿控制，逆变器在输出有功功率的同时也可以消耗无功功率，以此限制电压的升高，其分为电压无功控制、恒功率因数控制、恒无功控制等方式，但是阻抗比值在配电网中较大，采用无功功率控制不能有效地控制电压的升高，且逆变器中的功率因数不一定可调。文献[6]提出了使用有载调压变压器抑制电压升高的方法，但是分布式的不稳定性导致了并网时电压的波动，使有载调压变压器的分接开关动作过于频繁，缩短了变压器的使用寿命，且上述解决方案中均未考虑环网结构。

结合上述分析，首先从理论上分析了分布式PV接入配电网对电网电压影响的因素；接着从短路容量的角度研究了环网结构对电压波动的影响；最后通过Matlab/Simulink仿真软件搭建完整光伏并网模型，对上述理论进行验证。

1 电压波动理论分析

1.1 配电网电压波动原理分析

配电网中的电压受到潮流分布的影响，当电网中的负荷以及电源输送的功率发生变化时，就会导致配电网中母线上的各个节点发生电压波动[7]。分布式光伏PV并入配电网后，除了上述传统的因素外，由于光照强度与温度不断发生变化导致光伏PV的功率发生了变化，从而引起了电压的波动。

一般情况下，光伏系统对于配电网并网点（Point of Common Coupling，PCC）冲击最大[8]。其中分布式PV发电逆变器的功率因数主要区间为（-0.95，0.95），为了简化计算并更好地分析问题，在分析过程中忽略无功功率的影响，即将接入配电网中的光伏电源等效为电流源。图1为分布式接入配电网模型。

图1 分布式接入配电网模型

其中，SN为无限大系统；UN为母线额定电压；R、X分别为电网的电阻与电抗；光伏PV并网点为PCC点。

分布式光伏PV最大功率输出通常受到外界云层变化、阴影效应、光照周期等影响，并网后会产生明显的电压波动[9]。假设分布式光伏PV瞬时输出功率与额定功率的比值为λ，则距离母线lk处仅由光伏PV引起的第k个节点的电压波动dPVk%为

其中近似认为配电网中馈线的型号一致，R+jX单位距离馈线的等值阻抗，抗阻比KZ为

若忽略系统电源侧母线系统阻抗，则k节点距离母线lk处的短路容量Slk近似为

将式（2）和（3）代入式（1）中有：

从式（4）中可以得出，分布式光伏PV接入配电网与如下几个条件有关：光伏电源输出功率的波动值、距离母线的长度、功率因数、短路容量以及抗阻比。由于光伏电源被控制在单位功率因数下，因此光伏电源的发出功率变化均为有功功率的变化，同时馈线中阻抗角的比值基本保持恒定。配电网中电压波动的主要影响因素为光伏功率的变化以及短路容量值的大小。

1.2 环网结构中电压波动分析

通过分析可以得出光伏电源接入配电网中的容量以及短路容量的大小是影响配电网中电压波动的关键因素。由于光伏产业的不断发展，不能通过降低发电量来抑制配电网中电压的波动，因此，从短路容量的角度抑制电压波动。由于环网中增大了短路容量，有助于抑制波动。为此做出以下分析。

电力网中的短路容量为额定电压与三相短路电流的乘积[10]，短路电流为额定电压除以该点与系统之间的等效阻抗。

短路容量是节点电压强度的标志，用于评估系统的电压稳定水平和状态脆弱性，短路容量越大，电压强度越高，电网结构是影响短路容量的重要因素[11]。环网构架大大增强了电网的短路容量，提高了电网的供电可靠性。

环网架构可以有效地提高系统短路容量，通过式（5）可以看出，在系统额定电压保持不变的情况下，短路容量与该节点阻抗值成反比。环网结构通过减少系统到某点的阻抗值来提高短路容量，利于分布式PV接入配电网中。环网结构简单示意图如图2所示。

图2 环网结构

当S断开时，各个节点在网络中的阻抗可以表示如式（6）所示。式中，Z11、Z12、Z21、Z22分别表示各个节点到主节点之间的阻抗值；ZL11、ZL12、ZL21、ZL22分别表示各段线路对应的阻抗值。

当S闭合时，即电网开始进行闭环运行时，节点阻抗分布情况为

其中，Z0表示节点11到节点21之间的阻抗值。开关S闭合后，即在原有线路上并联一个电阻，线路阻抗值会减少。比较式（6）与式（7），虽然线路有一定原始阻抗，但采用环网结构后，环网内各节点阻抗值减少，短路容量增大，从而有利于分布式光伏PV的接入。

2 仿真分析

2.1 仿真建模

基于Matlab/Simulink建立仿真模型，如图3所示，分别由分布式光伏并网模型和IEEE13节点配电网两部分组成，其中光伏电源容量为0.4 MW，采用基于VSC并网控制。

图3 仿真模型

2.2 光伏电源容量对电压波动影响仿真

图4 电压波动仿真

配电网中由分布式接入引起的电压波动与其容量大小有很大的关系，因此在同一节点中接入不同容量进行分析对比。在节点7分别配置0.25 MW、0.5 MW、0.75 MW容量的光伏电源，功率因数保持一致，t=0.5 s时电源接入配电网中，t=2 s时电源脱网，分别观察节点7、9、5、2的电压波动的状况，表1为不同节点在接入不同容量分布式电源的电压波动情况。图4为各个节点电压波动的仿真图像。

表1 不同容量下节点电压波动情况

根据仿真结果可以得到如下结论：

1）从图4可以看出，分布式光伏系统在t=0.5 s并入电网瞬间，节点电压波动比较严重；而光伏电源在t=2 s离网瞬间节点电压波动相对较轻。其原因为分布式电源并网过程中配电网与电源之间相互影响、共同调节，导致电网电压波动较大；而离网时，由于电源从网中分离独立调节，导致电压波动较轻。因此，重点关注光伏并网过程。

2）从表1和图4可以看出，并网时离并网点越近则造成的电压波动越大，且相邻点的电压波动相对较大。目前，分布式光伏系统分布相对分散，因此，必须保证多点监测才能防止电压越限。

3）从表1和图4中可以看出，配电网中电压波动与分布式电源接入配电网中的容量有关，电源容量越大，配电网中的电压波动越大；容量越小，配电网中的电压波动越小。

2.3 短路容量对电压波动的影响

分布式光伏PV接入配电网时，由于短路容量对电压波动产生影响，选取IEEE13节点配电网模型接入光伏电源进行仿真分析，不同节点分别接入相同容量的光伏PV。在9、7、5配置0.5 MW电源，各个短路容量排序大小为2、5、7、9，相同功率因数下，t=0.5 s时并网，t=2 s时离网，得到了三相节点电压波动情况。表2为各节点电压接入0.5 MW时电压波动情况。

表2 不同接入位置节点电压波动情况 %

表2中不同接入位置接入相同容量所引起的电压波动不同，其具体原因为不同节点短路容量大小不同。对比节点2、9可知，在接入相同容量大小情况下，短路容量越大则电压波动越小；短路容量越小则电压波动越明显。

3 环网结构电压波动仿真分析

环网结构可以增大分布式光伏PV并网点的短路容量，继而减弱电网的电压波动，利于分布式光伏PV的并网接入。因此，将图3中的节点5、7连接构成环网结构如图5所示，线路型号与其他线路保持一致，分别在节点9、7、5配置0.5 MW光伏电源，运行功率因数相同，t=0.5 s并网，t=2 s离网，其三相节点电压波动结果如表3所示，有无环网结构在节点9、7、5分别接入光伏电源电压波动的对比如图6所示。

图5 环网结构示意

表3 环网结构电压波动情况 %

图6 电压波动对比

从图6可以看出，在环网结构下，分布式电源并入电网对电网电压波动的影响明显减弱，虽然环网连接点处的电压波动较原来有所增加，但是仍旧比最大电压波动小。因此，环网结构运行利于分布式光伏并入配电网中，验证了上述分析的正确性。但是，配电网中采用环网架构会导致短路容量的增大，以致短路电流变大，有可能导致设备的损坏，因此，重点关注短路电流增大导致的问题及解决措施是未来施行环网运行的关键[12]。

4结 论

分布式光伏电源大量接入配电网中，对电网的安全运行提出了极大的考验，研究光伏并网对配电网电压波动的影响对提高光伏利用效率有重大的意义。从理论上分析光伏并网对配电网电压波动的影响，并且从短路容量的角度对电压波动的影响做了深入分析，最后在Matlab/Simulink上仿真验证，得到了如下的结论：

1）光伏系统并网点电压波动最大，其相邻的电压节点电压波动相对较大，为保证电压波动不超过最大界限，应该多点监测。

2）光伏电源接入电网中所引起的电压波动大于光伏电源离网时所引起的波动。

3）分布式电源的并网容量以及接入点的短路容量对电压波动起到了重要影响。分布式电源的并网容量越大、短路容量越小在节点处产生的电压波动越明显。

4）配电网闭环运行提高了其短路容量，增大了电网的抗干扰能力，利于分布式电源并入电网中。