分布式光伏并网对配电网电压偏差影响分析

代相波，赵志刚，王 亮，李 超

（沈阳工程学院电力学院，辽宁沈阳 110136）

随着世界经济的飞速发展，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]。由于光伏发电区别于传统的输配电网的电力传送方式，大规模的光伏接入电网后其逆向潮流势必改变传统配电网的辐射式传播方式，配电网的电压偏差将会受到巨大冲击[4]。而电压偏差正是影响光伏接入容量的最大制约因素[5]。故研究分布式光伏接入配电网对电压影响，有助于合理充分利用光伏发电，并保证配电网的安全、稳定运行。

1 分式光伏对配电网电压影响机理

以图1所示典型低压配电线路为例。线路中共N个用户，等效为N个负荷，假设第n个负荷视在功率为Pn+jQn(n=1,2,…N)。线路变压器低压侧电压设定为U0，假设该值恒定。线路上第n个负荷所在位置电压为Un(n=1,2,…N)。第n-1与n个负荷之间线路阻抗为Rn+jXn。在第p个用户处接入分布式光伏，容量为PV。

图1 分布式光伏接入低压配电网

1.1 未接入分布式光伏

假设流入负载的有功及无功功率均为正值，流出负载的为负值。不考虑线损，则在分布式光伏PV接入配电网前，第m个与第m-1个负荷之间的电压降为

分析式（1）不难得出，当Pn与Qn均大于0时，则ΔUm＜0，Um＜Um-1。由于负荷消耗有功功率及无功功率均大于0，故线路压降大于0，即线路电压由首段至末端呈不断降低趋势。第m个负荷处电压Um为

1.2 分布式光伏并入配电网

1.2.1 负荷位于并网点之前

当负荷位于并网点之前时，有0＜m＜p，m点电压为

假定目标用户为居民用电，则此时负荷无功较小，可忽略作简化处理：

由式（4）可以得出，分布式光伏并入配电网后会提升线路电压，且电压偏差幅度与并网光伏容量、负荷大小及光伏并网点位置均有关。由于在实际工程中，用户负荷大小多为不可控，故仅对光伏并网点位置及并网光伏容量进行研究。

负荷m与负荷m-1之间压差为

1.2.2 负荷位于并网点之后

当负荷位于并网点之后时，有p＜m＜n，m点电压为

即负荷m与负荷m-1之间压差恒小于0，电压减小。

综上，当线路始端电压恒定不变时，根据并网光伏容量、负荷大小及光伏并网点位置不同，线路电压主要呈现3种不同形式：①线路电压先减小，后增大，再减小；②线路电压先增大后减小；③线路电压逐渐降低。在前两种情形中，并网点即为电压最高点[6]。此时电压为

根据我国规定，10 kV及以下供电电压允许偏差额为额定电压的±7%；0.22 kV单向供电电压允许偏差为+7%、－10%[7]。低压配电网中光伏并网点电压满足此要求即可。

2 仿真模型的建立

搭建光伏发电系统为两级式，主要包括光伏阵列、MPPT（最大功率点跟踪）、Boost转换器、逆变器、滤波器，采用IEEE-14节点配电网络[8-10]，结构如图2所示。

2.1 光伏阵列

文献[11]提出了一种适合工程应用的仿真模型，仅需要参数开路电压UOC、最大功率点电压Um、短路电流ISC、最大功率点电流Im即可实现。其输出伏安特性可表示为

在Matlab/Simulink软件中搭建仿真模型，参数设置参考型号为CRM250S156P-60（T）的光伏电池：Pm=250 W，ISC=8.65 A，Im=8.06 A，UOC=37.8 V，Um=31.0 V。

2.2MPPT

采用基于滞环比较的变步长扰动观测法，该方法利用恒定电压法CVT（Constant Voltage Tracking）使得启动迅速，通过滞环比较法判断跟踪方向，通过功率预测法决定跟踪步长[12]。该方法可有效改善跟踪精度与跟踪速度之间的矛盾，也可以避免在最大功率点附近的震荡问题，提高光伏发电系统的能量利用效率。

2.3 逆变器及逆变器控制电路

目前三相光伏并网逆变器主要采用双环控制方式[13]。采用同步PI电流控制方式，控制原理如图3所示。该方法通过前馈解耦控制，在同步旋转坐标系中以固定开关频率实现交流侧电流控制。

图3 同步PI电流控制原理

2.4 滤波器

由于光伏逆变器中含有大量电力电子器件，固其输出电压中必含有谐波，所以需要滤波器在并网前滤波。当前通用并网滤波器主要有LCL、LC、L等3种不同形式的拓扑结构，该文中并网系统采用L型。

2.5 IEEE-14节点配电网络

IEEE-14节点配电网具有3条馈线，基准容量为100 MVA，基准电压为23 kV，网络总负荷28.7+j7.75 MVA。其中，节点1为电源节点，支路1、2、3为馈线支路。另外需要说明，该网络原具有16条支路，考虑到配电网开路运行特性，故去掉14、15、16支路，以此构成14节点13支路的放射式配电网，如图2所示。

3 仿真结果分析

对分布式光伏并入配电网搭建的模型进行仿真。尽管电压偏差幅度与并网光伏容量、负荷大小及光伏并网点位置均有关。但在实际工程中，用户负荷大小多为不可控。文献[5]指出，影响配电网中光伏可并入容量最大制约因素为电压偏差，故仅就光伏并网点位置及光伏并网容量对电压偏差影响作定性研究。另外，考虑到配网电压损耗，故将节点1设置为高于额定电压5%。

3.1 未接入光伏时配电网电压水平

为了与分布式光伏并入配电网对电压影响作对比，针对未接入光伏时IEEE-14节点配电网络电压偏差水平作仿真分析，仿真结果如图4所示。由图4可知，在光伏未接入时，IEEE-14节点配电网络由于线路电压损耗，各节点有一定电压偏差。

图4 无光伏注入时配电网电压偏差水平

3.2 并网位置对电压偏差影响

将容量为4.72 MW的分布式光伏并入节点7，其电压偏差仿真结果如图5所示。与图4对比不难发现，只有馈线1上电压偏差受影响，而馈线2、3上不同节点电压偏差几乎不受影响。

图5 分布式光伏从节点7注入

由以上分析可知，分布式光伏的注入只对该节点所在馈线产生电压偏差，对其他馈线无明显影响。因此，可在单一馈线不同节点接入光伏以观察配电网电压偏差。分别在节点2、5、6、7接入光伏，通过仿真分析对配电网电压偏差的影响，仿真结果如图6所示。由图6可知，随着并网位置远离线路首段，电压偏差逐渐增大，并网点处电压偏差受影响最明显，与1.2节分析结果一致。

图6 分布式光伏从馈线1不同节点注入

3.3 并网容量对电压偏差的影响

为了探究不同容量分布式光伏并网对配电网电压偏差带来的影响，分别设置并网光伏容量为配电网络总有功负荷容量的25%、35%、45%、55%（即7.18 MW、10.05 MW、12.92 MW、15.79 MW）。由3.2节分析可知，同等容量光伏并于馈线末端时对电压偏差的影响最大，故对不同容量分布式光伏从馈线1末端节点7并网进行仿真分析，仿真结果如图7所示。

图7 不同容量光伏从节点7注入

由图7可知，配电网络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，且越接近并网点所受到的影响最大，并网点处电压偏差受到的影响最严重，与1.2节分析结果一致。

4结论

本文分析了分布式光伏对配电网电压偏差影响机理；通过搭建Matlab/Simulink的分布式光伏发电模型及IEEE-14节点配电网模型，仿真分析了光伏并网点位置及并网光伏容量不同时对配电网带来的影响。得出相关结论如下：

1）光伏注入配电网可提升配电网整体电压水平。

2）当线路始端电压恒定不变时，根据并网光伏容量、负荷大小及光伏并网点位置不同，线路电压主要呈现3种不同形式：①线路电压先减小，后增大，再减小；②线路电压先增大，后减小；③线路电压逐渐降低。在前两种情形中，并网点即为电压最高点。

3）分布式光伏的注入只对该节点所在馈线电压偏差有明显影响，对其他馈线无明显影响。

4）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。

5）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。