分布式光伏发电对配电网电压的影响分析

李燕青， 王达， 杨慢慢

（华北电力大学电气工程学院，保定 071003）

摘要-近几年来，随着光伏发电技术的日益成熟以及国家的推动，分布式光伏电源并入配电网的规模及数量越来越大。这种完全依赖于自然条件的发电方式会对配电网电压产生很大的影响。本文研究了光伏发电系统的输出特性，提供了光伏电源接入配网的分析模型，通过理式推导，得出光伏电源影响配网电压质量的因素，即注入功率的变化、光伏电源的功率因数及所并入系统的短路容量。对比分析接入同等容量的旋转型分布式电源和光伏电源，逆变型的光伏电源对并网节点的电压影响要更小。针对分布式光伏电源输出功率波动的特点，电压控制方法可在一定程度上改善配电网内供电电压的质量，并对此进行了仿真验证。 关键词：光伏发电；影响因素；电压波动

0 引言

分布式发电(Distributed Generation ，DG)技术是未来世界能源技术发展的重要方向，它具有能源利用效率高、环境负面影响小、提高能源供应可靠性和经济效益好的特点[1]。尤其对人口众多、资源有限的国家来说，分布式发电技术更是可持续发展战略的必然选择。分布式电源的种类很多，既有风力发电、燃气发电，也包含了光伏发电、燃料电池等逆变型的电源。其中，太阳能光伏发电(Photovoltaic ，PV)以绿色无污染、资源丰富、建造灵活等特点越来越得到人们的广泛关注[2]。目前，光伏电源多以接入配电网运行为主。光伏电源接入配电网时会改变配电网的运行状态，使配电网由一个无源网络变为有源网络，这种变化将对配电网的电压质量产生一定的影响[3]，而提供给用户优质的电能是电力系统的最终目的，因此光伏电源对用户供电质量的影响及如何通过光伏电源改善用户供电质量也是推动光伏发电发展的重要研究方向和关键课题。以往为了将光伏电源并网运行对配电网的影响降到最低，通常要求该类电源不参与系统电压调节，同时对系统发生故障后光伏电源的切除时间进行了详细规定。但是，这样制约了光伏电源抑制电压能力

的发挥。因此，本文中将不考虑上述，通过算

例仿真的方式详细分析了光伏电源容量不同、控制策略不同、是否参与电压调节等条件下对配网电压的影响，以期为设计光伏发电的控制保护系统以及制定光伏并网规程提供参考。

1 光伏发电对配网电压影响的理论分析

低压配电网结构通常呈放射状[4]，含光伏电源的低压配电网的结构如图1

所示。

图1 含光伏电源的低压配网结构图

相对与配电网中的其他节点来讲，光伏电源对其并入点的冲击是最大的，因此选择光伏接入点做为电压变化的评估点。带有光伏电源的系统在接入点上的等效电路如图2

所示。

图2 光伏接入点处的等效电路

当光伏电源注入系统功率改变时，会使线路上的电流产生△I 的变化。由图2所示等效电路，可简单估算光伏电源输出功率产生波动时，在光伏接入点上的电压变化值为：

)sin cos cos (sin )sin sin cos [(cos )sin (cos )sin (cos )()(2θφθφθφθφθθφφ+⋅−Δ⋅=+Δ⋅+=Δ+Δ+=Δ⋅j U

S S U j I j Z Iq j Ip jX R U k S S S

式中： △S 为光伏电源的注入功率变化；

S k 为光伏电源接入点处短路容量；

()S S S jX R Z += 为电网等效阻抗；

△I 为线路电流变化量；

θ为光伏电源功率因数角；

φ为从光伏接入点看入的电网阻抗角；

U 为光伏接入点电压。

通常线路两端的相位移并不大，因此光伏接入点的垂直分量忽略不计，以水平分量来近似等效该处的电压。以此计算PCC 处相对电压变化率为

%

100)

cos(×+Δ=Δ=

k S S U U d φθ

由上述分析，光伏电源对配电系统的电压影响

与3个因素有关：注入功率的变化、所并入系统的短路容量及分布式电源的功率因数。

典型的光伏电池伏伏瓦特性如图3

所示。

图3 光伏电池输出特性

由图3可见，光伏电池出力与光照强度、温度等关系很大，并且是非线性的，这种几乎完全依赖天气条件的发电方式，使得光伏发电注入功率具有不确定性，这是造成配电系统电压波动的主要原因。

光伏并网运行虽然从理论上增加了系统短路容量，对电网电压波动有一定的抑制作用，但由于光伏发电使用了逆变装置，虽然理论上它的短路阻抗很低，但是通常逆变器的最大电流仅为其额定电流的1.5-2倍，故而它向系统提供的短路电流要远小于同步机等旋转型设备提供的短路电流[5]，所以光伏并网发电对系统短路容量的因素暂时不予考虑。

为了提高太阳能的利用效率，目前大部分光伏发电系统都采用了最大功率跟踪控制，即通过改变整个光伏系统的阻抗，使光伏系统始终处于功率输出最大值[6]，最大功率跟踪控制能够保证光伏系统工作在功率因数为1的状态，这是与旋转型电源最大的不同之处，同时也是影响配网电压的一个因素；也有少数光伏发电系统采用电压控制，即将分布式光伏电源看作一个电压源，对接入点电压进行跟踪控制，显而易见，该控制模式将对接入点电压产生直接影响。

2 智算例仿真与分析

所采用的算例系统为IEEE 配电网13节点系统[7]

，如图4所示，并在节点13

处接入光伏电源。

图4 IEEE 13节点配电系统

为突出光伏电源的特点，作为对比，其他条件不变，并网点接入同等容量的同步机电源视为情况2，分别对2种情况仿真，仿真参数如表1所示。

表1 两种类型仿真参数

对象 额定容量/MVA

额定功率因数

短路电抗/pu

控制模式

光伏电源 2 0.9 - 定功率因数 同步机

2 1 1.5 最大功率跟踪

配电系统短路容量/分布式电源接入功率）。

图5 电压变化计算与仿真曲线

从图5可看出，在同步机并网情况下，在分布式电源未投入运行至全容量运行时，接入点电压变化将超过5%。而光伏并网逆变器由于可工作在单位功率因数下，其对接入点电压的影响要小于同步机并网的情况，其从空载到满负荷运行，接入点电压变化率仅为2%，符合国家电能质量标准所规定的电压波动范围内。由此可见，配网可接入的光伏电源总容量将会远大于同步并网形式的分布式电源。总体来看，评估方法的计算值与仿真结果基本吻合，可通过电压相对变化率公式来快速估算光伏电源对接入点电压的最大影响，同时也可通过该方法，在规划阶段迅速根据允许电压波动范围初步确定能接入配电系统的分布式光伏电源最大容量。

由计算结果分析，光伏电源相对旋转型分布式电源具有明显的优势。相同容量的光伏电源并网对并网节点的电压影响更小。虽然在天气变化的条件下，光伏发电量不稳定，实际运行时光照的变化一般为渐变过程，电压的波动应小于上述值，不会使并入点电压产生较大变化。另一方面由于其提供的短路电流很小，对配电系统特性改变很小（尤其是城市建筑光伏），不会引起系统稳定、保护全面改变等情况的出现。

采用定功率控制的逆变型光伏电源只能保证光伏电源的最大有功输出，而无法改善配电网内的供电电压质量。如果采用适当的控制策略对并入点电压进行控制，在一定程度上就可以减小配网电压波动问题。采用电压控制相当于将输出有功的部分容量用于了补偿，等效于在接入点并入了静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)，在一定程度上改善了配电网内供电电压质量问题。图6给处6节点接入一个波动性负荷时的电压仿真曲线，分别是：无DG并入情况、同步机型DG

并入情况及光伏电源并入情况。

图6 采用电压控制时的抑制电压波动仿真

采用电压控制之后，电压波动约降低至0.2%，由于短路电流较小的原因，虽然对电压波动的抑制效果没有同步型DG（0.1%）好，但相对于未接入分布式电源的电压波动0.4%，电压质量有了很大改善。同时也可看到，光伏发电采用电压控制并没有达到理想程度，这是因为分布式电源主要目的是发电，然后才是无功补偿，它的无功注入是受到有功发电量和逆变器容量，通过在控制策略中设置限幅单元实现无功注入。对于太阳能光伏发电来说，输出功率波动是难以避免的。要抑制出力波动对配电网供电电压的影响，就需要在配电网内配置储能装置如蓄电池、超级电容器、飞轮等。并且从减少配电网短路容量的角度考虑，不宜专门设置储能节点，而应将储能装置配备在光伏发电单元里[8]，通过一定的控制策略，使用蓄电池来平衡光伏发电系统的波动功率部分。光伏发电与储能相结合的方式，既提高了发电效率，同时对配电系统电压产生的影响也很小，能够更好的发挥分布式发电的优势。

3 结论

本文研究了光伏发电系统的输出特性，建立了光伏电源接入配网的分析模型，并通过理式推导得出了光伏电源影响配网电压质量的三个主要因素。通过与接入同等容量的旋转型分布式电源对比分析，逆变型的光伏电源对并网节点的电压影响要更小。提出光伏发电采用电压控制可在一定程度上改善配电网内供电电压质量问题，主要结论如下：1）光伏电源影响配电网供电电压的三个主要因素：注入功率的变化、所并入系统的短路容量及光伏电源的功率因数。

2）光伏电源可通过适当的控制策略来控制并入点电压，在一定程度上可改善配电网内供电电压质量问题，其改善程度受到有功出力和逆变器容量。

3）要抑制光伏输出功率波动对配电网供电电压影响，可考虑将光伏发电与分布式储能相结合，达到维持稳定发电出力的目的。

参考文献

[1]赵豫，于尔铿．电力零售市场研究(六)分散式发电对电力系统

的影响[J]．电力系统自动化，2003，27(15)： 25-28．[2]王长贵．新能源和可再生能源的现状和展望．太阳能光伏发电

产业发展论坛文集．2003，9：4-9．

[3]梁才浩，段献忠．分布式发电及其对电力系统的影响[J]．电

力系统自动化，2001，6(12)：53—56．

[4]王志群，朱守真，周双喜等．分布式发电对配电网电压分布的

影响[J]．电力系统自动化，2004，28(16)：56-60．[5]裴玮，盛鹍，孔力等．分布式电源对配网供电电压质量的影响

与改善[J]．中国电机工程学报，2008，28(13)：152-157．[6]王长贵，王斯成．太阳能光伏发电实用技术．北京：化学工业

出版社，2005，6．

[7]IEEE Distribution Planning Working Group．Radial distribution

test feeders[J]．IEEE Transactions on Power Systems，1991，6(3)：975-985

[8]唐西胜，齐智平．光伏系统中超级电容器蓄电池有源混

合储能方案的研究[J]．电工电能新技术，2006，27(3)：37-41．

作者简介：

李燕青（1967-），男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为智能电网、在线监测与故障诊断、电力系统规划与可靠性、高电压技术等。Email：hdlyq@ncepu.edu.cn．王达（1984-），男，河北石家庄，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电力系统城网优化规划。Email：240000734@qq.com。

杨慢慢（1985-），女，河北石家庄，汉族，硕士研究生，主要研究方向为智能电网。Email：yangmanman1@163.com。

分布式光伏发电对配电网电压的影响分析

作者：李燕青， 王达， 杨慢慢

作者单位：华北电力大学电气工程学院,保定,071003本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Conference_73662.aspx