黃 勁，王曉文，張明理，潘星辰

（1.沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015）

對(duì)可再生能源的開發(fā)主要分為集中式和分布式。分布式電源具有離負(fù)荷近、裝機(jī)容量較小、便于就地消納的特點(diǎn)。由于分布式光伏的上述優(yōu)點(diǎn)，所以它已成為可再生能源開發(fā)利用的一種重要發(fā)電方式。為了解決分布式光伏接入后的配網(wǎng)接納問題，保證大規(guī)模分布式光伏的充分利用，主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)就是有效途徑之一［1-3］。主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)對(duì)于合理利用清潔能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，減少分布式光伏對(duì)配電網(wǎng)的不良影響，提高分布式光伏的接入能力具有顯著意義。

本文闡述了分布式光伏接入帶來的問題，對(duì)分布式光伏進(jìn)行建模研究，分析了分布式光伏接入主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓特性，利用PSCAD、EMTDC 仿真軟件分析了分布式光伏接入主動(dòng)配電網(wǎng)的能力和影響分布式光伏接入能力的主要因素。

1 分布式光伏接入帶來的問題

1.1 電壓分布問題

接入分布式光伏后，配電網(wǎng)便成為一個(gè)多電源結(jié)構(gòu)，所以潮流大小、方向也會(huì)隨之發(fā)生變化，同時(shí)對(duì)電壓特性也會(huì)產(chǎn)生影響，造成電壓不穩(wěn)定以及電壓分布發(fā)生變化［4-5］。

1.2 分布式光伏的接入容量問題

隨著分布式光伏大規(guī)模接入主動(dòng)配電網(wǎng)，分布式光伏的接入最大容量成了主動(dòng)配電網(wǎng)面臨的主要問題之一，安全合理的接入最多的分布式光伏也是當(dāng)今研究的一大趨勢(shì)［6］。

2 分布式光伏系統(tǒng)建模研究

光伏電池的等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

對(duì)于理想的光伏電池，當(dāng)條件恒定時(shí)，可以等效成為一個(gè)恒流源。由圖1 可得出光伏電池的輸出特性為

式中，Iph為給定光強(qiáng)下的短路電流。

式中，Isc為標(biāo)準(zhǔn)條件下（Tref=25 ℃，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2）的短路電流；參數(shù)αT為在參考日照下的電流變化溫度系數(shù)。

式中，Irs為額定溫度條件下二極管反向飽和電流；n為二極管影響因子；Eg為光伏電能帶寬度；q為電荷常數(shù)，通常為1.60×10-19；k為波爾茲曼常數(shù)，通常為1.38×10-23。

在實(shí)際建設(shè)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于單個(gè)太陽能電池或組件的輸出功率較小，因此需將單個(gè)太陽能電池或組件通過串并聯(lián)形成光伏陣列，以滿足大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電需求。由Nc個(gè)組件串聯(lián)，Nb個(gè)組件并聯(lián)的光伏陣列的電流特性方程為

由式（4）、（5）可以看出：光伏陣列輸出的電流I與輸出的功率P、輸出電壓V有關(guān)。

目前已并網(wǎng)發(fā)電的大型光伏電站均采用不可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。不可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器及連接組件等組成，其示意圖如圖2所示。

圖2 不可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)

3 含分布式光伏的主動(dòng)配電網(wǎng)電壓特性研究

以圖3 所示的簡單主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究分析電壓特性。

圖3 含分布式光伏的主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)電源作用下線路的電壓降落

在系統(tǒng)電源單獨(dú)作用時(shí)，主動(dòng)配電網(wǎng)線路中任意j點(diǎn)的電壓降表示為

式中，△Usj-為由任意點(diǎn)j之前的負(fù)荷造成的電壓降；△Usj+是由任意j點(diǎn)后的負(fù)荷帶來的電壓降。

可得

最后可得到配電網(wǎng)線路的電壓降：

式（9）表示的是系統(tǒng)電源作用下的j節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)電源點(diǎn)之間的電壓降落。

3.2 分布式光伏獨(dú)立作用下電壓降落

分布式光伏單獨(dú)作用時(shí)，先將主動(dòng)配電網(wǎng)的系統(tǒng)電源側(cè)短路，同時(shí)線路阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)荷阻抗，所以電壓降主要表現(xiàn)在分布式光伏接入點(diǎn)到系統(tǒng)電源之間（i之前）；而對(duì)于i點(diǎn)之后的線路，對(duì)電壓降落沒有直接影響，但由于分布式光伏的接入，可能間接的抬高電壓，設(shè)分布式光伏引起的電壓降落為負(fù)，則有

所以，分布式光伏的接入一定會(huì)使配電網(wǎng)接入點(diǎn)處的電壓得到抬升。

3.3 分布式光伏和系統(tǒng)電源共同作用下的電壓計(jì)算

根據(jù)疊加定理得：

簡單配電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓降為

若設(shè)此簡單主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)的端電壓為u0，則線路中任意j點(diǎn)的電壓為

從式（12）可知，電壓分布與接入位置i、接入容量等有關(guān)，由于功率因數(shù)決定了有功無功比例，所以它也是影響因素之一。

3.4 不同接入位置的主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓分布

將式（12）進(jìn)行簡化，得到式（13），其中節(jié)點(diǎn)i為分布式光伏的接入點(diǎn)。

令X=(RPi+XQi)/UN，Y=(RPDG+XQDG)/UN。

以節(jié)點(diǎn)j的位置為變量，對(duì)式（13）進(jìn)行具體的分析：

1）當(dāng)j∈[1,i]，即分布式光伏在負(fù)荷之后時(shí)，可將ΔUj=j/2(2N-j+1)X-jY整理得

式（14）是關(guān)于j的二次函數(shù)，將此函數(shù)的數(shù)學(xué)意義結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析可知，△Uj是單調(diào)遞增的，當(dāng)負(fù)荷所需功率大于分布式電源發(fā)出功率時(shí)，分布式光伏接入位置電壓為前段線路的最低點(diǎn)，所以系統(tǒng)電壓呈遞減趨勢(shì)。

2）當(dāng)j∈[i+1,N]，即分布式光伏在負(fù)荷和發(fā)電機(jī)中間時(shí)，可將ΔUj=j/2(2N-j+1)X-iY整理得

由二次函數(shù)的意義可知，函數(shù)單調(diào)遞增，分布式光伏接入會(huì)使電壓最大值得以抬升，所以系統(tǒng)電壓最高點(diǎn)在分布式光伏接入點(diǎn)處，在線路末端系統(tǒng)電壓最低，系統(tǒng)電壓呈先升高再降低的趨勢(shì)。

3.5 不同功率因數(shù)主動(dòng)配電網(wǎng)的電壓分布

功率因數(shù)cosφ主要決定有功和無功的接入比例，以圖3 所示的簡單主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)為例，以相同容量不同功率因數(shù)在i點(diǎn)接入分布式光伏，研究其電壓分布，i節(jié)點(diǎn)與i-1節(jié)點(diǎn)間的電壓降落可以表示為

由式（16）可知，當(dāng)分布式光伏只發(fā)出有功或發(fā)出有功和容性無功時(shí)，△Ui變小，令接入點(diǎn)i電壓上升，若分布式光伏發(fā)出功率大于負(fù)荷功率，會(huì)產(chǎn)生功率逆流，致使i節(jié)點(diǎn)電壓抬升；若分布式光伏輸出有功功率但吸收感性無功功率時(shí)，△Ui的正負(fù)號(hào)不能確定，所以電壓可能會(huì)減少，也可能會(huì)增大，這主要由分布式光伏和線路負(fù)荷的有功無功分布情況以及線路上X、R的關(guān)系決定［7-10］。

4 考慮電壓越限分布式光伏接入能力

4.1 影響接入能力的因素

大規(guī)模分布式光伏接入后，會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，電壓越限是限制分布式光伏接入容量的重要因素。同時(shí)，國家電網(wǎng)公司的光伏并網(wǎng)規(guī)定對(duì)并網(wǎng)光伏電站的輸出電能質(zhì)量做出了明確要求，所以電能質(zhì)量也是影響分布式光伏接入能力的因素。因此，凡是影響分布式光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素都決定了分布式光伏的接入能力［11-12］。

4.2 仿真分析

選取朝陽市金杖子66 kV 變電站作為仿真實(shí)例。金杖子變電站的負(fù)荷性質(zhì)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活用電負(fù)荷。變電站規(guī)模為兩臺(tái)20 MVA 主變壓器，配備長達(dá)20 km 的10 kV 電源線路，導(dǎo)線型號(hào)采用LGJ-240。電壓檢測點(diǎn)為3 個(gè)，1#測點(diǎn)在光伏接入端口10 kV 母線處，2#測點(diǎn)在距臺(tái)區(qū)15 km處，3#測點(diǎn)在距離臺(tái)區(qū)10 km 處。變電站系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 朝陽市金杖子66 kV變電站系統(tǒng)

當(dāng)負(fù)荷輕載，光伏電站輸出功率為1 MW 時(shí)，仿真結(jié)果如表1 所示。通過仿真結(jié)果可以看出，10 kV 母線最高相電壓瞬時(shí)值最大為8.3 kV，光伏電站最高相電壓瞬時(shí)值為0.59 kV。單條10 kV 線路端口電壓瞬時(shí)值比額定電壓高出2%，電壓有效值高出2%。光伏電站出口電壓比額定電壓高5.36%，在出力情況為1 MW 時(shí)，各個(gè)檢測點(diǎn)電壓并沒越限。10 km、15 km、20 km 處的電壓有效值幾乎相同，且為10.2 kV。

表1 功率1 MW光伏電站電壓分析

當(dāng)負(fù)荷輕載，光伏電站輸出功率為6 MW 時(shí)，仿真結(jié)果如表2 所示。通過仿真結(jié)果可以看出，10 kV 母線最高相電壓瞬時(shí)值最大為9.7 kV，光伏電站最高相電壓瞬時(shí)值為0.68 kV。單條10 kV 線路端口電壓瞬時(shí)值比額定電壓高出18.87%，電壓有效值高出17%，光伏電站出口電壓比額定電壓高21.43%?？梢娮冸娬境鼍€為20 km，負(fù)荷均為輕載情況下，光伏出力為6 MW與1 MW時(shí)相比，10 km、15 km、20 km 處的電壓有效值越限情況明顯，其中在20 km 處安裝光伏電站的電壓越限情況最嚴(yán)重，隨著線路地縮短，電壓逐漸降低。由此可見，線路越長對(duì)光伏電源接入越不利。

表2 功率6 MW光伏電站電壓分析

光伏電站輸出功率為6 MW，且20 km 線路所接為綜合負(fù)荷（以5 km、1 MW、0.2 Mvar感性負(fù)荷，10 km、1.5 MW、0.2 Mvar感性負(fù)荷，15 km、1.2 MW、0.2 Mvar 感性負(fù)荷為例），變電站此時(shí)不進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，仿真結(jié)果如表3 所示。通過仿真結(jié)果可以看出，10 kV 母線最高相電壓瞬時(shí)值最大為7.95 kV，光伏電站最高相電壓瞬時(shí)值為0.57 kV。單條10 kV 線路端口電壓瞬時(shí)值比額定電壓低2.57%，比電壓有效值低4%。光伏電站出口電壓比額定電壓高1.79%?？梢娮冸娬境鼍€為20 km，負(fù)荷在4.3 MVar 情況下，與負(fù)荷輕載時(shí)相比，10 km、15 km、20 km處的電壓有效值出現(xiàn)低電壓情況。

表3 綜合負(fù)荷且功率6 MW光伏電站電壓分析

通過仿真結(jié)果可以看出，配電臺(tái)區(qū)光伏接入容量，即臺(tái)區(qū)允許光伏出力大小由諸多因素決定，與潮流變化、線路長短、臺(tái)區(qū)無功補(bǔ)償量以及負(fù)荷特性等因素均有關(guān)系。

5 結(jié)論

本文通過提出分布式光伏接入帶來的問題，對(duì)分布式光伏進(jìn)行建模，分析分布式光伏接入后配電網(wǎng)電壓特性，利用PSCAD 軟件仿真研究分布式光伏接入能力，從求取結(jié)果可以看出，各節(jié)點(diǎn)光伏最大接入容量達(dá)到極限值時(shí)，其限制因素主要是滿足系統(tǒng)電壓失穩(wěn)判據(jù)，也就是說系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性是決定光伏電站最大接入容量的主要因素。由此可知，為提高電網(wǎng)所能接納的光伏最大接入容量，需提高電網(wǎng)在穩(wěn)定和擾動(dòng)兩種情況下的電壓穩(wěn)定性。針對(duì)這些問題可采取如下措施以提高電網(wǎng)所能接納的光伏最大接入容量：

1）優(yōu)化光伏接入后系統(tǒng)的運(yùn)行方式與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2）研究新型的光伏并網(wǎng)逆變器及并網(wǎng)控制策略，如并網(wǎng)逆變器控制策略采用并網(wǎng)點(diǎn)電壓恒定控制而非功率因數(shù)控制，為系統(tǒng)電壓穩(wěn)定提供支持。

3）光伏接入容量和出力情況與負(fù)荷性質(zhì)和大小密切相關(guān)，在電壓不越限情況下，負(fù)荷越大，接入的光伏功率越大。為了解決高電壓問題，可以利用主動(dòng)配電網(wǎng)隨時(shí)監(jiān)測線路電壓和負(fù)荷情況，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)光伏出力，以滿足動(dòng)態(tài)電壓的要求。

4）在光伏電站接入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，如SVC、STATCOM等，調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。