分布式光伏電源對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響與改善

1、第27卷第10期2011年10月電力科學(xué)與工程Electric Power Science and EngineeringVol. 27，No. 10Oct，20111分布式光伏電源對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響與改善許正梅，梁志瑞，蘇海峰，陳浩（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003）摘要：首先分析分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的控制原理，建立了分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的仿真模型，從理論上分析了影響光伏出力的因素：太陽(yáng)輻照度、溫度，得出太陽(yáng)輻照度是影響光伏出力的主要因素?；趯?shí)際太陽(yáng)輻照度的變化情況，仿真研究1天中光伏出力隨輻照度變化對(duì)電壓的影響，并提出采用分布式光伏電源與靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置復(fù)合

2、調(diào)節(jié)來(lái)改善電壓質(zhì)量的措施。關(guān)鍵詞：分布式光伏電源；配電網(wǎng)；太陽(yáng)輻照度；電壓中圖分類號(hào)：TM74文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 收稿日期：20110715。作者簡(jiǎn)介：許正梅（1986），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榉植际焦夥娫唇尤肱潆娋W(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響，E-mail ：xuzhengmei86126com 。0引言隨著能源問題日益緊迫，世界各國(guó)開始高度重視新能源的開發(fā)及其相關(guān)技術(shù)的研究1 3。分布式光伏電源（distributed photovoltaic ，PV ）作為新能源的一種，其工作特點(diǎn)是：通過逆變器將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻同相的交流電，經(jīng)隔離或升壓變壓器接入配電網(wǎng)。PV 有著傳統(tǒng)能源不可

3、比擬的優(yōu)點(diǎn)，但由于光照的不確定性，接入電網(wǎng)后不可避免會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電壓質(zhì)量造成影響4。目前，各國(guó)對(duì)PV 并網(wǎng)的研究集中在對(duì)大系統(tǒng)運(yùn)行、同步、穩(wěn)定等方面的沖擊和影響5 7，中小容量并入低壓配電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)、電壓穩(wěn)定性影響8 10等方面，對(duì)PV 并網(wǎng)后引起電壓波動(dòng)、電壓越限等電能質(zhì)量問題尚缺少透徹的分析。文獻(xiàn)11研究了不同類型的分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)的影響，但針對(duì)光伏電源輸出功率的不確定性沒有進(jìn)行深入分析；文獻(xiàn)12對(duì)PV 接入配電網(wǎng)引起電壓變化的機(jī)理進(jìn)行分析，說(shuō)明PV 不同容量、不同位置接入時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響，但沒有考慮光伏出力的影響因素。日本一項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示因日照原因引起的分布式光伏電源

4、輸出的功率變化率最大可達(dá)分布式光伏電源容量的18%左右，可見太陽(yáng)輻照度對(duì)光伏出力的影響不容忽視。本文采用電壓源輸入電流源輸出的控制方式，建立了PV 接入配電網(wǎng)的Matlab 仿真模型，分析了太陽(yáng)輻照度變化與電網(wǎng)電壓波動(dòng)之間的間接因果關(guān)系，仿真研究了光照變化引起電壓波動(dòng)和電壓越限問題，提出采用PV 與靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensator ，SVC ）復(fù)合調(diào)節(jié)來(lái)改善電壓質(zhì)量的措施。1分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的組成及控制原理光伏發(fā)電分為2種并網(wǎng)形式：一是通過中高線路接入輸電網(wǎng)；二是經(jīng)過低壓線路接入配電網(wǎng)12。其中第2種多是農(nóng)村屋頂光伏電或城市小規(guī)模建筑光伏電源，即分布式光伏電源

5、（distribu-ted photovoltaic ，PV ）。PV 并網(wǎng)系統(tǒng)主要由光伏陣列、逆變器、變壓器和控制系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)Fig1Structure of the grid-connected PV由于對(duì)分布式光伏電源性能要求不同，能量2電力科學(xué)與工程2011年傳輸與變換的控制方式也有多種。 從輸入角度看，光伏逆變系統(tǒng)可以等效為2種形式：電流源型和電壓源型。前者，在直流側(cè)串聯(lián)大電感以儲(chǔ)存無(wú)功功率，并提供穩(wěn)定的直流輸入，但串入大電感會(huì)影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度，實(shí)際中應(yīng)用很少；后者采用電容作為儲(chǔ)能元件緩沖無(wú)功功率，在世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛。從輸出角度看，并網(wǎng)

6、逆變器的輸出控制模式同樣有電壓型和電流型2種。在電壓型模式中，并網(wǎng)逆變器對(duì)電網(wǎng)呈現(xiàn)低阻抗特性，其輸出的是標(biāo)準(zhǔn)正弦脈寬調(diào)制信號(hào)，并網(wǎng)電流和輸出電源的質(zhì)量完全取決于電網(wǎng)電壓；而在電流型模式中，并網(wǎng)逆變器呈現(xiàn)出高阻抗特性，輸出電流是受控量，它的質(zhì)量受到電網(wǎng)電壓的影響較少，采用這種模式，可以減小電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)對(duì)輸出電流的影響，改善輸出電流的質(zhì)量，應(yīng)用較多。本系統(tǒng)采用最普遍的電壓源輸入、電流源輸出的控制方式建立光伏并網(wǎng)的仿真模型。2分布式光伏電源并網(wǎng)模型的建立光伏出力的多少直接影響?zhàn)伨€的潮流，從而影響電壓分布。為分析PV 接入典型配電網(wǎng)對(duì)電壓的影響，選IEEE 標(biāo)準(zhǔn)算例的一條10kV 饋線，建立了如圖2

7、所示的配電網(wǎng)模型，線路上共有6個(gè)負(fù)荷接入，最大功率運(yùn)行時(shí)各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的功率、節(jié)點(diǎn)之間距離及各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)到干線的距離在圖中均已標(biāo)出，干線單位阻抗為0. 2+j0. 4/km，分支線路單位阻抗為0. 65+j0. 4/km。負(fù)荷5安裝有分布式光伏電源。 圖2配電系統(tǒng)單線圖Fig2Single line figure of distribution system基于圖2所示配電網(wǎng)，采用簡(jiǎn)單的PI 控制策略，建立了分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的模型如圖3所示，控制原理如圖4所示。3光照引起的光伏出力變化對(duì)電壓影響的仿真分析當(dāng)外界條件一定時(shí)，光伏陣列的輸出功率隨著負(fù)載的變化而變化，當(dāng)負(fù)載阻抗與光伏陣列的內(nèi)阻抗匹

8、配時(shí)，光伏出力最大，通過最大功率跟蹤技術(shù)控制光伏陣列可以使其工作在最大功率點(diǎn)。由光伏陣列輸出特性知，光伏輸出的最大功率受太陽(yáng)輻照度和溫度的影響13。假設(shè)1天中溫度保持不變，在溫度一定的情況下，光伏出力隨太陽(yáng)輻照度的上升而增大，隨太陽(yáng)輻照度的下降而減小。某市7月份某日太陽(yáng)輻照度變化和光伏陣列實(shí)測(cè)輸出功率如圖5，圖6所示14。第10期許正梅，等分布式光伏電源對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響與改善3由圖5，圖6可知：PV 光伏陣列直流側(cè)最大輸出功率隨輻照度的波動(dòng)而出現(xiàn)類似的波動(dòng)，光伏陣列輸出功率最大值出現(xiàn)在13 00左右，對(duì)應(yīng)的輻照度為1195. 1W/m2，功率輸出達(dá)到143. 5kW 。同時(shí)，對(duì)應(yīng)輻照度的較大

9、波動(dòng)，光伏電站單位時(shí)間內(nèi)（即1min ）直流側(cè)輸出功率最大跌幅可達(dá)32. 7kW ，約為最大輸出功率的23%。PV 的輸出功率直接影響線路的潮流，從而影響線路電壓分布。以圖2系統(tǒng)為算例進(jìn)行仿真分析，圖7所示為無(wú)光伏接入的情況，位于線路典型位置（線路首端，線路末端及光伏接入點(diǎn)）24h 電壓的分布，由圖7可知，隨著負(fù)荷的變化，1天中電壓并不能保持恒定，而且會(huì)有極值出現(xiàn)（電壓極小值為378. 2V ，極大值為395. 7V ），但均滿足電壓偏差的要求。 圖7無(wú)光伏發(fā)電時(shí)負(fù)荷點(diǎn)電壓隨時(shí)間的變化曲線Fig7Voltages of one day without any PVgeneration圖8顯示了

10、光伏接入后，1天不同太陽(yáng)輻照度時(shí)，位于線路典型位置的負(fù)荷電壓分布。 圖8有光伏發(fā)電時(shí)用戶日電壓隨時(shí)間的變化曲線Fig8Voltages of one day with PV generation of user由圖8可知，夜晚，太陽(yáng)輻照度為0，光伏輸出的有功功率為0，若不改變運(yùn)行方式，調(diào)節(jié)無(wú)功功率，不能起到提升電壓的作用；白天，隨著太陽(yáng)輻照度的增強(qiáng)，PV 的輸出功率增大，線路電壓受到明顯提升，1天中電壓的極值分布也發(fā)生變化，由接入前9 00（負(fù)荷高峰）時(shí)的378. 2V上升至379. 5V ，且極小值出現(xiàn)在19 30左右，避開了負(fù)荷高峰期。對(duì)于負(fù)荷高峰期，由于PV 的電壓提升作用，負(fù)荷點(diǎn)L 1

11、，L 6的電壓都保持在384. 6 401. 2V 范圍內(nèi)，能夠保證良好的電壓質(zhì)量。但對(duì)于L 5，隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)，光伏出力增大致使電壓過高，中午13 00時(shí)刻電壓達(dá)408. 75V ，超過電壓規(guī)定最高限值，此時(shí)必須采取一定措施，來(lái)降低該負(fù)荷點(diǎn)電壓。此外，17 00時(shí)，太陽(yáng)輻照強(qiáng)度迅速降低，PV 輸出功率急劇減小，使電壓降落很快，單位時(shí)間內(nèi)電壓下降幅度達(dá)5. 51%，引起嚴(yán)重的電壓降落，這種情況也可能導(dǎo)致電壓越限。當(dāng)太陽(yáng)輻照度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，PV 輸出功率呈現(xiàn)出類似太陽(yáng)輻照度波動(dòng)的變化趨勢(shì)，引起線路電壓的波動(dòng)與閃變。PV 接入配電網(wǎng)后，由于出力的波動(dòng)引起的負(fù)荷點(diǎn)5的電壓波動(dòng)如圖9所示。圖9發(fā)

12、生電壓波動(dòng)和閃變時(shí)的電壓波形Fig9Voltage waveform when voltage fluctuationand flicker happened4防止電壓波動(dòng)和電壓越限的措施由于PV 既可以發(fā)出有功功率，也可以發(fā)出無(wú)功功率；SVC 可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無(wú)功功率。因此，可以通過PV 與SVC 共同進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)來(lái)改善電壓質(zhì)量。圖10所示為采用PV 與SVC 共同進(jìn)行無(wú)功功率調(diào)節(jié)抑制電壓波動(dòng)后的負(fù)荷點(diǎn)5電壓波形。由圖10可知，通過PV 與SVC 復(fù)合調(diào)節(jié)可以有效抑制該負(fù)荷點(diǎn)的電壓波動(dòng)。當(dāng)PV 作為電源退出電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為防止原PV 接入點(diǎn)電壓失去支撐而造成電壓降落過大，此時(shí)在接入點(diǎn)處采用SVC

13、來(lái)支撐線路電壓。如圖11中曲線2所示，當(dāng)裝在負(fù)荷5的PV 退出運(yùn)行后，造成負(fù)荷5的電壓降落過大，不利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行。這時(shí)，可通過在負(fù)荷5接入的SVC 進(jìn)行電4電力科學(xué)與工程2011年 圖10抑制電壓波動(dòng)和閃變后節(jié)點(diǎn)電壓波形Fig10Voltage waveform when voltage fluctuationand flicker were held-up壓調(diào)節(jié)。SVC 發(fā)出感性無(wú)功功率，對(duì)線路電壓起支撐作用，使線路各節(jié)點(diǎn)電壓均滿足供電電壓偏差要求，如圖11中曲線1所示。 圖11SVC 投入前后負(fù)荷點(diǎn)5的日電壓分布Fig11Voltages of Load 5in one day bef

14、ore and afterSVC put into operation當(dāng)太陽(yáng)輻照度高，PV 輸出功率較大時(shí)，為防止PV 接入點(diǎn)電壓升高過多，通過改變PV 的運(yùn)行方式和調(diào)節(jié)SVC 來(lái)調(diào)整電壓，使其不超過電壓上限。綜上可知，通過PV 與SVC 復(fù)合調(diào)節(jié)可以有效地解決由于太陽(yáng)輻照度變化引起分布式光伏電源低出力或退出運(yùn)行（或過高功率運(yùn)行）時(shí)引起的配電線路電壓波動(dòng)和電壓越限問題。5結(jié)論通過理論和仿真分析得出，PV 接入配電網(wǎng)引起電壓波動(dòng)和電壓越限的主要原因是太陽(yáng)輻照度的變化。周圍環(huán)境溫度一定時(shí)，太陽(yáng)輻照度越強(qiáng)，光伏電源的輸出功率越大，對(duì)電網(wǎng)電壓的抬升作用越大，光伏接入點(diǎn)的電壓就可能超出限值，隨著太陽(yáng)輻照

15、度的逐漸減弱，光伏電源的輸出功率減小，電網(wǎng)電壓下降。由于太陽(yáng)輻照度變化引起PV 出力波動(dòng)或退出（或過高功率）運(yùn)行時(shí)會(huì)引起配電線路電壓波動(dòng)和電壓越限。通過PV 與SVC 復(fù)合式調(diào)節(jié)，使線路上所傳輸?shù)臒o(wú)功功率可以由PV 和SVC 共同提供，也可以由SVC 單獨(dú)提供，這樣在PV 并網(wǎng)和退出運(yùn)行時(shí)可以保證線路各節(jié)點(diǎn)電壓均滿足供電電壓偏差要求，同時(shí)有效地抑制了電壓波動(dòng)，解決了電壓越限問題。參考文獻(xiàn)：1趙為太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究D 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，20032王博，李安，向鐵元，等三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行控制研究J 電力科學(xué)與工程，2011，27（1）：510Wang Bo ，Li An ，Xian

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