分布式光伏电源对配电网电压的影响与改善_许正梅

第 27 卷第 10 期2011 年 10 月电 力 科 学 与 工 程Electric Power Science and EngineeringVol. 27， No.10Oct．， 2011 1分布式光伏电源对配电网电压的影响与改善许正梅 ， 梁志瑞 ， 苏海峰 ， 陈 浩（ 华北电力大学 电气与电子工程学院 ， 河北 保定 071003）摘要 ： 首先分析分布式光伏电源接入配电网的控制原理 ， 建立了分布式光伏电源接入配电网的仿真模型 ，从理论上分析了影响光伏出力的因素 ： 太阳辐照度 、 温度 ， 得出太阳辐照度是影响光伏出力的主要因素 。基于实际太阳辐照度的变化情况 ， 仿真研究 1 天中光伏出力随辐照度变化对电压的影响 ， 并提出采用分布式光伏电源与静止型无功补偿装置复合调节来改善电压质量的措施 。关键词 ： 分布式光伏电源 ； 配电网 ； 太阳辐照度 ； 电压中图分类号 ： TM74 文献标识码 ： A收稿日期 ： 2011 － 07 － 15。作者简介 ： 许正梅 （ 1986 － ） ， 女 ， 硕士研究生 ， 研究方向为分布式光伏电源接入配电网对电能质量的影响 ， E-mail：xuzhengmei86@126． com。0 引 言随着能源问题日益紧迫 ， 世界各国开始高度重视新能源的开发及其相关技术的研究 ［ 1 ～ 3］ 。 分布式光伏电源 （ distributed photovoltaic， PV） 作为新能源的一种 ， 其工作特点是 ： 通过逆变器将光伏阵列产生的直流电转换成与电网同频同相的交流电 ， 经隔离或升压变压器接入配电网 。 PV 有着传统能源不可比拟的优点 ， 但由于光照的不确定性 ， 接入电网后不可避免会对电网的电压质量造成影响 ［ 4］ 。目前 ， 各国对 PV 并网的研究集中在对大系统运行 、 同 步 、 稳 定 等 方 面 的 冲 击 和 影 响 ［ 5 ～ 7］ ，中小容量并入低压配电网对继电保护 、 电压稳定性影响 ［ 8 ～ 10］ 等方面 ， 对 PV 并网后引起电压波动 、电压越限等电能质量问题尚缺少透彻的分析 。 文献 ［ 11］ 研究了不同类型的分布式发电接入配电网对静态电压稳定指标的影响 ， 但针对光伏电源输出功率 的 不 确 定 性 没 有 进 行 深 入 分 析 ； 文 献［ 12］ 对 PV 接入配电网引起电压变化的机理进行分析 ， 说明 PV 不同容量 、 不同位置接入时对电网电压的影响 ， 但没有考虑光伏出力的影响因素 。日本一项数据显示因日照原因引起的分布式光伏电源输出的功率变化率最大可达分布式光伏电源容量的 18% 左右 ， 可见太阳辐照度对光伏出力的影响不容忽视 。本文采用电压源输入电流源输出的控制方式 ，建立了 PV 接入配电网的 Matlab 仿真模型 ， 分析了太阳辐照度变化与电网电压波动之间的间接因果关系 ， 仿真研究了光照变化引起电压波动和电压越限问题 ， 提出采用 PV 与静止型无功补偿装置 （ Static Var Compensator， SVC） 复合调节来改善电压质量的措施 。1 分布式光伏并网系统的组成及控制原理光伏发电分为 2 种并网形式 ： 一是通过中高线路接入 输 电 网 ； 二 是 经 过 低 压 线 路 接 入 配 电网 ［ 12］ 。 其中第 2 种多是农村屋顶光伏电或城市小规模建筑光伏电源 ， 即分布式光伏电源 （ distribu-ted photovoltaic， PV） 。 PV 并网系统主要由光伏阵列 、 逆变器 、 变压器和控制系统等组成 ， 其结构如图 1 所示 。图 1 分布式光伏并网系统Fig ． 1 Structure of the grid- connected PV由于对分布式光伏电源性能要求不同 ， 能量2 电 力 科 学 与 工 程 2011 年传输与变换的控制方式也有多种 。从输入角度看 ， 光伏逆变系统可以等效为 2种形式 ： 电流源型和电压源型 。 前者 ， 在直流侧串联大电感以储存无功功率 ， 并提供稳定的直流输入 ， 但串入大电感会影响系统动态响应的速度 ，实际中应用很少 ； 后者采用电容作为储能元件缓冲无功功率 ， 在世界范围内应用广泛 。从输出角度看 ， 并网逆变器的输出控制模式同样有电压型和电流型 2 种 。 在电压型模式中 ，并网逆变器对电网呈现低阻抗特性 ， 其输出的是标准正弦脉宽调制信号 ， 并网电流和输出电源的质量完全取决于电网电压 ； 而在电流型模式中 ，并网逆变器呈现出高阻抗特性 ， 输出电流是受控量 ， 它的质量受到电网电压的影响较少 ， 采用这种模式 ， 可以减小电网电压的扰动对输出电流的影响 ， 改善输出电流的质量 ， 应用较多 。本系统采用最普遍的电压源输入 、 电流源输出的控制方式建立光伏并网的仿真模型 。2 分布式光伏电源并网模型的建立光伏出力的多少直接影响馈线的潮流 ， 从而影响电压分布 。 为分析 PV 接入典型配电网对电压的影响 ， 选 IEEE 标准算例的一条 10 kV 馈线 ，建立了如图 2 所示的配电网模型 ， 线路上共有 6个负荷接入 ， 最大功率运行时各个负荷点的功率 、节点之间距离及各个负荷点到干线的距离在图中均已标出 ， 干线单位阻抗为 0. 2 + j0. 4 Ω /km， 分支线路单位阻抗为 0. 65 + j0. 4 Ω /km 。 负荷 5 安装有分布式光伏电源 。图 2 配电系统单线图Fig ． 2 Single line figure of distribution system基于图 2 所示配电网 ， 采用简单的 PI 控制策略 ， 建立了分布式光伏电源接入配电网的模型如图 3 所示 ， 控制原理如图 4 所示 。3 光照引起的光伏出力变化对电压影响的仿真分析当外界条件一定时 ， 光伏阵列的输出功率随着负载的变化而变化 ， 当负载阻抗与光伏阵列的内阻抗匹配时 ， 光伏出力最大 ， 通过最大功率跟踪技术控制光伏阵列可以使其工作在最大功率点 。 由光伏阵列输出特性知 ， 光伏输出的最大功率受太阳辐照度和温度的影响 ［ 13］ 。 假设 1 天中温度保持不变 ，在温度一定的情况下 ， 光伏出力随太阳辐照度的上升而增大 ， 随太阳辐照度的下降而减小 。某市 7 月份某日太阳辐照度变化和光伏阵列实测输出功率如图 5， 图 6 所示 ［ 14］ 。第 10 期 许正梅 ， 等 分布式光伏电源对配电网电压的影响与改善 3由图 5， 图 6 可知 ： PV 光伏阵列直流侧最大输出功率随辐照度的波动而出现类似的波动 ， 光伏阵列输出功率最大值出现在 13∶ 00 左右 ， 对应的辐照度为 1 195.1 W/m 2， 功率输出达到 143.5 kW。同时 ， 对应辐照度的较大波动 ， 光伏电站单位时间内 （ 即 1 min） 直流侧输出功率最大跌幅可达 32.7 kW，约为最大输出功率的 23%。 PV 的输出功率直接影响线路的潮流 ， 从而影响线路电压分布 。以图 2 系统为算例进行仿真分析 ， 图 7 所示为无光伏接入的情况 ， 位于线路典型位置 （ 线路首端 ， 线路末端及光伏接入点 ） 24 h 电压的分布 ，由图 7 可知 ， 随着负荷的变化 ， 1 天中电压并不能保持恒定 ， 而且会有极值出现 （ 电压极小值为378. 2 V， 极大值为 395. 7 V） ， 但均满足电压偏差的要求 。图 7 无光伏发电时负荷点电压随时间的变化曲线Fig ． 7 Voltages of one day without any PVgeneration图 8 显示了光伏接入后 ， 1 天不同太阳辐照度时 ， 位于线路典型位置的负荷电压分布 。图 8 有光伏发电时用户日电压随时间的变化曲线Fig ． 8 Voltages of one day with PV generation of user由图 8 可知 ， 夜晚 ， 太阳辐照度为 0， 光伏输出的有功功率为 0， 若不改变运行方式 ， 调节无功功率 ， 不能起到提升电压的作用 ； 白天 ， 随着太阳辐照度的增强 ， PV 的输出功率增大 ， 线路电压受到明显提升 ， 1 天中电压的极值分布也发生变化 ， 由接入前 9∶ 00 （ 负荷高峰 ） 时的 378. 2 V上升至 379. 5 V， 且极小值出现在 19∶ 30 左右 ， 避开了负荷高峰期 。 对于负荷高峰期 ， 由于 PV 的电压提 升 作 用 ， 负 荷 点 L1， L6 的 电 压 都 保 持 在384. 6 ～ 401. 2 V 范围内 ， 能够保证良好的电压质量 。 但对于 L5 ， 随着太阳辐射强度的增强 ， 光伏出力增大致使电压过高 ， 中午 13∶ 00 时刻电压达408. 75 V， 超过电压规定最高限值 ， 此时必须采取一定措施 ， 来降低该负荷点电压 。 此外 ， 17∶ 00时 ， 太阳辐照强度迅速降低 ， PV 输出功率急剧减小 ， 使电压降落很快 ， 单位时间内电压下降幅度达 5. 51% ， 引起严重的电压降落 ， 这种情况也可能导致电压越限 。当太阳辐照度出现波动时 ， PV 输出功率呈现出类似太阳辐照度波动的变化趋势 ， 引起线路电压的波动与闪变 。 PV 接入配电网后 ， 由于出力的波动引起的负荷点 5 的电压波动如图 9 所示 。图 9 发生电压波动和闪变时的电压波形Fig ． 9 Voltage waveform when voltage fluctuationand flicker happened4 防止电压波动和电压越限的措施由于 PV 既可以发出有功功率 ， 也可以发出无功功率 ； SVC 可以动态调节无功功率 。 因此 ，可以通过 PV 与 SVC 共同进行无功调节来改善电压质量 。图 10 所示为采用 PV 与 SVC 共同进行无功功率调节抑制电压波动后的负荷点 5 电压波形 。 由图 10 可知 ， 通过 PV 与 SVC 复合调节可以有效抑制该负荷点的电压波动 。当 PV 作为电源退出电网运行时 ， 为防止原PV 接入点电压失去支撑而造成电压降落过大 ， 此时在接入点处采用 SVC 来支撑线路电压 。 如图 11中曲线 2 所示 ， 当装在负荷 5 的 PV 退出运行后 ，造成负荷 5 的电压降落过大 ， 不利于电网的安全运行 。 这时 ， 可通过在负荷 5 接入的 SVC 进行电4 电 力 科 学 与 工 程 2011 年图 10 抑制电压波动和闪变后节点电压波形Fig ． 10 Voltage waveform when voltage fluctuationand flicker were held-up压调节 。 SVC 发出感性无功功率 ， 对线路电压起支撑作用 ， 使线路各节点电压均满足供电电压偏差要求 ， 如图 11 中曲线 1 所示 。图 11 SVC 投入前后负荷点 5 的日电压分布Fig ． 11 Voltages of Load 5 in one day before and afterSVC put into operation当太阳辐照度高 ， PV 输出功率较大时 ， 为防止 PV 接入点电压升高过多 ， 通过改变 PV 的运行方式和调节 SVC 来调整电压 ， 使其不超过电压上限 。综上可知 ， 通过 PV 与 SVC 复合调节可以有效地解决由于太阳辐照度变化引起分布式光伏电源低出力或退出运行 （ 或过高功率运行 ） 时引起的配电线路电压波动和电压越限问题 。5 结 论通过理论和仿真分析得出 ， PV 接入配电网引起电压波动和电压越限的主要原因是太阳辐照度的变化 。 周围环境温度一定时 ， 太阳辐照度越强 ，光伏电源的输出功率越大 ， 对电网电压的抬升作用越大 ， 光伏接入点的电压就可能超出限值 ， 随着太阳辐照度的逐渐减弱 ， 光伏电源的输出功率减小 ， 电网电压下降 。 由于太阳辐照度变化引起PV 出力波动或退出 （ 或过高功率 ） 运行时会引起配电线路电压波动和电压越限 。通过 PV 与 SVC 复合式调节 ， 使线路上所传输的无功功率可以由 PV 和 SVC 共同提供 ， 也可以由 SVC 单独提供 ， 这样在 PV 并网和退出运行时可以保证线路各节点电压均满足供电电压偏差要求 ， 同时有效地抑制了电压波动 ， 解决了电压越限问题 。参考文献 ：［ 1］ 赵为 ． 太阳能光伏并网发电系统的研究 ［ D］ ． 合肥 ：合肥工业大学 ， 2003．［ 2］ 王博 ， 李安 ， 向铁元 ， 等 ． 三相光伏并网系统的运行控制研究 ［ J］ ． 电力科学与工程 ， 2011， 27 （ 1） ： 5 － 10．Wang Bo， Li An， Xiang Tieyuan， et al ． Research onthree-phasegrid-connectedphotovoltaicoperation［ J］ ． E-lectric Power Science and Engineering， 2011， 27（ 1） ： 5 － 10．［ 3］ 赵平 ， 严玉廷 ． 并网光伏发电系统对电网影响的研究 ［ J］ ． 电气技术 ， 2009，（ 3） ： 41 － 44．Zhao Ping， Yan Yuting ． Research on effect of grid- con-nected photovoltaic systemon powergrid ［ J］ ． ElectricalTechnology， 2009，（ 3） ： 41 － 44．［ 4］ 梁有伟 ， 胡志坚 ， 陈允平 ． 分布式发电及其在电力系统中 的 应 用 研 究 综 述 ［ J］ ． 电 网 技 术 ， 2003， 27（ 12） ： 71 － 75， 88．Liang Youwei， Hu Zhijian， Chen Yunping ． A survey ofdistributed generation and its application in power system［ J］ ． Power System Technology， 2003， 27 （ 12 ） ：71 － 75， 88．［ 5］ 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．Liang Caihao， Duan Xianzhong ． Distributed generationand its impact on power system［ J］ ． Automation of E-lectric Power Systems， 2001， 6 （ 12） ： 53 － 56．［ 6］ Caire R， Retierc V， Martino S， et al ． Impact assess-ment of LV distributed generationon MV distribution net-work ［ C］ ． In Proceedingsof 2002 IEEE Power Engi-neering Society SummerMeeting， 2002． 1423 － 1428．［ 7］ Conti S， Raiti S， Tma G． Small-scale embeddedgener-ation effect on voltage profile： an analytical method ［ J］ ．IEG Proceedingof Generation Transmissionand Distribu-tion， 2003， 150 （ 1） ： 78 － 86．［ 8］ Fontela M， EnacheanuB， Andrieu C， et al ． On the useof distributed generationto increase EPS robustness［ C］ ．第 10 期 许正梅 ， 等 分布式光伏电源对配电网电压的影响与改善 52005 IEEE Power Engineering Society General Meeting，San Francisco， United States， 2005． 2991 － 2998．［ 9］ 陈海炎 ， 段献忠 ， 陈金富 ． 分布式发电对配网静态电压稳定性的影响 ［ J］ ． 电网技术 ， 2006， 30 （ 19） ：27 － 30．Chen Haiyan， Duan Xianzhong， Chen Jinfu ． Impacts ofdistributedgeneration on steady state voltage stability ofdistribution system ［ J］ ． Power System Technology，2006， 30 （ 19） ： 27 － 30．［ 10］ 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．Wang Zhiqun， Zhu Shouzhen， Zhou Shuangxi， et al ．Impacts of distributed generation on distribution systemvoltage profile ［ J］ ． Automation of Electric Power Sys-tems， 2004， 28 （ 16） ： 56 － 60．［ 11］ 许晓艳 ， 黄越辉 ， 刘纯 ， 等 ． 分布式光伏发电对配电网电压的影响及电压越限的解决方案 ［ J］ ． 电网技术 ， 2010， 34 （ 10） ： 140 － 146．Xu Xiaoyan， HuangYuehui， Liu Chun， et al ． Influenceof distributedphotovoltaicgenerationon voltagein distribu-tion network and solution of voltage beyond livnits ［ J］ ．PowerSystemTechnology， 2010， 34 （ 10） ： 140－ 146．［ 12］ 周德佳 ， 赵争鸣 ， 吴理博 ， 等 ． 基于仿真模型的太阳能光伏电池阵列特性的分析 ［ J］ ． 清华大学学报（ 自然科学版 ） ， 2007， 47 （ 7） ： 1109 － 1112， 1117 ．Zhou Dejia， ZhaoZhengming， Wu Libo， et al ． Analy-sis characteristics of photovoltaic arrays using simulation［ J］ ． Journal of Tsinghua University （ Science andTechnology） ， 2007， 47 （ 7） ： 1109 － 1112， 1117．［ 13］ 赵争鸣 ， 刘建政 ， 孙晓瑛 ， 等 ． 太阳能光伏发电及其应用 ［ M］ ． 北京 ： 科学出版社 ， 2005． 98 － 100．［ 14］ 马胜红 ， 陆虎俞 ． 太阳能光伏发电技术 ［ J］ ． 大众用电 ， 2006，（ 4） ： 40 － 43．Ma Shenghong， Lu Huyu． Photovoltaic generationtech-nology 4： energystoragebattery ［ J］ ． Popular Utiliza-tion of Electricity ， 2006，（ 4） ： 40 － 43．Impact and Improvement of Distributed Photovoltaic on DistributionNetwork VoltageXu Zhengmei ， Liang Zhirui ， Su Haifeng ， Chen Hao（ School of Electrical and Electronic Engineering， North China Electric Power University， Baoding071003， China）Abstract ： The control principle of photovoltaic （ PV） grid-connectedsystem was analysed， and the Matlab simu-lation model of PV grid-connectedwas built up． Theory analysis shows that both solar irradiance and temperatureare the factors which impact the output powerof PV ， and the voltage fluctuation causedby solar irradiance fluctua-tion is the main reasonof voltage fluctuation and voltage exceeding ．Based on the solar irradiance changes of oneday， the impact on grid voltage when the output of PV changeswas simulated， and simulation result showsthe va-lidity of the conclusion ．Finally， the measuresthat PV and static var compensator（ SVC） are togetherused to im-prove the voltage quality were presentedand the effectivenessof the measuresis verified by simulation ．Key words ： distributed photovoltaic； distributed network； solar irradiance； voltage