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

资源描述：

第 34 卷第 10 期电网技术 Vol. 34 No. 10 2010 年 10 月 Power System Technology Oct. 2010 文章编号 1000-3673（ 2010） 10-0140-07 中图分类号 TM 615； TM 711 文献标志码 A 学科代码 470· 4051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许晓艳，黄越辉，刘纯，王伟胜（中国电力科学研究院，北京市海淀区 100192 ）Influence of Distributed Photovoltaic Generation on Voltage in Distribution Network and Solution of Voltage Beyond Limits XU Xiaoyan, HUANG Yuehui, LIU Chun, WANG Weisheng China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China ABSTRACT From the viewpoint of voltage drop in power network, the voltage variation mechanism of distribution network before and after the connection of photovoltaic PV generation to distribution network is researched. The influences of connecting single PV generation and multi PV generation to distribution network on voltage of distribution network are analyzed respectively, and the obtained conclusions are as following connecting PV generation to distribution network makes line voltage of distribution network arisen, and the voltage variation at a certain position directly relates to the sum of all loads subsequent to this position and the output of PV generation. The factor influencing voltage variation, such as output power of PV generation, the position where PV generation is connected with, parameters of distribution network, load power and so on. The correctness of above-mentioned analysis is verified by two calculation examples, meanwhile, the measures and schemes to cope with the voltage beyond limits due to connecting single or multi PV generation with distribution network, such as adopting compensation reactor, combining central control of transmission lines with reactor power control of inverters, installing energy storage devices and so on, are put forward. KEY WORDS photovoltaic generation; distributed network; voltage beyond limits; reactive power compensation; energy storage devices 摘要从电网电压降落角度研究光伏发电接入配电网前后电网电压的变化，分别分析单个和多个光伏发电接入对配电网电压的影响，得出了光伏发电接入后将使线路电压升高，且线路某点电压变化趋势与该点后所有负荷大小和光伏发电出力有直接关系的结论，探讨了影响电压变化的各种因素，如光伏出力大小、接入位置、电网线路参数、负荷大小等。基金项目国家博士后科学基金项目 20090450343；国家电网公司科技项目 B11-10-007。通过算例验证了上述分析的正确性，并提出了解决分布式光伏发电引起电压越限的措施和方案，包括电抗器补偿、线路中央控制和逆变器无功控制结合、安装储能装置等。关键词光伏发电；配电网；电压越限；无功补偿；储能装置0 引言随着气候变暖、能源危机问题的日益突出，可再生能源已成为发展趋势，其中太阳能光伏发电是可再生能源利用的重要形式 [1-2] 。根据容量不同，太阳能光伏发电分为 2 种并网形式一是通过中高压线路接入输电网；二是经过低压线路 low voltage ，LV 接入配电网 [3]。其中第 2 种多是农村屋顶光伏发电或城市小规模建筑光伏发电，即分布式光伏发电。由于分布式光伏接入配电网将改变传统配电网的辐射式配电方式，配电网电压管理问题是大规模分布式光伏发电发展的最大挑战之一 [4]。文献 [5] 从电力系统压降角度阐述了单个光伏发电接入对配电网线路电压的影响机理，并考虑到线路不同的负荷分布，给出了不至于引起过电压的可接入光伏容量的公式。文献 [6-7] 研究了不同类型分布式发电技术接入配电网对静态电压稳定指标的影响，得到的结论能指导分布式发电安装位置，其中将光伏发电看作 PV 节点有利于系统静态电压稳定性，且应安装在最薄弱支路处受端，但对于建筑光伏，实际情况是先根据地区光照情况和建筑面积规划光伏发电，再研究其对电网电压的影响。文献 [8] 提出了考虑电压调整约束后的准入功率优化计算模型，以确定不需改变配电网结构和设备前提下分布式发电的准入容量，但在实际电网中，规划DOI10.13335/j.1000-3673.pst.2010.10.021第 34 卷第 10 期电网技术 141 分布式光伏如建筑光伏时并没有考虑电网的情况，但有可能需对电网结构、设备进行调整。文献 [9]提出利用变压器有载调压方式调节因分布式发电接入引起的电压波动，但实际配电网中变压器通常不能进行调压或只能采取无载调压方式。文献 [10]研究了 10 kV 配电网中不同位置接入光伏发电对电压的影响以及能接纳的最大容量，并提出了增加光伏发电容量的措施，包括建立光伏受电电网、光伏发电出力可控、变压器调压和改变用户用电行为。文献 [11] 研究了分布式发电对配电网电压分布的影响，从分布式发电的容量、接入位置说明对电网电压的影响，提出改变变压器分接头适应分布式发电接入后的电压，在分布式发电退出后投入电容器进行电压支撑，或利用调压器进行调节，但在实际运行的配电网中，某些变压器并没有调压能力。本文以配电网 380 V 线路为例，说明分布式光伏发电，如建筑光伏接入对电网电压的影响。对单个光伏发电和多个光伏发电接入配电网电压变化机理进行分析，以指导满足电压偏差时光伏发电接入容量的合理范围，并提出光伏发电容量超出最大值时，保证电压偏差要求需要采取的措施。1 分布式光伏发电对配电网电压的影响分析1.1 单个光伏发电接入的情况图 1 为一个光伏发电接入的典型低压线路负荷分布，线路上带有 N 个用户，第 n 个用户视在功率为 Pn j Qn n 1,2,, N，其中 Pn 的单位为 MW ，线路初始端电压为 U0，设定不变，线路上第 n 户所在位置电压为 Un n 1,2,,N，第 n - 1 个用户和第n 个用户之间线路阻抗为 Rn jXn lnr jx，其中 ln为第 n - 1 和 n 个用户之间线路的长度， r 和 x 分别为单位长度线路的电阻和电抗，用户 p 接入的建筑光伏容量为 PV。1）光伏发电接入前。定义有功功率和无功功率向负载方向流动为正值，反之为负值，忽略线路损耗，光伏发电 PV 接入前，第 m 与第 m - 1 个用户之间压降 [12] 为P1 jQ1P2 j Q2P3 j Q3 Pp j QpPVU0 U1 U2U 3 U5Δ U1 Δ U2 Δ U 3R1jX1R2j X2 UpPN j QNUN图 1 单个光伏发电接入的低压线路负荷分布Fig. 1 Load distribution along a LV line with single PVΔ U m U m- U m- 1 1 1N N N Nn m n m n m n mn m n m n m n mm mP R Q X P rl Q xlU U - - - -∑ ∑ ∑ ∑1 因用户消耗的有功功率 Pn 和无功功率 Qn 均大于 0，故 Δ Um -∑ ∑∑ ∑ 4 由式 4可知，光伏发电接入后对线路电压有一定的提升作用，且提升幅度与线路参数、用户负荷大小、光伏发电出力及其接入位置密切相关。第 m 户和第 m - 1 户之间的电压差为V11 Nn mn mm mmP P rlU U U---- -∑5 当 VNnn mP P∑ ，即 m 户与后面所有用户有功功率之和大于光伏发电容量 PV 时， Um- Um- 1 0，电压升高。用户位于光伏接入点后 p ∑ ∑ ，可以推出 U m - U m- 1 0，即 m 点和 m 点向后所有负荷有功功率之和小于所有光伏发电功率之和时，电压升高。线路上的最高电压视具体项目而定，其值应小于电压偏差规定的最高点压 Umax。2 仿真结果与分析2.1 单个分布式光伏发电接入时线路电压的变化以图 1 系统为算例，线路电压等级为 380 V ，线路型号为 LGJ– 25mm2，线路上共有 8 个用户接入，每个用户消耗的有功功率为 0.001 MW ，消耗的无功功率为 0，每 2 户之间距离为 0.04 km，线路单位长度阻抗为 1.131 j0.393 Ω /km 。用户 4 接有分布式建筑光伏。图 3 为光伏发电出力、接入位置、线路参数和负荷不同时光伏发电接入后线路电压的变化曲线。用户编号a 4 号用户接入不同容量光伏发电后线路各点电压电压/V37003904104302 4 6 8光伏 2 kW光伏 6.5 kW 光伏 50 kW 无光伏光伏 65 kW 光伏 100 kW用户编号b 0.05 MW 光伏发电接入不同用户的线路各点电压电压/V37003904104302 4 6 8接入 4 号用户接入 8 号用户接入 1 号用户用户编号c 线路长度不同时 0.05 MW 光伏发电接入后的线路各点电压电压/V36503803954102 4 6 80.05 km 0.04 km 0.03 km 用户编号d 线路截面不同时 0.05 MW 光伏发电接入后的线路各点电压电压/V37513954053 5 7 9导线截面为 25 mm2导线截面为 35 mm 2385用户编号e 不同负荷时 0.05 MW 光伏发电接入后的线路各点电压电压/V37503853954052 4 6 8负荷为 0.01 MW 负荷为 0.02 MW 负荷为 0.05 MW 图 3 光伏发电出力、接入位置、线路参数和负荷不同时光伏发电接入后线路电压的变化曲线Fig. 3 Line voltage variation after integration of PV generation under different PV outputs, integrated locations, line parameters and loads 第 34 卷第 10 期电网技术 143 由图 3 可得如下结论1）随着光伏发电出力的增加，线路电压较光伏发电接入前升高幅度增加，且呈现逐渐降低接入光伏发电容量为 0.002 MW 时、先降低后升高再降低接入光伏发电容量为 0.006 5 MW 时、先升高后降低接入光伏发电容量为 0.05、 0.065、 0.1 MW 时 3 种变化趋势。光伏发电容量为 0.065 MW 时，接入点电压接近 406 V ，则在不增加补偿设备和改变电网结构的条件下， 4 号用户最大接入光伏发电容量为 0.065 MW 。2）相同容量光伏发电接入位置不同对电压的影响不同。接入位置越接近线路末端，其对电压的提升作用越大。3）线路参数对一定容量光伏发电接入后电压升高幅度有影响。线路越长，导线截面越小，电压升高幅度越大。4）线路负荷大小也对一定容量光伏发电接入后电压升高幅度有影响。负荷越小，电压升高幅度越大。2.2 多个分布式光伏发电接入时线路电压的变化以图 2 为算例说明多个光伏发电接入对电压的影响，基本条件与单个光伏接入算例相同，假设每个用户均建设屋顶光伏，且接入光伏容量相等。图 4 为光伏发电容量不同对线路电压的影响。每个光伏发电容量为 0.006 5 MW 时，末端电压为406 V，达到上限值，即在不改变电网结构的前提下，该线路每户最多接纳光伏电量 0.006 5 MW ， 8 户总共光伏电量为 0.052 MW ；每户光伏容量为 0.01 MW时，用户电压越限。用户编号电压/V3700 3904104302 4 6 8光伏 1 kW 光伏 0.5 kW 光伏 2 kW 光伏 5 kW光伏 6.5 kW光伏 10kW 图 4 不同容量光伏发电分散接入后的线路电压Fig. 4 Line voltages with different PV capacities 图 5 为总容量为 0.05 MW 的光伏发电容量平均分散接入 8 个用户后线路电压变化曲线和集中接入时线路电压变化曲线的比较。由图 5 可以看出，平均分散接入引起的电压升高幅度要低于集中接于线路末端时的电压升高幅度，要高于集中接入线路初始端时的电压升高幅度。用户编号电压/V37003904104302 4 6 88 号用户5 号用户分散接入4 号用户3 号用户1 号用户图 5 总容量为 0.05 MW 的光伏发电分散接入和集中接入不同用户后的电压Fig. 5 Voltages when 0.05 MW PVs are distributed integrated and centralized integrated at different customers 3 分布式光伏发电引起配电网电压越限的解决方案3.1 单个光伏发电接入时的解决方案方案 1 接入点电抗器补偿。图 6a为 2.1 节中 4 号用户接入 0.1 MW 光伏发电引起电压越限时采取电抗器补偿后的线路电压变化曲线。可以看出，补偿电抗器容量为 0.065 Mvar 时，最高点电压为 406 V，线路上所有用户电压亦均满足电压偏差的要求。用户编号a 电抗器补偿电压/V37003904104302 4 6 8无补偿350补偿电抗器容量为 0.065 Mvar用户编号b 逆变器电压控制电压/V37003904104302 4 6 8无补偿350逆变器电压控制图 6 采取不同补偿方案后的线路电压Fig. 6 Line voltags with different compensation schemes 方案 2 逆变器电压控制 [13] 。目前，分布式并网光伏发电中用到的逆变器均以电流源并网，即不控制并网点电压。若使逆变器以电压源并网，即可根据并网点电压调整无功出力，达到控制并网点电压的目的，解决电压越限问题。图 6b为接入 4 号用户 0.1 MW 光伏发电逆变器采取电压源控制方案，并控制并网点电压为上限 1.07 pu 时线路各点的电压曲线。由图 6b可以看出， 4 号母线电压在逆变器的作用下控制在 406 V ，线路其他各点电压均满足电压偏差要求。此时逆变器吸收的无功功率为 0.08 Mvar ，逆变器的功率因数为 0.78，需要较大容量的逆变器才能满足无功功率需求。144 许晓艳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 Vol. 34 No. 10 方案 3 安装储能装置 [14-15] 。通过安装储能装置吸收光伏发电多余电能，并在夜晚或阴雨天气发出电能，解决光伏发电引起的电压越限问题。图 7、 8 分别为 2.1 节中 4 号用户 0.1 MW 光伏发电接入前后 8 个用户在 24 h 内的电压变化曲线，光伏接入后 917 h 期间 4 号用户电压超出 1.06 pu。t/h 电压/pu0.9900.0 4.8 9.6 14.4 24.0用户 1 19.2 用户 2 用户 3 用户 4 用户 5 用户 6 用户 7用户 8 0.9951.000图 7 无光伏发电时用户电压随时间的变化曲线Fig. 7 Voltages of one day without any PV generation t/h 电压/pu1.020.0 4.8 9.6 14.4 24.0用户 1 19.2 用户 2 用户 3 用户 4 用户 5 用户 6 用户 7 用户 8 1.081.140.96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 one PV generation 加入储能装置后线路电压变化曲线如图 9 所示。控制策略为加入储能装置后 917 h 限制光伏发电出力恒为 0.05 MW ，多余出力储存在蓄电池内，并于光伏不发电时间段放出。可见， 24 h 内线路各点电压均在合格范围内。储能、光伏电站以及负荷之间的优化控制策略可根据实际情况进行调整，本文只简要说明储能在控制电压偏差方面的作用。t/h 电压/pu1.0000.0 4.8 9.6 14.4 24.0用户 1 19.2 用户 2 用户 3 用户 4用户 5用户 6 用户 7 用户 8 1.0251.050图 9 装有储能装置的光伏发电接入后用户的日电压Fig. 9 Voltages of one day with one PV generation which has energy storage device 3.2 多个分布式光伏接入时的解决方案采取不同补偿方案后的线路电压见图 10。方案 1 末端补偿电抗器补偿。图 10a为 2.2 节中每户接入 0.01 MW 光伏发电引起电压越限时采取不同容量电抗器补偿后线路电压的变化曲线。可以看出，补偿容量为 0.03 Mvar 时，线路末端电压为 404 V，整条线路上电压都满足国标要求。用户编号a 电抗器补偿电压/V34003804202 4 6 8无补偿300补偿容量为 0.05 Mvar补偿容量为 0.2 Mvar 补偿容量为 0.1 Mvar补偿容量为 0.03 Mvar 用户编号b 采取逆变器控制方案 1 电压/V03803902 4 6 8360370用户编号c 采取逆变器控制方案 2 电压/V04004102 4 6 8380390图 10 采取不同补偿方案后的线路电压Fig. 10 Line voltages with different compensation schemes 方案 2 中央主控逆变器无功功率控制。在线路上装设一套中央控制器，采集线路各用户电压后，按照一定电压控制目标进行算法求解，得出每户逆变器需要吸收的无功功率，再以指令形式发送至每户逆变器执行。如果控制每一点电压均为 1.0 pu，则需要吸收的无功容量较大，因此可控制线路电压按照一定斜率升高，最后一点电压为标准要求的最高电压，且平均每户逆变器吸收无功功率均等。1）逆变器控制方案 1。控制线路各点电压为1.0 pu，以算例说明 2 种控制方案下逆变器的无功需求，采用方案 1 时，每 2 个用户之间的电压差为V 1 V 11 11 0N Nn n m n mn m n mm mmP P R Q XU U U - - - ∑ ∑11 由式 11可得 V 1 V 11 1 N Nn n m n mn m n mP P R Q X - ∑ ∑0。计算得到每个逆变器应吸收的无功功率分别为QU1 QU4 QU7 0.026 Mvar ， QU2 QU3 QU5 QU6 QU8 0.025 Mvar ，共需无功容量为 0.2 Mvar ，补偿后线路各点电压曲线如图 10b所示。可见，若控制每一户电压为 380V，需要吸收的无功功率过大。2）逆变器控制方案 2。控制线路末端的电压不第 34 卷第 10 期电网技术 145 超过 Umax。在第 2 种情况下，根据指定的电压控制方案， 8 个用户点逆变器吸收的无功功率均为0.006 Mvar ，总容量为 0.048 Mvar ，此时线路各点电压满足控制要求，其值如下 U0 380 V ；U1 385.8 V； U2 391V； U3 395.4V ； U4 399.2V ；U5 402.2V ； U6 404.5V ； U7 406.1V ； U8 406.8V 。线路各点电压曲线如图 10c所示。可见，在这种情况下，逆变器吸收的无功功率比控制每一点电压为380 V 时吸收的无功功率大大降低，线路各点电压也在电压偏差要求的范围内。方案 3 安装储能装置。图 11 为每户接入0.01 MW 光伏发电后， 8 个用户电压在 1 d 24 h 的变化曲线，其中 8 号用户的电压最高，且光伏发电接入后的 917 h 期间 8 号用户的电压超出 1.06 pu。因此，在 917 h 内限制每个光伏发电出力只发 5 kW ，共储存电能 34 kW h，在晚高峰光伏没有出力时段消纳这些电能。t/h 电压/pu1.020.0 4.8 9.6 14.4 24.0用户 1 19.2 用户 2 用户 3 用户 4 用户 5 用户 6 用户 7 用户 8 1.081.140.96图 11 多个光伏发电接入用户日电压随时间的变化曲线Fig. 11 Voltages of one day with multiple PV generations 多个光伏发电接入且加入储能装置后线路日电压的变化曲线如图 12 所示。由图 12 可知， 24 h内线路各点电压均在合格范围内。t/h 0.0 4.8 9.6 14.4 24.0用户 1 19.2 用户 2 用户 3 用户 4 用户 5用户 6 用户 7 用户 8 电压/pu1.0001.0251.050图 12 多个光伏发电接入且安装储能装置后用户日电压随时间的变化曲线Fig. 12 Voltages of one day with multiple PV generations and energy storage devices 4 结论本文在研究光伏发电影响电压机理的基础上，分别分析了在负荷较小的线路末端发展光伏发电对电网电压的影响因素，解决了容量较大光伏发电接入后电压越限的问题，得出了如下结论1）光伏发电接入配电网对电压有一定的提升作用。对于线路上的一点，若该点及后面所有负荷功率总和小于该点及后面所有光伏出力总和，则该点电压升高，反之电压降低。2）单个光伏接入后，随着光伏发出功率的增加，线路电压变化趋势有 3 种①逐渐降低；②先降低后升高，再降低；③先升高后降低。在后 2 种情况下，光伏发电接入点电压为局部电压最高点，以此控制最大接入容量。3）同等容量光伏发电分散接入对电压的提升幅度要低于集中接入线路末端时引起的电压升高幅度，高于集中接入线路前端时引起的电压升高幅度。4）光伏发电容量较大时，将引起线路局部电压超出电压偏差要求。对于单个光伏发电接入，可采取接入点进行感性无功功率补偿、逆变器电压控制补偿来稳定电压；对于多个光伏发电接入，可采取末端感性无功补偿、中央主控和逆变器无功控制补偿结合的方法稳定电压。计算结果表明，采取集中补偿所需无功补偿容量要低于逆变器控制所需的总无功补偿容量。5）通过加装蓄电池储能装置，在光伏发电时期储存多余电能，可抑制电压波动。在夜间或阴雨天气将储存电能释放，同时起到了抑制电压波动和连续供电的作用。参考文献[1] 王斯成．最新世界和中国光伏动态 [C]// 中国可再生能源行业协会年会． 2008．[2] 赵春江，杨金焕，陈中华，等．太阳能光伏发电应用的现状及发展 [J]．节能技术， 2007， 255 461-465．Zhao Chunjiang ， Yang Jinhuan， Chen Zhonghua， et al． State and development of photovoltaic application[J] ． Energy Conservation Technology， 2007， 255 461-465in Chinese．[3] 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， 2712 71-75．Liang Youwei ， Hu Zhijian ， Chen Yunping． A survey of distributed generation and its application in power system[J] ． Power System Technology， 2003， 2712 71-75in Chinese．[4] 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， 2512 53-56．Liang Caihao ， Duan Xianzhong ． Distribution generation and its impacts on power system[J]． Automation of Electric Power Systems ，2001， 2512 53-56in Chinese．[5] Conti S， Raiti S， Tina G， et al． Study of the impact of PV generation on voltage profile in LV distribution networks[C]//2001 IEEE Porto Power Technology Conference． Porto， Portugal IEEE， 2001．[6] 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， 3019 27-30．146 许晓艳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 Vol. 34 No. 10 Chen Haiyan， Duan Xianzhong， Chen Jinfu． Impacts of distributed generation on steady state voltage stability of distribution system[J] ．Power System Technology， 2006， 3019 27-30in Chinese．[7] 陈海炎，段献忠，陈金富．计及配网静态电压约束的分布式发电规划模型与算法 [J]．电网技术， 2006， 3021 11-14．Chen Haiyan， Duan Xianzhong， Chen Jinfu． Distribution generation planning model and algorithm considering static voltage stability constrain in distribution network[J] ． Power System Technology ，2006， 3021 11-14in Chinese．[8] 胡骅，吴汕，夏翔，等．考虑电压调整约束的多个分布式电源准入功率计算 [J]．中国电机工程学报， 2006， 2619 13-17．Hu Hua ， Wu Shan， Xia Xiang ， et al． Computing the maximum penetration level of multiple distributed generators in distribution network taking into account voltage regulation constraints[J] ．Proceedings of the CSEE， 2006， 2619 13-17in Chinese．[9] Choi J H ， Kim J C ． Advanced voltage regulation method of power distribution system interconnected with dispersed storage and generation systems[J]． IEEE Trans on Power Delivery ， 2001， 162329-334．[10] Arne Faaborg POVL SEH ． Impact of power penetration from photovoltaic power systems in distribution networks[R] ． Fredericia，Denmark IEA ， 2002．[11] 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， 2816 56-60．Wang Zhiqun ， Zhu Shouzhen， Zhou Shuangxi ， et al． Impacts of distributed generation on voltage profile of distribution grid[J] ．Automation of Electric Power Systems ， 2004， 2816 56-60in Chinese．[12] 刘天琪，邱晓燕．电力系统分析理论 [M] ．北京科学出版社， 200570-73．[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 4储能蓄电池 [J]．大众用电， 20064 40-43．Ma Shenghong， Lu Huyu ． Photovoltaic generation technology 4 energy storage battery[J]． Popular Utilization of Electricity ， 2006440-43in Chinese．[15] 张干周．光伏发电和蓄电池储能混合发电系统的经济性法分析 [J]．国际电力， 2004， 84 34-36．Zhang Ganzhou ． Cost analysis for hybrid PV-BESS system[J] ．International Electric Power for China ， 2004， 84 34-36in Chinese．收稿日期 2010-07-12 。作者简介许晓艳 1984，女，硕士研究生，助理工程师，研究方向为可再生能源发电及其并网， E-mail xyxu epri.sgcc.com.cn。（责任编辑杜宁）许晓艳