光伏接入对配电网电能质量的影响及最大接入容量分析

秦鹏，崔国柱，郭昌林，魏飞，寇宇，徐欢

（1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安 710049；2.山东省临沂供电公司，山东临沂 276004）

光伏接入对配电网电能质量的影响及最大接入容量分析

秦鹏1，崔国柱2，郭昌林2，魏飞2，寇宇1，徐欢1

（1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西西安 710049；2.山东省临沂供电公司，山东临沂 276004）

利用DIgSILENT/PowerFactory仿真软件，搭建了某地区10 kV配电网典型接线模型，从电压偏差、电压波动、三相电压不平衡和谐波畸变等方面分析了分布式光伏接入对该地区配电网电能质量的影响。针对不同的典型接线形式，以电能质量为约束计算了配电网的分布式光伏的最大接入容量。结果表明，分布式光伏在馈线末端接入时，对电能质量的影响最大；电能质量满足要求时，各类型配电网所允许接入的最大光伏容量为负荷的35%～50%，主要制约因素为电压偏差。

DIgSILENT/PowerFactory；分布式光伏；电能质量；最大接入容量

随着人类对煤炭、石油等化石能源的不断开采，其枯竭已不可避免。因此，清洁、可再生的新能源成为替代传统化石能源的最佳选择[1]。由于光伏发电具有资源充足、安全可靠且不受地域限制等特点而得到人们普遍关注[2]，但光伏发电在为电网注入清洁能源的同时，因其间歇性、随机性的特点以及电力电子装置的应用，会对配电网的电能质量产生一定的影响，进而影响电力系统的供电可靠性。因此有必要分析光伏接入配电网后对电能质量的影响，并以此为约束确定配电网所允许接入的最大光伏容量，保证配电网的电能质量和运行可靠性。

光伏接入对配电网的影响已经得到较为深入的研究。文献[3]中，为了避免光伏接入点出现过电压，采用相关观测数据，将馈线简化为等值电路，以计算馈线所允许接入的最大光伏容量；文献[4-5]考虑了分布式光伏接入后配电网结构的变化，分析了光伏接入对配电网继电保护的影响，并通过MATLAB进行了建模仿真，在此基础上提出了减小光伏接入对保护影响的措施；文献[6]以最大电压偏差和电压波动为约束，针对6种典型场景，分析了分布式光伏与负荷分布接近时的允许接入容量；文献[7]基于matlab-simulink定量分析了在馈线不同位置接入不同容量光伏电源对配电网电能质量的影响，但并未对配电网的最大接入容量进行分析；文献[8]针对一条380 V馈线，对在不同位置接入单个光伏电源和不同位置同时接入光伏电源时的电压偏差进行了计算，并以此为依据分析了该馈线的光伏接入容量；文献[9]建立了分布式光伏模型，针对10 kV单联络典型线路，分析了光伏接入对电网稳态运行的影响，特别是小负荷方式下逆潮流对配电网的影响；文献[10]分析了分布式电源，尤其是光伏电源的接入对配电网产生的影响，并根据不同的负荷分布，分析推导了过电压约束下的接入容量极限值。

本研究在上述研究成果基础上，利用DIgSILENT/PowerFactory仿真软件，以某地区10 kV配电网为例，重点分析了大规模光伏接入对其电压偏差、电压三相不平衡、电压波动和谐波畸变等电能质量指标的影响；计算了该配电网3种典型接下形式下分布式光伏的最大接入容量；给出了提高光伏接入容量的措施，并验证了其可行性。

1 电能质量评估指标

由于分布式光伏随机性、波动性的出力特性和电力电子装置的应用，分布式光伏接入配电网主要会对系统的电压和谐波产生较大影响，因此本研究主要从电压偏差、电压波动、三相电压不平衡和谐波畸变四个方面分析分布式光伏接入对配网电能质量的影响。

1.1 电压偏差

电压偏差是是衡量电力系统正常运行与否的主要指标。分布式光伏的接入对配电网电压有一定的抬升作用，接入容量越大，抬升效果越明显。当接入容量达到一定值时，将引起电压越限，为了保证电网的安全运行，应保证电压偏差在标准范围之内。电压偏差ΔU的计算公式如下[11]：

式中：U为实际电压；UN为标称电压。

本文所研究线路为10 kV线路，故ΔU最大允许值为UN的±7%[11]。

1.2 电压三相不平衡

分布式光伏接入会对配电网电压三相不平衡产生一定的影响。本文中主要研究光伏接入对三相不平衡中负序电压不平衡度的影响，其公式如下所示[12]：

式中：为电压三相不平衡度；U1为电压正序分量均方根值；U2为电压负序分量均方根值。

根据文献[12]，电力系统中公共连接点的电压三相不平衡度允许值为2%，连接于公共连接点的用户的电压三相不平衡度允许值为1.3%。

1.3 电压波动

电压波动定义为电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象。光伏出力受天气影响较大，所以当有云层遮挡或出现阴雨天气时，光伏出力会迅降低，可能会使配电网电压出现波动现象。

根据文献[13]，变动频率小于等于1次时，高压侧电压波动限值为3%，中、低压侧限值为4%。

1.4 谐波

分布式光伏通过整流器和逆变器接入电网，会向电网中注入谐波电流，影响电网的稳定运行。通常用电压总谐波畸变率、各次谐波电压含有率、各次谐波电流含有率等指标描述系统的谐波含量。本文主要研究分布式光伏接入后对电压总谐波畸变率和各次电流谐波含量的影响，其计算公式如下[14]：

式中：HRIh为h次谐波电流含有率；Ih为h次电流均方根值；I1为基波电流均方根值。

式中：THDU为电压总谐波畸变率；U1为基波电压；Uh为第h次谐波电压。

由文献[14]可知，在本文所研究的线路中，THDU的限值为4%。各次谐波电流限值在文献[14]中也有详细表述。

2 配电网及光伏模型简介

2.1 配电网模型简介

本文研究对象为某一实际配电网系统中选取的10 kV馈线构成的小型配电网模型，如图1所示。本文以该模型为基础分析光伏接入对配电网电能质量的影响。

图1 10 kV馈线简化模型Fig.1 Model of 10 kV feedback lines

根据文献[15]，选取单侧电源多分段、多联络和双侧电源多分段、单联络2种典型接线方式的架空线进行仿真计算，具体线路参数如表1所示。

表1 10 kV馈线接线形式及参数Tab.1 Connection forms and parameters of 10 kV feedback lines

3种类型的馈线均通过220/10.5 kV变压器向负载供电，变压器容量为50 MW，导线类型除表1所列的主干线路型号外，还包括JK-240、YJLV-500和LGJ-70等9种类型，仿真中视系统负荷为恒功率负荷。

2.2 光伏模型介绍

光伏发电系统简化模型如图2所示。光伏阵列发出的直流电通过逆变器转换为50 Hz的交流电，经过滤波器滤波后通过升压变压器输入电网。根据光伏电站接入电力系统的技术规定，本研究中可将光伏发电系统的数学模型简化为PQ模型[16]。

图2 光伏发电系统简化模型Fig.2 Model of PV system

3 仿真结果及分析

本文分别对上述3种接线方式馈线进行仿真计算，分析分布式光伏接入位置不同和接入容量不同时对配电网电能质量的影响。考虑到实际电网中分布式光伏的容量占负荷的比例较低，接入容量最大值取馈线负荷总量，接入位置选择馈线的首端、中间和末端。在馈线首端、中间和末端各选一个观测点，部分仿真结果如图3～6所示。

3.1 对电能质量的影响

3.1.1 对电压偏差的影响

图3为在不同位置接入分布式光伏和不接入光伏时线路的电压分布；图4为线路末端接入光伏时首端、中间和末端3个观测点的电压偏差变化。由图可知，分布式光伏的接入会对线路的电压起一定的抬升作用，线路末端的电压抬升最明显。随着光伏接入容量逐渐增大，各节点电压偏差越来越大，其中线路末端观测点的偏差最大，也最有可能出现电压越限现象。

图3 光伏接入位置不同时线路电压分布Fig.3 Voltage distribution of different interconnected locations

图4 末端电压偏差Fig.4 Voltage deviation in the terminal of the feeder

3.1.2 对电压三相不平衡的影响

由图5可知，随接入容量的增加，负序电压不平衡度呈线性增加，但未达到第1.2节所述的电压三相不平衡限值。总体来看，电压三相不平衡度受分布式光伏接入的影响较小。

3.1.3 对电压波动的影响

根据文献[17]，受天气影响，光伏出力波动量短时间内可能超过装机容量的50%。因此，本研究分析了光伏出力在3 s内将至30%时3个观测点的电压变动。由图可知，受影响最大的末端节点的电压变化约为2.2%。

图5 末端电压三相不平衡Fig.5 Voltage unbalance in the terminal of the feeder

图6 光伏出力降低时的电压变化Fig.6 Voltage fluctuations

3.1.4 对谐波的影响

图7中列出了2～40次谐波电流含量，接入分布式光伏后，各次谐波电流含量较低。图8为末端节点的电压总谐波畸变率。从图中可以看出，随着光伏接入容量的增大，电压总谐波畸变率逐渐增大，最大值为2.2%。总体而言，分布式光伏接入后电流各次谐波含量与电压总谐波畸变率较低，两项指标均在文献[14]规定的允许范围之内。

图7 末端各次谐波Fig.7 The harmonic of voltage

3.2 光伏最大接入容量的确定

通过上述分析可得，对于所选取的3种典型接线形式的10 kV线路，分布式光伏的接入对电能质量有较大的影响，其中对电压的影响最大。因此，为了确定该配电网所能接入的最大光伏容量，本研究以电压偏差限值为标准，选取满足电压偏差要求的最大光伏容量，即电压偏差为7%时3个观测点所对应的光伏接入容量的最小值，便是该线路所能接纳的最大光伏容量。3种典型接线形式馈线电压偏差如图9所示。

图8 总谐波畸变率Fig.8 Total harmonic distortion

通过上述方法确定的3种典型接线形式的馈线允许接入的最大光伏容量如表2所示。

表2 3种典型接线的最大光伏接入容量Tab.2 The maximum integration capacity of 3 different types of connection forms MW

为了保证系统安全运行，通过此方法确定最大光伏接入容量时还应留有一定的裕度。

4 提高配网光伏接入容量的措施

4.1 调节母线变压器分接头

分布式光伏的接入会使馈线电压升高，因此，为了增大光伏接入容量，可适当调节母线变压器分接头，使母线电压降低。实际电力系统中变压器的分接头以无载调压为主。本文以3分接头变压器为例，分析调节变压器分接头使母线电压为1.05 UN、UN0.95 UN时馈线的接入容量，如表3所示。

从表3中可以看出，通过调节变压器分接头，使母线电压适当降低，有助于提高分布式光伏的最大接入容量。

图9 3种典型接线馈线的电压偏差Fig.9 Voltage deviation of 3 different types of connection forms

表3 母线电压不同时的最大接入容量Tab.3 The maximum integration capacity of different busbar voltages

4.2 加装储能装置

储能技术目前在电力系统中的主要应用在电力调峰、提高电力系统稳定性和改善电能质量等方面[18]。储能技术能够较好地改善光伏发电系统的特性，有利于提高光伏发电在配电网中的渗透率。

储能装置可采用图10所示的方式接入配电网。

图10 储能装置接入方式Fig.10 The connection form of energy storing device

当光伏出力较大，线路负荷较小时，通过储能装置储存电能，以防线路电压过高；当光伏出力较小，线路负荷较大时，释放储能装置中的电能，以满足负荷需求。

5 结论

本文利用DIgSILENT/PowerFactory仿真软件，针对3种10 kV典型接线线路，分析了不同位置和不同容量的分布式光伏接入对配电网电能质量的影响，并进一步导出系统安全运行下配电网所能接入的最大光伏容量，所得结论如下：

1）光伏发电系统接入配电网会对配电网的电能质量产生一系列影响，其中电压偏差受分布式光伏接入的影响较大，也是限制光伏接入的主要因素。

2）分布式光伏的接入对配网的电压有一定的抬升作用，且对线路末端的电压抬升最突出。

3）配电网的最大光伏接入容量与其负荷分布和拓扑结构有关。考虑一定裕度时，该地区10 kV配电网所能接入的最大光伏容量为负荷的30%～35%。

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（编辑 李沈）

Impact of Distributed Photovoltaic Generation on Power Quality in Distribution Network and Analysis of Maximum Integration Capacity

QIN Peng1，CUI Guozhu2，GUO Changlin2，WEI Fei2，KOU Yu1，XU Huan1
（1.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment in Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China；2.Linyi Power Supply Company，Linyi 276004，Shandong，China）

In this paper，the impact of distributed photovoltaic generation on power quality in a real distribution network is analyzed by DIgSILENT/PowerFactory software from the viewpoint of voltage deviation，voltage fluctuations，voltage unbalance and harmonic distortion.The maximum integration capacity of photovoltaic generation is calculated with the limit of power quality for different typical connection forms，whose models are built in the software.The results show that the impact on power quality is great when distributed PV is connected in the terminal of the feeder；the maximum integration capacity of distributed PV in the distributed network is approximately 30%～50%of the network load，and the main restriction of power quality is voltage deviation.

DIgSILENT/PowerFactory；distributed PV；power quality；maximum integration capacity

2016-01-18。

秦 鹏（1992—），男，硕士，主要研究方向为新能源接入系统安全评估；

崔国柱（1970—），男，高级工程师，硕士，主要从事电网运行、检修及电力系统规划工作；

郭昌林（1982—），男，高级工程师，学士，主要从事电力系统规划及电网运行分析研究工作；

魏 飞（1985—），男，工程师，学士，主要从事电力系统规划及电网运行分析研究工作；

寇 宇（1992—），男，硕士，电力系统规划与可靠性评估；

徐 欢（1992—），男，硕士，电力系统规划与可靠性评估。

国网山东省电力公司科技项目（A144-300009601-00007）。

Project Supported by the Science and Technology Project of State Grid Shandong Electric Power Company（A144-300009601-00007）.

1674-3814（2016）11-0145-06

TM712

A