光伏电源接入故障配电网的电压分布研究

引言

光伏发电作为一种优质的可再生能源,和传统的化石能源相比,具有在基础设施建设完毕后物资投入少,对环境几乎没有污染,易于接入配电系统等优点。虽然在发电设施基数较小时,光伏发电受到天气、时段的影响较大,但是我国的陆地面积极其广阔,与之对应的就是数量众多的光伏发电基站和丰富的太阳能资源,不会因为某一地区的天气问题而导致光伏发电量波动过大。得益于地域优势,我国的光伏电源发展前景十分乐观,对于改善当下的能源消耗结构具有重大意义。

文献分析了DG(分布式电源)接入对配电网电压分布的影响,研究了利用DG提高配电网电压稳定裕度的方法:文献提出配电网系统中的有功功率和无功功率不平衡时,DG自身可以对系统提供一定的无功补偿:文献体现了DG出力和负荷的时变性,引入约束条件对模型进行优化,最终得出配电网中的DG和补偿电容器的最优参数:文献把有功功率网损作为目标函数进行寻优,得出光伏电源提供一定的无功补偿可以减少配电网的功率损耗:文献研究了PV节点类型的分布式电源分别改变容量和接入点位置后配电网的电压分布,并进行仿真实验,得到了配电网电压波动的运行规律:文献在配电网谐波电压和谐波电流方面考虑了DG不同接入位置和容量的影响:文献分析了电网背景谐波和含分布式光伏的配电网谐波之间的相互作用。

1故障时电压波动

配电网发生故障的初始网络状态如图1所示,各项参数皆参照1EEE33标准节点,节点5接入有功容量为400kw的光伏电源。分段开关以实线表示,联络开关以虚线表示,支路3一23发生永久性故障,已经断开,已经导致负荷23一25非故障停电。

比较故障发生前后的电压分布,电压大小以标幺值表示。如图2所示,实线为故障发生后,虚线为故障发生前,可以看出,负荷节点23、24、25失电后,各节点电压均小幅上升。

2分布式电源接入

传统配电网不接入分布式电源时潮流是单向流动的,为单电源辐射式拓扑,潮流随着传输距离逐渐减小:接入分布式电源后网络拓扑结构将会发生质变,从单电源辐射系统变为双电源供电,甚至是多电源多负荷互联系统,而且接入位置、方式和容量的不同选择都会使得潮流流向更加难以确定。

配电网的电压分布由电力系统电源容量和负荷所决定,当配电网的输入电源功率和负荷改变时,其各节点电压必定会发生电压波动或产生偏差。由于气候变化和时间因素,光伏电源所依赖的太阳能具有较大波动性和不可操控性,因此光伏电源无法像常规电源那样保持在稳定出力状态。但是在仿真过程中暂时不考虑光伏电源出力的时变性,而是将光伏电源视为有功容量恒定的一个PV节点接入系统。通过分析配电网系统中分布式电源接入情况下的网络节点电压分布,得到分布式电源接入方式、容量和位置等因素对于配网系统的影响。最直观的观测量就是最大电压降,最大电压降越小,系统稳定性越好。

式中:AU为最大电压偏移:U0为初始节点电压:U(i)为第i个节点电压。

2.1DG接入点与故障点的距离

探究DG接入点与故障发生点的距离对最大电压降的影响。光伏电源的有功容量为400kw,功率因数为0.85,分别接入5节点、13节点及33节点。对比每种情况下的电压分布情况。

如图3和图4所示,实线为5节点接入分布式电源,虚线为13节点接入分布式电源,点线为33节点接入分布式电源。

当接入节点距离始端较近时,对于整体的配电网节点电压影响较小,支撑效果不明显:但是接入节点距离末端过近时,系统会近似形成双电源供电系统,使得支撑电压过高。33节点接入分布式电源时,末端几个节点电压明显升高,且越靠近末端影响越明显。当接入的光伏电源容量逐渐增大到一定程度时,末端节点电压甚至可能率先越过规定的电压上限。且接入33节点时系统最大电压降的标幺值为0.075p.u.,电压最低值出现在18节点,远低于其他情况,末端节点又远高于正常情况,电压波动非常不稳定。

当光伏电源接入配电网中间区域即仿真中的13节点时,系统最大电压降的标幺值相对于接入33节点的情况下降了0.0036p.u.,且未出现在同一节点,而是分别位于18和33节点。接入中间区域时拥有一定的支撑效果,配电网系统更加稳定。

可以看出DG接入点离首端较近时,对各节点电压的影响较小:光伏电源并网位置接近末端节点时,对各节点电压的提升幅度较大。接入节点选择配电网的中间区域较为合适。

2.2DG容量的影响

光伏电源的较大容量代表着高渗透率分布式电源。在功率因数不变的情况下,将分布式电源容量扩大到两倍,即功率因数依然是0.85,有功容量变为800kw,探究容量大小对各节点电压的影响程度。如图5所示,虚线为加大一倍容量后的电压分布。

可以发现光伏电源的出力大小对节点电压有着较为明显的影响。光伏电源容量越大,也就是光伏电源渗透率越高时,节点电压提升幅度越大。容量加倍后最大电压降的标幺值由0.078p.u.下降为0.074p.u.。

2.3功率因数对电压分布的影响

当光伏逆变器控制原理不同时,光伏电源的功率因数将会有所改变,下面研究功率因数改变时对配电网电压分布的影响。分别将功率因数为0.6、0.8和1.0的光伏电源接入节点5,并且为了增大差异,将有功容量统一改为1200kw。如图6所示,点画线为0.6功率因数,实线为0.8功率因数,虚线为1.0功率因数。

由仿真结果可以得出,DG的功率因数对于配电网的电压分布虽然有影响,但即便是在DG容量增大且功率因数相差较大的前提下,各节点电压的波动幅度依然十分微小。同时,节点电压随着功率因数的降低而逐渐升高,这是由于随着功率因数的减小,有功容量不变的光伏电源输出的无功功率逐渐增加,节点电压逐渐提高。

2.4多光伏电源接入

现实情况中配电网接入的DG往往不止一个,需要研究光伏电源集中并网与分散接入对电压分布的影响。仿真实验中单个接入节点5的光伏有功容量依然是400kw。然后将容量均分,同时把3个有功容量为133.3kw的光伏电源接入配电网中。接入位置分别是节点4、节点12、节点32,得到电压分布变化曲线,并与初始潮流情况相比较。

如图7所示,实线为单一接入节点5,虚线为分散接入3个节点。

可以看出,同等容量和相同运行方式的配电网系统,光伏电源分多节点接入要比单节点接入的电压支撑效果更好,系统的最大电压降标幺值由0.078p.u.降为0.073p.u.,配电网也更稳定。

3结论

通过以上仿真结果可以得出结论:同等容量下光伏电源的功率因数改变对配电网的电压波动影响较小。对于已经发生故障而导致部分负荷失电的配电网系统,在系统的中间区域分散接入若干个渗透率较高的分布式电源能起到一定的支撑作用,使配电网系统更加稳定。