蒋愈勇，雷金勇，董旭柱，于力，许爱东，郭晓斌（1.南方电网科学研究院有限责任公司，广州510080；2.中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心，广州510080）

基于DIgSILENT的配电网大规模光伏接入影响分析

蒋愈勇1，2，雷金勇1，2，董旭柱1，2，于力1，2，许爱东1，2，郭晓斌1，2
（1.南方电网科学研究院有限责任公司，广州510080；2.中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心，广州510080）

为研究大规模光伏接入对配电系统安全、稳定运行的影响，结合国内某实际配电系统，利用商业电力系统仿真与分析软件DIgSILENT/PowerFactory，从稳态分析和动态分析两个角度，研究了大规模光伏接入对配电系统无功电压、网络损耗、故障特性和短路电流等方面的影响。结果表明，大规模光伏接入会对配电系统的正常运行造成一定的影响，并与光伏接入容量相关。根据分析结果，提出了相应的改进措施与运行建议，为含大规模光伏发电系统的配电系统的规划与运行奠定基础。

DIgSILENT/PowerFactory；大规模光伏接入；配电系统；系统电压；网损

近年来，分布式发电DG（distributed generation）技术因其可再生性和低碳性而得到快速发展，光伏发电系统PV（photovoltaic）作为分布式电源的一种，随着接入电压等级的不断升高和并网容量的不断增大，大规模光伏接入对配电系统的规划与运行带来了新的挑战。光伏电池经电力电子装置接入传统配电系统后，配电系统由传统的单电源供电转变成多电源供电，系统各馈线潮流分布发生变化[1-2]，进而影响整个配电系统的稳态及动态特性，主要体现在无功电压、网络损耗、短路电流及故障特性等几个方面，且随着光伏接入容量的不断增大，对系统的影响也愈发显著。

目前，已有大量文献针对配电系统光伏接入的影响展开理论分析与研究，其中，文献[3-7]主要研究了光伏接入配电网对系统电压造成的影响。文献[3-4]基于解析法对光伏接入后的电压抬升现象进行了理论分析；文献[5]利用灵敏度分析方法，计算了包括光伏发电系统在内的分布式电源接入对系统电压的影响；文献[6]给出了考虑电压约束的光伏最大接入容量计算方法；文献[7]提出了配电网静态电压稳定分析中的常用指标，以评价光伏发电系统接入容量及接入位置对系统静态电压稳定性的影响。另外，文献[8-9]将光伏发电系统集中接入到配电系统的末端，改变系统运行功率因数、光伏接入容量和接入位置等运行条件，分析了光伏接入对配电系统网络损耗的影响。系统发生故障后，接入配电网的光伏电源向短路点提供部分短路电流，可能会导致系统短路电流的大小和方向发生改变，进而影响保护装置的正确可靠动作[10]。文献[11]在光伏并网逆变器电路拓扑结构和控制策略研究的基础上，分析了系统发生短路故障后逆变器输出电流的动态响应特性，并对光伏并网逆变器的保护整定提出要求。

上述关于配电系统光伏接入影响的理论分析主要围绕光伏接入配电系统的机理开展研究，光伏的接入容量及配电系统规模较小。对于含大规模光伏接入的实际配电系统的运行特性研究，考虑到网络复杂性以及光伏的波动性、间歇性和随机性，此时单纯依靠理论分析已无法满足研究需要，因此需借助数字仿真与计算工具对大规模光伏接入对实际配电系统的影响进行分析与计算。商业软件DIgSILENT/PowerFactory[12]是德国DIgSILENTGmbH公司开发的一款商业电力系统仿真与计算软件，该软件可实现图形化操作和数据库管理，具有电力系统潮流计算、短路计算、保护、谐波、机电暂态和电磁暂态仿真等功能，用户可采用软件内嵌的光伏电池、燃料电池、蓄电池等分布式电源模型，也可通过用户自定义功能自行搭建，适于含大规模光伏接入的实际配电系统的计算与分析。

本文在配电系统光伏接入影响机理分析的基础上，基于国内某实际配电系统，在DIgSILENT中分别搭建光伏发电系统和配电系统模型，从稳态分析和动态分析两个方面，研究不同接入容量和方式下，大规模光伏发电系统对配电系统电压、网络损耗、故障特性和短路电流等方面的影响，并与理论分析结果进行比较。最终，根据计算分析结果，提出相应的改善措施与建议。

2 配电系统光伏接入影响机理分析

以图1所示的简单系统为例分析光伏接入对系统潮流的影响。

图1 光伏接入影响机理分析算例系统示意Fig.1 Sketchmap ofmechanis Manalysissyste Mon the influenceof PV integration

图中，Pi和Qi分别为节点i处负荷的有功功率和无功功率，PPVi和QPVi分别为节点i处接入光伏的有功功率和无功功率，Ui为节点i处的节点电压。节点i-1与节点i通过阻抗为Ri+j Xi的线路i相连。

光伏接入前，节点i-1与节点i之间的电压降落ΔUi和线路i的有功损耗Piloss分别为

将光伏发电系统接入到节点i处，此时，节点i-1与节点i之间的电压降落和线路i有功损耗[5]分别变为

从式（4）可以看出，光伏接入后，光伏电源为馈线提供了一定的功率支撑，导致并网节点与连接节点之间电压降落的程度减少，并网节点电压抬升。光伏电源同时为本地负荷提供了一定的功率支撑，减少了对系统的功率需求，系统网损下降。光伏电源有功出力的变化会对系统电压和网损造成较为显著的影响。

3 配电系统DIgSILENT建模

3.1 光伏发电系统建模

一个完整的光伏并网发电系统由光伏电池、电力电子变换装置、最大功率控制器、并网控制系统和直流电容器等几部分构成。光伏电池是一种非线性直流电源，根据详细程度，其数学模型可分为理想模型、单二极管模型和双二极管模型，其中由单二极管光伏电池模型串、并联组成的光伏阵列等效电路[13]如图2所示。

图2 单二极管模型光伏阵列的等效电路Fig.2 Single-diode equivalent circuitof a PV array

在图1中，其输出电压和电流的关系为

式中：U为光伏电池输出电压；I为光伏电池输出电流；Iph为二极管扩散效应饱和电流；Is为二极管饱和电流；q为电子电量常量，1.602×10-19C；k为玻耳兹曼常量，1.381×10-23J/K；T为光伏电池工作绝对温度值；A为二极管特性拟合系数；NS和NP分别为串联和并联的光伏电池数目。

光伏并网发电系统[14]常采用单级式并网系统，即直接通过逆变器将光伏阵列输出的直流电能变换成交流电能，实现并网，如图3所示。光伏并网发电系统控制系统采用双环控制方式，外环控制分为两部分：最大功率点跟踪环节[15-16]和直流电压及无功功率控制环节；内环控制采用dq0旋转坐标系下的电流内环控制。

图3 单级式光伏并网发电系统拓扑结构Fig.3 Topologicalstructure of the single-stage，gridconnected PV system

3.2 算例系统建模

本文以国内某实际局部配电网作为研究对象，该系统含1座220 kV变电站和3座110 kV变电站，配电网结构及各变电站负荷如图4所示。

在DIgSILENT中搭建的配电系统如图5所示。其中，MZ站、NJ站和YZK站110 kV高压侧母线分别经ML单线、NL双线和LY双线与220 kV LH站中压侧110 kV母线相接。各110 kV变电站经过110 kV/10.5 kV降压变压器向负荷送电，其中110 kVMZ站经由馈线LM1~LM8（其中，LM7~LM8为联络线，正常运行方式下传输功率为0）供电、110 kV NJ站由馈线LN1~LN9供电。MZ站、NJ站各线路负荷功率分布如表1所示。

图4 局部电网结构示意Fig.4 Sketchmap ofnetwork structure of local distribution system

图5 局部配电网DIgSILENT算例Fig.5 Localdistribution syste Mconstructed in DIgSILENT

4 配电系统光伏接入影响稳态分析

4.1 光伏接入对系统节点电压的影响

为衡量不同节点光伏接入前后系统电压的变化程度，引入节点电压变化率指标，即

表1 MZ、NJ站各线路所载负荷功率分布Tab.1 Load power distribution of substation MZ and NJ

电压变化率=

电压变化率为光伏接入前后节点电压的差值与接入前节点电压的百分比，电压变化率越大，表明光伏接入对该节点电压的影响程度越大。

4.1.1 光伏接入容量对系统节点电压的影响

在110 kVMZ站LM1线路末端分别接入不同容量的光伏发电系统，比较光伏接入前后MZ站10.5 kV母线和各线路末端节点的电压变化情况，如图6所示。

由图可见，光伏接入后，由于并网点所连线路传输的功率降低，线路两端电压降落减少，并网点电压显著抬升，且随着光伏接入容量的增大，并网点电压逐渐增大，验证了前文的理论分析结果；但对于包括10.5 kV母线在内的其他节点，由于线路潮流基本不发生变化，电压抬升作用并不明显。

图6 不同容量光伏接入时MZ站各节点电压Fig.6 Busvoltagesof substation MZ w ith integration of different PVscapacities

图7 不同接入位置时光伏并网点电压随接入容量的变化曲线Fig.7 U-P curvesof substation MZ and NJwith the integration of different PVs locations

4.1.2 光伏接入位置对并网点电压的影响

将光伏发电系统分别接入MZ站LM1至LM6线、NJ站LN1至LN9线的末端；其中，MZ站LM1至LM6线、NJ站LN1至LN9线的线路长度，即光伏并网点距其变电站低压侧母线的电气距离分别依次递减。逐渐增大光伏的接入容量，MZ站和NJ站各并网点电压变化率的变化情况如图7所示。从图7可以看出，在MZ站的LM1线和NJ站的LN1线和LN2线末端节点处分别接入光伏发电系统，其对并网点电压的抬升作用明显高于光伏接入其它节点时的并网点电压，即光伏接入位置距离变电站低压侧母线的线路越长，光伏电源对并网点电压的抬升作用越明显。这是由于随着光伏并网点与变电站低压侧母线之间的电气距离的逐渐增大，光伏并网母线受主网的影响逐渐减弱，并网点受光伏接入的影响就越明显。

另外，从图7还可看出，保持某一接入位置不变，光伏接入容量不断增大，起初光伏并网点电压随着光伏接入容量的增大而逐渐升高，但当光伏接入容量超过某一特定值时，光伏并网点电压迅速下降。这是由于此时并网点线路通过电流超过其载流量，整个系统无法继续维持稳定运行。

4.1.3 光伏接入容量对并网点无功功率的影响

分别在MZ站LM1线和NJ站LN1线末端接入光伏发电系统，改变光伏接入容量，分析不同接入容量下光伏并网母线无功功率的变化情况，如表2所示。

从表2可知，光伏接入后会从系统吸收一定的无功功率，且随着光伏有功出力的增大，其无功吸收也逐渐增大。这是由于光伏发电系统经过升压变压器并网，并网变压器存在一定的无功功率损耗。值得注意的是，当接入光伏的有功功率输出较小时，光伏有功出力对并网点电压的抬升作用可能小于其并网变压器吸收的无功功率对其电压的降低作用，此时，光伏接入可能会导致并网点母线电压小幅下降。

表1 不同接入容量下光伏并网点吸收的无功功率Tab.1 Reactive power absorption of grid-connected buses the integration of different PVscapacities

4.2 光伏接入对系统网络损耗的影响

配电系统的网络有功损耗Ploss可描述为

式中：N为系统总支路数；Piloss为各支路网损。通过比较光伏系统不同接入方式下系统网损的变化情况，分析光伏接入对系统网损的影响。

对于图5所示的配电系统，分别在MZ站LM1~ LM6线以及NJ站LN1~LN9线末端接入光伏发电系统，改变光伏接入容量，系统网损的变化情况如图8所示。

图8 光伏接入后系统网损的变化情况Fig.8 Syste Mgrid lossesw ith integration of PVs

从图中可以看出，光伏系统的接入容量和接入位置均会对系统网损造成影响，随着光伏接入容量的逐渐增大，系统网损呈先减小后增大的变化趋势。这是由于光伏接入容量较小时，配电系统线路传输的净有功功率随着光伏有功出力的增大而逐渐下降，系统网损也随之降低；而当光伏接入容量继续增大直至超过接入馈线负载时，光伏系统开始向配电网中其它馈线的负荷或外部电网提供有功功率，此时系统中线路传输的净有功功率随着光伏接入容量的增大而逐渐增大，系统网损也随之逐渐升高。

另外，图8中，对于电气距离长且负载较重的线路，如MZ站的LM2线和LM3线，NJ站的LN1线和LN2线，接入光伏发电系统可以使系统网损大幅降低，对系统网损具有非常明显的改善作用。

5 配电系统光伏接入影响动态分析

5.1 光伏接入对并网点电压故障特性的影响

利用DIgSILENT对图5所示的配电系统进行动态仿真，仿真时间设置为5 s，仿真步长为0.005 s，2.5 s时刻MZ站低压侧10.5 kV母线发生三相接地短路故障，0.1 s后故障清除。在MZ站LM1线路末端，光伏接入容量分别设置为100 kW，500 kW，1MW和1.5MW，光伏并网点电压标幺值的变化情况如图9所示。

从仿真结果可以看出，故障发生时，并网点电压大幅下降，故障清除后系统恢复稳定运行。系统稳定运行时，随着光伏输出的有功功率输出逐渐增大，并网点母线的稳态电压逐渐升高，与上文光伏接入稳态分析结果一致。当系统发生短路故障而进入暂态过程后，光伏发电系统对并网点提供一定的暂态电压支撑，且光伏有功出力越大，对暂态电压的支撑作用越明显。

图9 光伏接入后并网点电压故障特性曲线Fig.9 Fault characteristicscurvesof voltage of grid-connected busw ith integration of PVs

5.2 光伏接入对系统短路电流的影响

分别在MZ站LM1线路、NJ站LN1线路末端接入光伏发电系统，假设在光伏并网点、光伏并网点上游（线路LM1和LN1的中间节点）处分别发生三相短路故障，短路电阻为0.1Ω。比较光伏接入前后系统短路电流的变化情况，如表3所示。

表3 光伏接入前后配电系统的短路电流Tab.3 Short-current circuitof distribution syste Mw ithout/w ith integration of PV syste Ms

由表3可知，当光伏接入容量为1MW时，并网点额定电压为58 A；短路过程中，光伏提供的短路电流不超过其额定电流的1.5倍。另外，当光伏并网点发生三相短路故障时，主网和光伏电源同时向短路点注入短路电流，光伏接入后短路点短路电流小幅增大，短路电流增大的部分主要由光伏系统提供。另外，光伏并网点上游三相短路故障时的系统短路电流远大于光伏并网点发生故障时的短路电流，这是由于光伏并网点上游故障使得短路点与主网之间的电气距离缩短，进而导致短路电流增大。但是，光伏发电系统提供的短路电流基本不受故障点位置的影响。

6 结论

本文基于光伏接入影响的理论研究，结合国内某实际配电系统，利用商业仿真软件DIgSILENT，分别从稳态分析和动态分析的角度，研究了大规模光伏发电系统接入对配电系统无功电压、网络损耗、故障特性以及短路电流等方面的影响。

（1）基于数字仿真软件DIgSILENT的大规模光伏接入影响研究，在对理论分析结果正确性进行验证的同时，较理论分析具有更好的适应性与通用性，适于配电系统的设计、规划与运行等工程实际应用。

（2）配电系统稳态运行过程中，大规模光伏发电系统的接入对并网点的无功电压以及系统网络损耗产生显著的影响，且随着光伏接入方式（接入容量和接入位置）的改变而发生明显变化。

（3）配电系统发生故障而进入暂态过程时，光伏接入会对并网点暂态电压起到一定的支撑作用，且向短路点提供部分短路电流，并维持在其额定电流的1.5倍以内，故障清除后系统恢复稳定运行。

（4）本文基于大规模光伏接入对配电系统影响的分析结果，提出如下建议：①根据光伏接入对系统潮流的影响分析，合理配置各节点光伏接入容量；②在光伏并网点处安装一定的无功补偿装置或储能装置，可以在平抑由于光伏随机性和波动性造成的潮流波动的同时，提高配电系统的暂态稳定性。

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Analysison Impactsof Integration of Large-scale Photovoltaic to Distribution Systemsvia DIgSILENT

JIANGYuyong1，2，LEIJinyong1，2，DONGXuzhu1，2，YU Li1，2，XU Aidong1，2，GUOXiaobin1，2
（1.Electric Power Research Institute ofChina Southern Power Grid，Guangzhou 510080，China；2.PowerGrid Technology Research CenterofChina Southern PowerGrid，Guangzhou 510080，China）

The influencesof the integration of large-scale photovoltaic（PV）systems on thenormaloperation ofdistribution systems cannotbe neglected.This paperanalyzes the impactsof large-scale PV systemson the voltage，grid loss and short-circuit currentof distribution networks via the simulation tool DIgSILENT/PowerFactory，and an actual distribution network is utilized as the test case.It is illustrated fro Mthe simulation results that the influences of the integration of PV systemswith differentpower outputsare notquite the same.According to the results，some enhancement measuresare suggested to lay the foundation for the planningand operation ofdistribution systems.

DIgSILENT/PowerFactory；large-scale photovoltaic integration；distribution system；syste Mvoltage；grid loss

TM74

A

1003-8930（2015）07-0035-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.07.07

蒋愈勇（1977—），男，本科，工程师，从事配网自动化方面的研究和管理工作。Email：jiangyy@csg.cn

2014-11-21；

2015-01-06

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2011AA05A114）；南方电网公司2013年科技项目“含分布式电源的智能配网试验与检测关键技术研究”（K-KY-2012-2-009）

雷金勇（1982—），男，博士，高级工程师，研究方向为新能源、分布式电源和微电网。Email：byron_lei@msn.com

董旭柱（1970—），男，博士，千人计划特聘专家，研究方向为配电自动化、储能、新能源和微网。Email：dongxz@csg.cn