张 昕，魏立明，张 师

(1.吉林建筑大学，长春 130011；2. 东北电力大学，吉林 吉林 132012)

“十四五”是我国能源转型关键时期，光伏发电作为技术较为成熟的清洁能源之一，在国内得到了迅猛发展[1-3]。由于集中接入对电网安全性和经济性带来很大挑战，因此在国家大力支持下，大规模分布式光伏在农村接入配电网。大规模光伏接入配电网后，对电网的稳定性、经济性以及电能质量都会产生一定影响[4-6]。因此，光伏分布式接入对配电网的影响是一项值得研究的工作。目前，关于分布式光伏接入配电网方面已经取得了一些研究成果。文献[7]基于多时间断面计算结果采用复合差分进化算法对风光储联合系统最优接入容量进行计算；文献[8]研究了一种适用于分布式光伏交易的区块链共识机制，并采用10节点算例验证其有效性；文献[9]采用故障点法研究了光伏接入对配电网电压凹陷域的影响，结果表明适当增加光伏并网可以减少电压凹陷域，但该文献影响机理及其是否适用于其他系统仍有待进一步考证；文献[10]在PSCAD/EMTDC软件中搭建了光伏并网发电系统仿真模型，并仿真分析了分布式光伏并网对配电网电压的影响；文献[11]研究了光伏并网对配电网电压的影响，并提出了如何配置无功容量可以更有效地调节光伏并网系统电压波动和降低网损。

现有的研究成果中，大部分研究成果是关于光伏分布式接入对配电网电压质量和运行经济性的影响，且主要基于仿真分析得出，对分布式光伏接入配电网的影响机理分析较少。

基于此，本文将在分析配电网电压稳定指标及光伏波动特性的基础上，研究光伏分布式接入对配电网电压稳定性的影响，并通过某实际算例系统加以验证。

1 配电网电压稳定指标

配电网电压稳定L指标是基于潮流可解性推导出的。系统中任意两个相邻节点i和j，假设功率从i节点流向j节点，则i节点和j节点电压的关系可以表示为：

(1)

(2)

式中：Ui为i节点电压幅值；Uj为j节点电压幅值。

公式(2)可以化简为：

(3)

若Uj有解，则根据一元二次方程根的判别式可知：

QjXij)2+(PjXij-QjRij)2]≥0

(4)

将公式(4)化简可得：

(5)

因此可得出电压稳定L指标：

(6)

取各支路中最大的L值作为系统的L指标。如果L≤1，则Uj有解，电压稳定；如果L>1，则Uj无解，电压不稳定。

2 光伏接入对配电网电压稳定的影响机理

某光伏观测站不同典型天气类型日的光伏功率数据见图1。从图1可以看出，不同天气的光伏功率波动大小有显著区别，晴天光伏功率峰值最大，雨天光伏功率峰值最小；光伏功率波动峰值主要出现在10∶00-14∶00。不同天气下的光伏功率在17∶00-第二天5∶00均为0。

图1 光伏观测站实际数据

若将各节点电压近似为额定电压UN，公式(6)可以变为：

(7)

采用标幺制计算，可将式(7)改为：

L=4[(PjXij-QjRij)2+(PjRij+QjXij)]

(8)

当少量光伏接入配电网末端，光伏发电就地消纳抵消部分负荷，式(8)中的末端功率Pj将减少，从而减小L，提高系统的电压稳定性。当末端接入光伏较多而负荷较少时，末端功率Pj为负，即有功功率由末端流向始端，可能会使L增加，从而降低系统的电压稳定性。

基于以上分析可知，光伏适量接入会减少线路流过功率，提高电压稳定性。

3 算例分析

采用吉林市某地区10 kV配电网进行分析，见图2，图中1节点为平衡节点，共20个节点，25条支路。设定收敛精度为1×10-6，采用极坐标形式的牛顿法进行潮流求解。

图2 某地区20节点配电网

接入光伏前，该系统的静态电压稳定指标L=0.280 2。

按光伏发电功率50 W/m2，接入2 000 m2计算，光伏峰值日照时发电量约为0.1 MW；若在农村接入，则可接入的光伏会比较大，按接入12 000 m2计算，光伏峰值日照时发电量约为0.6 MW。

在不同节点分别接入不同容量的光伏后，系统的电压稳定L指标的变化趋势见图3。

图3 光伏接入不同位置后系统电压稳定L指标

当光伏接入13节点、14节点、15节点、16节点、17节点、18节点时，L较小，电压稳定性较好。根据图2可知，这6个节点均在配电网末端。根据以上分析可知，当光伏接入配电网末端对电压稳定性的改善效果较好。

根据该地区实际情况，按各地点不同的允许接入光伏面积，分布式接入光伏，接入容量见表1。

表1 光伏接入节点及容量 kW

系统的电压稳定指标取系统中最大的L值，即系统中相对最不稳定的线路的L指标。

光伏分布式接入配电网后，系统的电压稳定L指标为0.072 2，系统接入分布式光伏前后各支路电压稳定L指标见图4。

从图4可以看出，当光伏分布式接入后，改变了各支路的L指标，其中17支路的L指标由0.280 2变为0.060 3。根据前面的分析，光伏接入后对系统电压稳定的影响机理是由于对支路的功率产生了影响，减少了支路潮流从而减小了L指标，提高了系统电压稳定性。为验证本文的分析，将各支路首端的有功功率和无功功率进行计算并分析，功率变化见图5和图6。

图4 光伏分布式接入配电网前后各支路L指标

图5 光伏分布式接入系统前后各支路首端有功功率

图6 光伏分布式接入系统前后各支路首端无功功率

从图5和图6可以看出，光伏接入前后对各支路的有功功率流动影响较大，对无功功率的流动影响不大。根据公式(7)，由于线路流过的功率改变，使得支路L指标改变，从而影响了系统的电压稳定性。

根据以上分析可知，光伏分布式接入对系统电压稳定性的影响机理为改变了各支路的功率流动，从而减小了L指标，提高了电压稳定性。光伏集中接入时，接入到配电网末端位置，改善效果更为明显。

对于不同天气的光伏峰值日照输出功率变动对系统电压稳定指标的影响见图7。

图7 不同天气各支路L指标

从图7可以看出，晴天系统的L指标最小，电压稳定性最好，大雨天系统的L指标最大，电压稳定性最差。这是由于大雨天光伏输出功率最小，而晴天输出功率最多；光伏输出功率越小，线路流过的功率越多，越不利于电压稳定。

4 结论

本文分析了分布式光伏接入对配电网的电压稳定的影响机理。通过本文分析可得出以下结论：

a.相同容量光伏接入配电网末端，会提高电网的电压稳定;

b.受天气影响，光伏峰值日照输出功率会发生变化，少量光伏并网，随着光伏输出功率增多，线路流过功率越少，越利于电压稳定。