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分布式光伏接入对配电网的影响及电压控制方法研究

2025-06-29 98 上传者：管理员

摘要：针对光伏能源大规模接入配电网带来的稳定性问题，本文研究了分布式光伏能源接入对配电网的电压、频率和功角稳定性的相关影响。揭示了分布式光伏能源间歇性和随机性对系统稳定性的影响。讨论应对各种不良影响因素可采取的控制策略，在此基础上，提出了一种基于比例积分+下垂控制的控制策略。通过仿真实验和结果分析表明，所提出的控制策略能有效提高含光伏能源的配电网稳定性，为分布式光伏接入配电网的规划和运行提供了依据和技术支持。

关键词：
下垂控制
分布式光伏
比例积分控制
系统稳定性
配电网
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伴随全球能源结构的持续调整和环境保护意识的不断加强,光伏发电在电力系统中的占比不断提高,根据国家能源局披露的2024年可再生能源并网运行情况显示,截至2024年12月,全国光伏发电装机容量达到8.86亿kW,新增装机2.78亿kW,同比增长28%,其中分布式光伏新增装机1.18亿kW｡随着分布式光伏的快速发展,其接入配电网的容量占比不断增大｡光伏发电系统是指光伏组件利用太阳能转换为直流电,并经过逆变器转换为交流电供给电器设备[1],分布式光伏发电运行方式更为灵活,可以根据不同的用电需求达成自我供给发电､余电上网等[2],不同于集中式光伏的集中发电,电能直接并入主干电网,分布式一般就近接入用户侧附近的低压或中压等级配电网,这种接入方式使其对配电网的影响更加直接更加显著｡光伏发电固有的间歇性和随机性特征给配电网的稳定运行带来了巨大的挑战｡

1、光伏能源接入对配电网稳定性的影响分析

分布式光伏的发电功率受日照强度､及温度等因素的影响较大,其功率波动会引起电网局部电压的产生较大的变化,光伏接入后可能使配电末端电压升高｡配电网的出线及供电方式结构相对复杂,而光伏发电特性与配电网自身的负荷特性不匹配,让电网电压频繁波动｡光伏逆变器仅输出有功会导致局部缺少无功,加剧电压变化｡系统频率会因光伏出力功率失衡而偏移,传统设备无法及时响应,电子设备降低了系统等效惯性,电网不仅频率恢复能力下降,而且故障期间功角控制与传统差异大,系统复杂性的提升给维持功角稳定性带来挑战｡分布式光伏能源的高比例接入对配电网的电压､频率和功角稳定性产生了深远的影响｡

1.1电压稳定性

1.1.1电压波动

光伏受光照强度和温度影响大,尤其是在日间阳光强烈时,光伏发电的功率输出较大,可能导致配电网电压超出正常范围,对设备和用户造成潜在的安全风险[3],光照减弱时,则发电功率骤降,随之电压下降｡而温度升高会使光伏电池输出功率降低,一天内的光照强度及温度变化会造成光伏发电的输出功率波动(见图1),继而导致配电网节点电压的频繁波动｡

图1某300kWp分布式光伏单日发电功率

传统配电网潮流是从集中式发电站流向负荷中心,电压从电源点到负载端逐步下降,相对稳定｡但光伏能源分布分散､而且发电不稳定,其接入位置各异､出力随天气变化,导致配电网潮流方向多变｡如中午光照充足时出力多,用电低谷而光伏发电功率大,光伏发电产生的电能本地消纳不完,向配电网注入功率｡进而配电网电压上升导致电压过高,甚至超过标准范围｡在高渗透率下,光伏能源发电占比大,传统电源调节能力弱,功率的波动易致电压越限｡长期的越限会减少设备使用寿命,极端时引发电压崩溃､大面积停电｡配电网的电压等级相对比较低,线路的阻抗较大,对于光伏发电产生的电压的变化更加敏感｡

1.1.2无功支撑不足

传统同步发电机靠调节励磁电流控制无功,电压降时增励磁输出无功,电压升时减励磁吸收无功,能快速响应稳定电压｡而光伏发电设备,正常情况运行在恒功率因素状态下,只向系统输送有功功率,所输送的无功功率输出为0[4];如光伏逆变器,主要为有功输出,无功输出能力有限,甚至还要从电网吸收无功,光伏能源无功支撑能力与传统的同步发电机差异大,加重电网负担｡

1.2频率稳定性

频率稳定性是配电网运行的关键指标,频率稳定是指电网频率保持在额定频率(如50Hz/60Hz)附近的能力｡光伏接入会导致电网频率波动,特别是在负荷突然变化或光伏出力波动较大时｡

1.2.1净负荷波动与频率调节

光伏能源功率起伏性和能源供应不连续性非常明显｡光伏发电受光照强度变化影响,发电功率起伏不定｡在接入配电网后,系统的净负荷波动将加大｡传统频率调节基于稳定的负荷曲线,但光伏能源发电功率难以预测,而面对大幅波动的净负荷,电力系统难以进行快速响应｡

1.2.2传统同步发电机组难以应对

光伏能源接入后,系统功率的波动快速且幅度大,远超出了传统机组的调节能力｡当光伏能源发电功率骤降时,传统机组无法及时提升出力来填补缺口,导致系统频率快速下降;发电功率突增时,机组又难以快速减少出力,引发频率上升,威胁频率稳定｡

1.2.3电力电子设备降低系统等效惯性

光伏逆变器等电力电子设备降低了系统等效惯性｡传统同步发电机转动惯量大,能够提供惯性支撑,而电力电子设备几乎不提供惯性响应｡系统发生功率扰动时,缺乏惯性抑制频率变化,在大量光伏发电接入时,系统等效惯性将更低｡

1.3功角稳定性

功角稳定是指电力系统在受到扰动后,各发电机之间的相对角度能够保持在一个安全的范围内,功角稳定性关乎电力系统稳定运行｡

1.3.1暂态稳定与新问题

电力电子设备的快速响应特性在系统短路或受扰动时,能迅速,抑制系统振荡,减少发电机功角大幅摆动,增强其暂态稳定性｡不过,设备控制参数与系统固有频率相互作用,匹配不当会引发次同步振荡,造成发电机轴系扭矩大幅波动,严重时损坏轴系,威胁系统安全｡

1.3.2动态交互增加系统复杂性

当光伏发电功率增加,系统发电功率过剩,传统发电机需减少出力,功角也随之改变｡光伏能源通过电力电子设备接入电网,响应速度和控制方式与传统发电机截然不同,系统受扰动时,光伏能源发电单元响应快,传统同步发电机惯性大且响应慢,二者动态行为差异大,光伏发电的接入削弱了传统同步发电机运行特性所主导的地位,系统整体动态行为模式更加复杂,这使传统功角稳定分析方法难以评定系统的稳定性｡

2、配电网稳定性的控制策略

随着光伏能源的广泛应用,尤其是光伏发电(Photovoltaic,PV)系统的迅速发展,接入配电网的容量占比不断增大｡在某些太阳能源丰富且具备安装条件的地区,分布式光伏的装机容量已经接近或是超过了本地配电网承载能力｡过去分布式光伏接入配电网的容量占比通常比较小,对配电网的运行影响也相对较小｡当光伏的容量所占比例到达一定程度,所造成的影响就更为突出｡如何有效管理这些分布式光伏对电网的影响成为了一个重要课题｡

2.1在电压控制方面

光伏发电不管昼夜交替､还是云层遮挡使光照强度变化不定,都会使电压随之一起变化｡在电力系统中,电压的稳定取决于系统的无功功率,当系统无功功率不平衡时,将会导致电压偏离基准值[5]｡为解决功率因数下降的问题,光伏电站可以提供无功补偿能力,并网点处安装自动投补控制,主动控制调节出功功率提高功率因数,减少对电网的无功吸收,帮助稳定电网电压｡

针对电压波动控制问题,需要实时监测电网电压变化,当电网电压与额定电压出现偏差时,及时根据偏差的大小调整,为让电压尽快向额定电压靠近引入比例控制,比例控制是一种误差比例放大机制,其核心是通过调整量与误差之间的比例关系来实现误差初始阶段的快速响应｡比例控制不能消除稳态误差｡为了消除比例控制中的稳态误差,加入积分项,积分控制可以累积误差来对电网持续进行调节,如此就形成了比例积分控制(PIControl):

式中Kp为比例系数,Ki为积分系数｡

2.2对于频率调节问题及功角稳定控制策略

为了应对净负荷波动和频率波动,光伏电站同时可增加储能系统,在电压波动时释放或吸收电能平衡电网的净负荷波动｡当检测到电网频率降低时增加有功功率输出以支撑电网频率｡电网频率上升时则降低有功功率输出｡

下垂控制(DroopControl)是通过模拟传统同步发电机的机械惯性特性,使逆变器在频率变化时能够自动调整有功功率的输出｡电网频率变化时,输出功率按照比例关系进行调整进而增强电力系统的频率稳定性｡表达式为:

式中P0为初始功率,Kp为频率下垂系数,f为实际电网频率,f0为额定频率｡

下垂控制可以在每个分布式光伏上根据的容量大小设置不同的下垂系数,只需测量电网频率和电压,根据下垂特性来调整输出功率,具有较高的自主性｡下垂控制让光伏发电系统表现出传统同步发电机的特性,简化了动态响应,等效于向电网注入阻尼转矩,以此抑制同步机间的低频振荡,间接提升了电网系统的功角稳定性｡

比例积分控制和下垂控制两者结合,在现有逆变器设备上通过增加光伏电站无功补偿能力和储能系统即可实现扩展,投资成本低｡对于不同规模的光伏发电系统,可根据容量动态调整系数｡比例积分控制与下垂控制互补调节,可自主维持电压和频率､功角,不依赖主网支撑,显著提升配电网的稳定性｡

3、仿真实验与结果分析

基于MATLAB平台搭建的光伏能源的配电网仿真模型,并评估对比其性能指标｡

3.1系统参数

基准电压Vbase设置为10kV,恒定负荷功率Pload设置为500kW｡储能系统参数:最大储能容量1000kWh,最大充放电功率100kW,无功补偿量:50kVar,光伏出力波动模拟的是晴天云层遮挡,采用了正弦波叠加随机噪声的形式:

其中,300kW为基础值,100表示正弦波动幅度,50表示随机噪声幅度｡

3.2场景设置

(1)无控制(传统运行):

(2)比例积分控制(PIControl)+下垂控制(DroopControl),见式(1)､式(2)｡

3.3结果分析

电压稳定容差范围设定为±0.1kV,由表1可以看出,电压波动范围从10.01—9.86kV下降至10.02—9.97kV｡PI+下垂控制显著减少了电压波动,稳定时间占比从70.54%提升至100%,使电压更接近参考值｡

表1电压稳定性对比表格

频率稳定容差范围设定为±0.1Hz,由表2可以看出,最大频率偏差从0.3Hz下降至0.1Hz,PI+下垂控制稳定时间占比从70.14%提升至95.63%,进一步提高了系统频率的稳定性｡

表2频率稳定性对比表格

功角稳定容差范围设定为±5度,由表3可以看出,最大功角偏差从18度下降至5度,稳定时间占比从61.63%提升至90.52%｡

表3功角稳定性对比表格

通过结果可以看出,比例积分控制+下垂控制在应对光伏接入配电网所带来的配电网稳定性问题时表现优秀,在电压稳定性方面减少电压波动,在频率稳定性方面控制了最大频率偏差,而最大功角偏差也有明显下降｡

4、结论

分布式光伏能源的高比例接入对配电网的电压､频率和功角稳定性产生影响｡在研究分析了分布式光伏能源接入对配电网稳定性的影响及配电网稳定性的控制策略后,通过增加光伏电站无功补偿能力和储能系统,提出基于比例积分+下垂控制的控制策略,明显降低了系统的波动及偏差｡综上所述,在进行分布式光伏接入时,结合本文提出的光伏并网稳定性控制策略可以明显提高配电网的稳定性｡

参考文献:

[1]董建辉.高效屋顶光伏发电及其并网系统研究[J].资源信息与工程,2024,39(01):119-122.

[2]肖艳.基于光伏发电并网技术的光伏系统设计研究[J].光源与照明,2024(08):102-104.

[3]周恒.分布式光伏发电并网系统对配电网运行安全的影响及优化措施[J].光源与照明,2023(07):135-137.

[4]张建新,刘宇明,邱建,等.区域新能源并网暂态功角稳定分析与紧急控制策略优化[J].南方电网技术,2024,18(07):129-138.

[5]季振东,王亚祥,李东野,等.电力电子变压器参与配电网调压调频的应用研究[J].太阳能学报,2024,45(06):182-190.

文章来源:方军明.分布式光伏接入对配电网的影响及电压控制方法研究[J].城市建设理论研究(电子版),2025,(18):4-6.