光伏電站并網(wǎng)運行典型問題分析

，，，

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 211100)

1 引言

近年來，隨著光伏發(fā)電成本的逐漸降低，我國光伏發(fā)電裝機(jī)容量呈快速增長,2016年，我國光伏發(fā)電新增和累計裝機(jī)容量均達(dá)全球第一[1],截至2017年上半年，光伏電站累計裝機(jī)容量6710萬千瓦，分布式累計裝機(jī)容量1032萬千瓦[2],全國新增光伏發(fā)電裝機(jī)容量同比增長9%。隨著電網(wǎng)中光伏發(fā)電占比的逐漸提高，光伏發(fā)電對電網(wǎng)的影響也愈加凸顯。

大規(guī)模光伏并網(wǎng)運行會對電力系統(tǒng)的電壓越限、潮流、網(wǎng)損、振蕩存在較大的影響，大規(guī)模光伏集中接入負(fù)荷水平較低的電網(wǎng)，接入的地區(qū)電網(wǎng)短路容量相對較小，隨機(jī)波動的有功出力穿越近區(qū)電網(wǎng)以及長輸電通道，影響到電網(wǎng)無功平衡特性，光伏電源無功電壓支撐能力較弱，發(fā)生電壓質(zhì)量越限甚至電壓失穩(wěn)的風(fēng)險加大，光伏接入改變了電網(wǎng)既有的輻射狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，單電源結(jié)構(gòu)變成了雙電源或多電源，電網(wǎng)潮流分布大小、方向等復(fù)雜多變，潮流變得更加難控，進(jìn)而影響到電網(wǎng)的電壓質(zhì)量[3-9]。在系統(tǒng)頻率方面，隨著光伏滲透率的提高，電力系統(tǒng)靜態(tài)頻率偏差會增加，越限的可能性也會相應(yīng)加大[10]；云團(tuán)移動等天氣原因會造成大規(guī)模光伏系統(tǒng)出力的大幅度波動，并影響區(qū)域電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定[11-12]。另外，光伏接入也會對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)產(chǎn)生一定的影響，光伏電站弱電源特性會造成送出線路的光伏側(cè)電流保護(hù)不能啟動、差動電流保護(hù)靈敏度下降以及距離保護(hù)誤動和拒動，需要對原有的保護(hù)配置進(jìn)行調(diào)整[13-16]。

當(dāng)前光伏對電力系統(tǒng)的影響研究以理論建模仿真為主，分析不同工況下運行情況，這種方式得到的計算結(jié)果與光伏實際運行特性和影響差異較大，不能真實反映并網(wǎng)存在的問題，需要基于實測數(shù)據(jù)對光伏運行特性及對電力系統(tǒng)的影響進(jìn)行研究。本文基于江蘇電網(wǎng)部分光伏電站實測運行數(shù)據(jù)，分析了光伏電站在有功潮流、無功電壓、電能質(zhì)量等方面存在的典型問題。

2 有功潮流

光伏電站并網(wǎng)后對有功潮流的影響主要由光伏出力的間歇性、隨機(jī)性、波動性引起。光伏出力主要由太陽輻照度決定，天氣變化導(dǎo)致光伏電站有功出力出現(xiàn)短時頻繁波動，將影響電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。國家標(biāo)準(zhǔn)允許出現(xiàn)因太陽能輻照度降低而引起的光伏電站有功功率變化速率超出限值的情況，但當(dāng)并網(wǎng)光伏電站容量較大時，光伏電站對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響不容忽視，特別是當(dāng)光伏并網(wǎng)容量較大時，在滿足同母線負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上將會出現(xiàn)向上級電網(wǎng)倒送功率的現(xiàn)象，對地區(qū)潮流分布產(chǎn)生影響。

2.1 單日有功輸出波動分析

對選取的光伏電站全年間隔1分鐘有功運行數(shù)據(jù)進(jìn)行實測統(tǒng)計分析，分別提取光伏電站單日有功功率變化速率最大的一天，有功變化速率超標(biāo)頻次見表1。

表1 單日有功變化速率超標(biāo)頻次

由表1可知，光伏有功輸出具有明顯的隨機(jī)性和波動性，單日內(nèi)最大有功變化速率均接近或超過裝機(jī)容量的50%，最大達(dá)裝機(jī)容量78.3%。分布在不同地區(qū)的光伏電站有功變化速率超過10%裝機(jī)容量/min的年總次數(shù)均在2000次以上。

對光伏出力波動原因進(jìn)行分析，提取100MW光伏電站D站兩個月的有功出力及日幅照度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(圖1為3天數(shù)據(jù)曲線)，光伏有功出力曲線變化趨勢與日幅照度曲線基本一致，即日輻照度是導(dǎo)致光伏出力變化的主要原因。

2.2 不同天氣有功輸出波動分析

天氣狀況直接影響光伏發(fā)電的功率輸出，仍以光伏D站為例，晴天、多云、陰天、雨雪四種典型天氣下的單日有功輸出如圖2和表2所示。

圖1 某100MW光伏電站3天日出力及幅照度曲線

圖2 某100MW光伏電站在四種典型天氣的有功輸出曲線

由表2可知，天氣對光伏有功輸出的波動水平有顯著影響，晴天時光伏出力平穩(wěn)；多云天氣受云層間斷遮擋影響，光伏有功輸出波動較大，光伏有功輸出波動大于10%裝機(jī)容量/min的次數(shù)較多，1分鐘內(nèi)變化可超過裝機(jī)容量的50%；陰天時，光伏出力波動較大，但是相對多云天氣變化緩慢，1分鐘內(nèi)波動變化量最大僅為15.63MW/min；雨雪天氣時，光伏整體有功輸出水平很低，有功波動較小。

根據(jù)事件記錄，光伏電站所在區(qū)域電網(wǎng)出現(xiàn)3700MW有功缺額時，頻率最大跌落0.24Hz，出現(xiàn)4900MW有功缺額時，頻率最大跌落0.44Hz，當(dāng)大量的光伏同時接入電網(wǎng)，光伏的短時劇烈波動會疊加到系統(tǒng)有功缺額中，可能導(dǎo)致較大的頻率偏差。

2.3 并網(wǎng)點有功潮流影響

高滲透率光伏并網(wǎng)區(qū)域，光伏有功輸出波動到達(dá)一定程度時，會造成區(qū)域電網(wǎng)有功波動，有可能出現(xiàn)局部潮流頻繁反轉(zhuǎn)情況。

光伏電站多數(shù)建設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)，接入地區(qū)用電負(fù)荷較低，電站所發(fā)電量很難就地消納，光伏接入的35kV和110kV變電站功率倒送現(xiàn)象常有發(fā)生，嚴(yán)重時會越級倒送至220kV電網(wǎng)。圖3為典型日某地區(qū)220kV變電站主變高壓側(cè)有功功率曲線，在上午8:30-10:00和下午15:00-16:00期間由于光伏出力較大，且頻繁波動，出現(xiàn)了潮流頻繁反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，而且10:00-15:00期間該變電站為向上級電網(wǎng)倒送功率狀態(tài)。

圖3 典型日并網(wǎng)點有功功率

3 無功電壓

光伏電站接入電力系統(tǒng)后，作為電源改變了電網(wǎng)的潮流分布，同時光伏電站本身具有無功調(diào)節(jié)能力，光伏電站并網(wǎng)對區(qū)域無功電壓平衡產(chǎn)生重要影響。

通過對選取光伏電站全年運行數(shù)據(jù)分析，220kV并網(wǎng)光伏電站基本無電壓越限；110kV并網(wǎng)光伏電站電壓存在不同程度越上限現(xiàn)象，如表3所示。

表3 部分光伏電站并網(wǎng)點母線電壓

從表中可以看出，110kV光伏電站越限占比在3.3%～16.24%之間，部分光伏電站并網(wǎng)點電壓越限較為嚴(yán)重。光伏電站D不同時段并網(wǎng)運行情況如圖4所示，并網(wǎng)點電壓頻繁出現(xiàn)越上限現(xiàn)象。從圖中可以看出光伏電站出力與并網(wǎng)點電壓成一定程度的正相關(guān)性，隨著光伏電站出力的增加，并網(wǎng)點電壓呈現(xiàn)升高趨勢。光伏電站的無功出力較小，未對并網(wǎng)點電壓進(jìn)行有效控制。

圖4 典型時段光伏D站并網(wǎng)運行情況

國標(biāo)要求110(66)kV電壓等級接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電站應(yīng)能夠控制光伏發(fā)電站并網(wǎng)點電壓在標(biāo)稱電壓的97%～107%范圍內(nèi)。同時要求通過110(66kV)及以上電壓等級接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電站應(yīng)配置無功電壓控制系統(tǒng)，具備無功功率調(diào)節(jié)及電壓控制能力，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)指令，光伏發(fā)電站自動調(diào)節(jié)其發(fā)出(或吸收)的無功功率，實現(xiàn)對并網(wǎng)點電壓的控制，其調(diào)節(jié)速度和控制精度應(yīng)滿足電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的要求。實際運行過程中，雖然光伏電站AVC系統(tǒng)投入運行后電站并網(wǎng)點電壓越限現(xiàn)象得到改善，圖5～圖6為AVC系統(tǒng)投入前后光伏電站D的并網(wǎng)點電壓波形，仍會存在并網(wǎng)點電壓偏高現(xiàn)象，光伏電站完全充分發(fā)揮電站的無功調(diào)節(jié)能力需要進(jìn)一步提升。

圖5 光伏D站AVC投運前電壓情況

圖6 光伏D站AVC投運后電壓情況

4 電能質(zhì)量

當(dāng)前主流廠家的光伏逆變器通過控制可實現(xiàn)諧波電流發(fā)生量的抑制，控制光伏電站注入電網(wǎng)諧波電流不超標(biāo)，表4～表6為實測部分光伏電站諧波數(shù)據(jù)統(tǒng)計，從表中可以看出諧波電流實測值均小于限值的50%，光伏電站注入電網(wǎng)諧波滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

表7為實測部分光伏電站并網(wǎng)點長時間閃變值，光伏電站并網(wǎng)運行時長時間閃變基本小于國標(biāo)限值50%，部分光伏電站長時間閃變略高，但也均未超過國標(biāo)限值的80%。表8為部分光伏電站并網(wǎng)點負(fù)序電壓不平衡度實測統(tǒng)計，光伏電站并網(wǎng)運行時負(fù)序電壓不平衡度均小于國標(biāo)限值50%。

從上述實測數(shù)據(jù)分析可知，光伏電站并網(wǎng)運行對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響相對較小。但若并網(wǎng)點短路電流較小時，諧波電流限值減小，也會出現(xiàn)電站注入電網(wǎng)諧波超標(biāo)現(xiàn)象。

表4 D站注入電網(wǎng)各次諧波電流大值

表5 E站注入電網(wǎng)各次諧波電流大值

表6 K站注入電網(wǎng)各次諧波電流大值

表7 各光伏電站并網(wǎng)點長時間閃變值

表8 各光伏電站運行時負(fù)序電壓不平衡度

5 結(jié)論

本文基于光伏電站實測運行數(shù)據(jù)，分析了光伏電站在有功潮流、無功電壓、電能質(zhì)量等方面存在的典型問題并得出一些結(jié)論，對提升光伏電站并網(wǎng)安全運行具有參考價值。

(1)光伏電站出力受天氣、光照影響具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，引起光伏電站有功變化速率超過國標(biāo)限值明顯，隨著規(guī)模化并網(wǎng)，可能影響系統(tǒng)有功平衡。

(2)光伏電站并網(wǎng)點電壓越限次數(shù)發(fā)生概率大，光伏電站無功調(diào)節(jié)能力要進(jìn)一步加強(qiáng)。

(3)光伏電站注入電網(wǎng)的諧波、負(fù)序等問題不再是主流問題，基本能滿足國標(biāo)要求。