區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)光伏電力高占比時電網(wǎng)過壓問題的分析

王 飛，李永勝

(1.天威新能源系統(tǒng)工程(北京)有限公司，北京 100010；2.國網(wǎng)青海省電力公司海東供電公司，海東 810699)

0 引言

為響應(yīng)國務(wù)院“打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)”的號召，國家能源局于2015年底印發(fā)了《關(guān)于加快貧困地區(qū)能源開發(fā)建設(shè) 推進(jìn)脫貧攻堅(jiān)實(shí)施意見的通知》(國能規(guī)劃[2015]452號)。該文件為扶貧光伏電站提供了政策支持，帶動了各省扶貧光伏電站的建設(shè)，并開發(fā)了農(nóng)光互補(bǔ)、屋頂分布式、村級集中式、合資共建等多種模式的扶貧光伏電站。

2018年1 月，國家能源局、國務(wù)院扶貧開發(fā)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于下達(dá)“十三五”第一批光伏扶貧項(xiàng)目計(jì)劃的通知》(國能發(fā)新能[2017]91號)，該文件下達(dá)了14個省(自治區(qū))、236個光伏扶貧重點(diǎn)縣的光伏扶貧項(xiàng)目，共8689個村級電站，總裝機(jī)規(guī)模約為4.186 GW；扶貧光伏電站模式固定為“政府全部投資，建設(shè)村級扶貧光伏電站”的模式。

2019年4 月，國家能源局、國務(wù)院扶貧開發(fā)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室發(fā)布了《關(guān)于下達(dá)“十三五”第二批光伏扶貧項(xiàng)目計(jì)劃的通知》(國能發(fā)新能[2019]37號)，該文件下達(dá)了15個省(區(qū))、165個縣的光伏扶貧項(xiàng)目，共8689個村級光伏扶貧電站，總裝機(jī)規(guī)模約為1.673 GW。

上述村級光伏扶貧電站(以下簡稱“村級電站”)將對脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)起到關(guān)鍵作用，但如此大規(guī)模的村級電站并入設(shè)計(jì)容量本就較低的村級電網(wǎng)，勢必會對各地的電網(wǎng)造成巨大影響。本文以某個接入10 kV中低壓電網(wǎng)的村級電站為例，對其造成的區(qū)域電網(wǎng)過壓問題進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的解決方案并進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 村級電站概況

1.1 站內(nèi)概況

用于本文分析的村級電站建設(shè)在當(dāng)?shù)厣巾數(shù)囊黄_闊平地上，總裝機(jī)容量為6902.28 kWp，采用315 Wp的單晶硅光伏組件共21912塊。每22塊光伏組件組成1個光伏組串，共計(jì)996個光伏組串。每12個或13個光伏組串接入1臺80 kW的光伏逆變器，其中接入12個組串的光伏逆變器數(shù)量為31臺，接入13個組串的光伏逆變器數(shù)量為48臺，共計(jì)79臺光伏逆變器。每11臺或17臺光伏逆變器接入1臺升壓箱變，其中接入11臺光伏逆變器的升壓箱變數(shù)量是1臺，升壓箱變?nèi)萘繛?000 kVA；接入17臺光伏逆變器的升壓箱變數(shù)量是4臺，升壓箱變?nèi)萘繛?600 kVA，共計(jì)5臺升壓箱變。5臺升壓箱變通過2回光伏進(jìn)線接入電站的開關(guān)站內(nèi)，匯流后經(jīng)1回10 kV線路輸出到站外的公共連接點(diǎn)。同時，村級電站配有輸出額定容量為±2 MVar的靜止無功發(fā)生器(SVG)。

1.2 站外概況

村級電站的出線支路是通過長372 m的架空線路以“T”接的形式就近并入附近的10 kV電網(wǎng)主線；以1臺桿上斷路器作為支路與電網(wǎng)的分段斷路器，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)支路與主網(wǎng)的分段保護(hù)；并網(wǎng)支路與主網(wǎng)間的“T”接點(diǎn)與上級變電站輸出側(cè)之間是長14.8 km的主干線路。

村級電站接入的區(qū)域電網(wǎng)的上級變電站的電壓等級為35/10 kV，主變?nèi)萘繛?.0+6.3 MVA(2臺主變并列運(yùn)行)；10 kV單母線接線的出線為4回，本次并網(wǎng)接入的主線路為其中1回。站外線路總長為48.59 km，其中主干線長為16.5 km，導(dǎo)線型號為JKLGYJ-10kV-120/20(20 ℃時導(dǎo)線導(dǎo)體直流電阻為0.253 Ω/km)；分支線路總長為32.09 km，導(dǎo)線型號為JKLGYJ-10kV-95/15。截至2018年底，村級電站所在的整個區(qū)域電網(wǎng)的裝機(jī)容量為6.13 MVA，其中包含裝機(jī)容量為5.87 MVA 的47臺公用變壓器，裝機(jī)容量為0.26 MVA的15臺專用變壓器。區(qū)域電網(wǎng)主干線路設(shè)計(jì)容量為5.97 MVA，其中村級電站并網(wǎng)當(dāng)月中午(11:00～13:00)的有功功率負(fù)荷均值為0.501 MW。

2 電網(wǎng)過壓問題的概述與分析

2.1 電網(wǎng)過壓問題

上述村級電站投入運(yùn)行后，在不投入SVG的情況下(正常情況下，SVG的投運(yùn)控制應(yīng)由當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)地調(diào)統(tǒng)一控制，且一般不開啟)，隨著村級電站并網(wǎng)輸出有功功率的增大，其在線路中的負(fù)荷占比也逐漸增大。某次當(dāng)村級電站的并網(wǎng)輸出有功功率達(dá)到3.30 MW、負(fù)荷占比達(dá)到56.2%時，并網(wǎng)點(diǎn)AB相電壓達(dá)到了11.500 kV，村級電站的全部逆變器由于電網(wǎng)過壓觸發(fā)了過壓保護(hù)停機(jī)，逆變器停止工作。

針對因接入的村級電站光伏電力負(fù)荷占比過大而造成電網(wǎng)電壓過高并引發(fā)全電站逆變器過壓保護(hù)停機(jī)的問題，再次進(jìn)行村級電站在不投入SVG情況下的并網(wǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，當(dāng)村級電站并網(wǎng)輸出有功功率達(dá)到3.34 MW、負(fù)荷占比為56.9%時，電站內(nèi)開始有逆變器觸發(fā)高壓保護(hù)停機(jī)，此時停止試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此時并網(wǎng)點(diǎn)AB相電壓為11.368 kV，未能再次達(dá)到11.500 kV；分析試驗(yàn)中電壓的波動情況時，發(fā)現(xiàn)之前并網(wǎng)輸出有功功率達(dá)到3.30 MW時并網(wǎng)點(diǎn)AB相電壓達(dá)到11.500 kV可能是由于電網(wǎng)電壓的波動造成的，該波動還造成了電站全部逆變器同時過壓保護(hù)停機(jī)的情況。

因村級電站配置有輸出額定容量為±2 MVar的SVG，因此在發(fā)生電網(wǎng)過壓問題后，手動投入SVG，使其工作在恒電壓模式下，設(shè)置的村級電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓為10.8 kV；當(dāng)電站滿負(fù)荷運(yùn)行(光伏發(fā)電實(shí)際有功功率峰值為5.75 MW)時，SVG發(fā)出的無功功率峰值達(dá)到-2.08 MVar，電站中的逆變器不再因?yàn)殡娋W(wǎng)過壓問題而保護(hù)停機(jī)。

村級電站并網(wǎng)運(yùn)行過程中的輸出有功功率、負(fù)荷占比及并網(wǎng)點(diǎn)AB相電壓參數(shù)如表1所示。

圖1為村級電站并網(wǎng)輸出有功功率的負(fù)荷占比不同時，并網(wǎng)點(diǎn)AB相電壓的變化情況。從圖中可直觀地看出，電站并網(wǎng)點(diǎn)AB相電壓基本與村級電站并網(wǎng)輸出有功功率的負(fù)荷占比呈正相關(guān)。

上述因并網(wǎng)輸出有功功率負(fù)荷高占比造成區(qū)域電網(wǎng)過壓，從而引發(fā)逆變器過壓保護(hù)停機(jī)的情況，在其他村級電站中也經(jīng)常出現(xiàn)。

2.2 電網(wǎng)過壓問題的分析

電網(wǎng)過壓問題是村級電站中較為普遍的現(xiàn)象，原因包括：1)村級電站的建設(shè)與國家政策有關(guān)，此類電站多建設(shè)在偏遠(yuǎn)農(nóng)村，而農(nóng)村電網(wǎng)的設(shè)計(jì)容量較小，但又需要建設(shè)滿負(fù)荷運(yùn)行時接近整個線路容量的光伏電站，所以易造成電網(wǎng)過壓的情況。2)此類電站必須無限制的滿功率發(fā)電，否則易影響扶貧資金的落實(shí)，這就造成許多地方供電公司陷入了兩難境地，既要保證完成任務(wù)，又要保證區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定和整改費(fèi)用的控制。因此，對于區(qū)域電網(wǎng)接入扶貧光伏電站后的電網(wǎng)過壓問題，只能采取改進(jìn)電網(wǎng)或增加電站無功補(bǔ)償設(shè)備的措施。

由于村級電站所處區(qū)域電網(wǎng)的村民居住用電負(fù)荷較低，而電站輸出的有功功率較大(預(yù)計(jì)有功功率峰值為5.90 MW)，所以村級電站所發(fā)電力除去區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的消耗外，其余上網(wǎng)電量要通過上級變電站返送到其他用電線路；再加上村級電站的并網(wǎng)點(diǎn)位于區(qū)域電網(wǎng)配電線路，其距離上級變電站較遠(yuǎn)，因此村級電站所發(fā)電力返送至上級變電站時造成的線路電壓損耗可能是造成電網(wǎng)過壓問題的主要原因。下文對這一推測進(jìn)行驗(yàn)證。

鑒于無法統(tǒng)計(jì)村級電站并網(wǎng)時主干線路的實(shí)時用電有功負(fù)荷，且村級電站所處區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷絕大部分為村民居住用電[1](0.26 MVA容量為行政辦公用電)，因此將該處區(qū)域電網(wǎng)在村級電站并網(wǎng)當(dāng)月中午(11:00～13:00)的有功功率負(fù)荷均值0.501 MW作為村級電站并網(wǎng)時主干線路的實(shí)時用電有功負(fù)荷Pw，即Pw=0.501 MW。

根據(jù)村級電站的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，SVG未投入時，村級電站的最大并網(wǎng)輸出有功功率為3.34 MW；由此，可認(rèn)為在未投入SVG、電網(wǎng)產(chǎn)生過壓情況時，村級電站的晴天日有功功率峰值Pvj=3.34 MW(一般是在一天中的中午11:00～13:00之間)。

則晴天中午時，通過區(qū)域電網(wǎng)主干線路返送到變電站的有功功率峰值功率Pg可表示為：

代入相關(guān)數(shù)值可知，Pg=2.839 MW。

若光伏電力負(fù)荷占比過大，由線路引起的配電網(wǎng)電壓損耗也會較大。對區(qū)域電網(wǎng)主干線路進(jìn)行簡化計(jì)算，只考慮線路的阻抗和感抗，可以得到架空線路的等效電路模型[2]，如圖2所示。

圖2 架空線路的等效電路模型[2]Fig.2 Equivalent circuit model of overhead line

圖2中，Ug為光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓；Uf為上級變電站輸出側(cè)的電壓；Ig為并網(wǎng)光伏電力的電流；If為上級變電站的輸入電流；R為線路電阻；L為線路的感抗。

由圖2可知，輸電線路的電壓損耗ΔU可表示為：

式中，φ為電壓電流相位差；查手冊后L取0.303 Ω/km；Ug取 11.368 kV。

其中，

式中，Q為輸電線路輸送的無功功率，當(dāng)SVG不投入時，φ為零，則Q=0；Pg取839 kW。

因此，輸電線路的電壓損耗ΔU還可表示為：

本次輸送村級電站電力到上級變電站的架空絕緣導(dǎo)線的型號為JKLGYJ-10kV-120/20、電阻為0.253 Ω/km，當(dāng)輸電線路長度為15.172 km時，輸電線路電阻R=3.84 Ω。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)～式(4)可知，在不投入SVG的情況下，村級電站的輸出有功功率達(dá)到3.34 MW時，輸電線路的電壓損耗ΔU=959 V。則上級變電站輸出側(cè)的電壓Uf=10.409 kV。

綜上所述，當(dāng)并網(wǎng)電壓達(dá)到11.368 kV時，上級變電站輸出側(cè)電壓Uf小于額定電壓的10.5 kV。從而可以得出結(jié)論：區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)光伏電力高占比時，因光伏電站所發(fā)電力減去區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的電力消耗后，剩余上網(wǎng)電量要通過區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)線路返送至上級變電站，此過程中的線路電壓損耗會造成區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的電網(wǎng)電壓升高，從而引起電網(wǎng)過壓問題。

3 電網(wǎng)過壓問題的解決方案

3.1 村級電站的解決方案

綜上所述，針對村級電站的電網(wǎng)過壓問題，可以從以下幾方面解決：

1)村級電站盡量選擇靠近上級變電站的位置，從而減小線路電壓損耗。當(dāng)架空線路的長度縮短為2 km時，采用同樣規(guī)格的JKLGYJ-10kV-120/20電纜，線路的電阻則會降為0.506 Ω。當(dāng)電站輸出有功功率達(dá)到3.34 MW且上級變電站輸出側(cè)電壓為10.409 kV時，輸出線路的電壓損耗為160 V，即光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓為10.569 kV。

同理，在上述條件下，當(dāng)輸出有功功率達(dá)到5.9 MW時，電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓約為10.758 kV，即電站滿功率發(fā)電時不會出現(xiàn)電網(wǎng)過壓的情況。

2)選擇并網(wǎng)點(diǎn)時，應(yīng)盡量選擇較高的電壓等級并網(wǎng)，但這會增加建站成本。一般高電壓等級的電網(wǎng)線路容量較大，光伏電站接入后可避免在電網(wǎng)線路上出現(xiàn)容量占比過高的情況。但是，更高的電壓等級響應(yīng)的變壓器及成套配電設(shè)備的成本也會隨之增加。

3)與當(dāng)?shù)毓╇姽緟f(xié)調(diào)進(jìn)行線路的改造，擴(kuò)大線路容量。擴(kuò)大線路容量將直接導(dǎo)致線路阻抗的降低，而線路阻抗的降低將等比例的減少線路的電壓損耗。

4)在并網(wǎng)的電站中加裝較大容量的SVG，并對并網(wǎng)電壓用無功功率進(jìn)行調(diào)壓。根據(jù)式(4)，當(dāng)SVG所發(fā)無功功率Q＜0時，輸出線路的電壓損耗ΔU隨無功功率Q的增大而減小。

但是，通過無功補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)光伏電站并網(wǎng)調(diào)壓時，電站配備的SVG容量不僅要滿足供電網(wǎng)的配置要求(電站容量的25%)[3]，還要考慮輸電線路的電壓損耗，滿足光伏電站滿負(fù)荷運(yùn)行時的調(diào)壓要求。而且光伏電站正常運(yùn)行時，SVG因?yàn)檎{(diào)壓的需要將長期大功率投入運(yùn)行，這會導(dǎo)致SVG的無功調(diào)節(jié)余量降低、區(qū)域電網(wǎng)中經(jīng)常有較大的無功功率、SVG本身損耗降低電站效益、線路功率損耗增加等情況發(fā)生，同時可能引發(fā)較為嚴(yán)重的諧波問題。

3.2 其他光伏電站的解決方案

其他光伏電站在區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷占比較高時，預(yù)防電網(wǎng)電壓過高的方法為：

1)嚴(yán)格限制區(qū)域電網(wǎng)線路內(nèi)并網(wǎng)光伏電力的容量。區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)并網(wǎng)光伏電力的負(fù)荷占比過高，除了會引起電網(wǎng)過壓問題之外，由于光伏發(fā)電受天氣不穩(wěn)定性和瞬變性的影響，并網(wǎng)光伏電力還會導(dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)的供電不穩(wěn)定，造成區(qū)域電網(wǎng)的供電質(zhì)量嚴(yán)重下降。

區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)并網(wǎng)光伏電力的可容許占比情況，應(yīng)根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)位置、電網(wǎng)的負(fù)荷曲線、輸電線路的分布情況進(jìn)行綜合考慮，嚴(yán)格限制輸電線路內(nèi)光伏電站的裝機(jī)容量，從項(xiàng)目審批階段就杜絕并網(wǎng)光伏電力在區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷占比較高的情況發(fā)生。

2)采用商業(yè)運(yùn)行的儲能光伏電站模式。目前全國多地都在推動儲能光伏電站的發(fā)展，雖然造價較高，但是儲能光伏電站在對推進(jìn)儲能電池分級利用、平抑電網(wǎng)峰谷值和電網(wǎng)調(diào)頻等方面都具有巨大作用。儲能光伏電站可根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷需求、電站的發(fā)電能力、電網(wǎng)電價的峰谷價差等靈活調(diào)整整個電站的運(yùn)行模式，這樣能較好地解決光伏電力在區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷占比過高時造成電網(wǎng)過壓的問題；同時，必要時還能為區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供支撐。

以此村級電站為例，若其配備功率為3.5 MW、容量為20 MWh的儲能系統(tǒng)組成儲能光伏電站，可以基本實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷控制。再參考上文表1中區(qū)域電網(wǎng)的負(fù)荷情況，配備儲能系統(tǒng)后該電站可以與整個區(qū)域電網(wǎng)組成一個微電網(wǎng)系統(tǒng)，通過上級開關(guān)站接入上級35 kV電網(wǎng)。如此組成的微電網(wǎng)再接入電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)后，可以在很大程度上提高區(qū)域電網(wǎng)的供電可靠性和穩(wěn)定性。同時，如果是存在峰谷電價差別的商業(yè)電站，可通過儲能系統(tǒng)控制峰谷時段的發(fā)電量，以此來使電站獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

本文以接入10 kV中低壓區(qū)域電網(wǎng)的村級扶貧光伏電站為例，對其光伏電力負(fù)荷占比情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，光伏電力負(fù)荷占比與并網(wǎng)點(diǎn)電壓成正相關(guān)；然后針對村級電站接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)后造成的電網(wǎng)過壓問題提出了解決方案，以期為此類電站今后遇到這一問題時提供指導(dǎo)。