分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響研究

李永華

（安徽國(guó)禎生態(tài)科技股份有限公司，安徽 阜陽(yáng) 236000）

0 引 言

分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG），又稱分布式電源，是指直接接入配電網(wǎng)或者分布在用戶現(xiàn)場(chǎng)周圍的容量較小的發(fā)電系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)相比，基于分布式電源并網(wǎng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)可以提供更加安全穩(wěn)定的電能，而且該并網(wǎng)電源形式比較多，如風(fēng)能、熱能、太陽(yáng)能及各類燃料電池等，使得分布式發(fā)電具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

1 分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

1.1 對(duì)配電網(wǎng)損耗的影響

一般來(lái)說(shuō)，配電網(wǎng)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定損耗，這種損耗主要體現(xiàn)在系統(tǒng)本身的潮流方面。而分布式光伏并網(wǎng)由于對(duì)系統(tǒng)潮流分布構(gòu)成直接影響，因此會(huì)間接影響配電網(wǎng)系統(tǒng)的損耗。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)在接入分布式光伏電源后，系統(tǒng)輸送功率的單相流動(dòng)方式發(fā)生變化，進(jìn)而造成系統(tǒng)損耗出現(xiàn)增高或降低的問(wèn)題。這一情況主要受分布式光伏并網(wǎng)接入位置、容量及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素的影響。例如，某一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，通過(guò)改變分布式光伏電源接入位置、容量等參數(shù)，經(jīng)過(guò)定量分析后得到配電網(wǎng)相關(guān)的損耗數(shù)據(jù)信息[1]，如圖1所示。由測(cè)試分析可知，配電網(wǎng)系統(tǒng)的損耗問(wèn)題與分布式光伏電源接入位置和容量有直接關(guān)系。位置方面，在1—17饋線上，系統(tǒng)損耗出現(xiàn)先降后增的趨勢(shì)，最低點(diǎn)位于饋線中間；容量方面，在位置參數(shù)不變的情況下，隨著容量的不斷增加，系統(tǒng)損耗出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

圖1 配電網(wǎng)系統(tǒng)的損耗與接入位置和接入容量的關(guān)系圖

1.2 對(duì)電壓分布的影響

在圖2所示的系統(tǒng)中，分布式光伏電源接入前m節(jié)點(diǎn)的電壓為：

分析式（1）可以發(fā)現(xiàn)，配電網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓與線路傳輸功率具有一定的關(guān)系，并且后者在一定程度上與負(fù)荷功率存在聯(lián)系。在這種情況下，假設(shè)m節(jié)點(diǎn)位置接入容量為PDG+jQDG的分布式光伏電源，則會(huì)改變?cè)摴?jié)點(diǎn)的負(fù)荷功率參數(shù)和電壓，詳細(xì)如下：

分析式（2）發(fā)現(xiàn)，配電網(wǎng)系統(tǒng)在進(jìn)行光伏并網(wǎng)后，本身的節(jié)點(diǎn)電壓和線路傳輸功率都發(fā)生了改變。通常情況下，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)呈現(xiàn)輻射狀態(tài)，這種情況下系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)沿著饋線潮流方向呈現(xiàn)降低的發(fā)展趨勢(shì)。但是，當(dāng)分布式光伏電源接入系統(tǒng)后，配電網(wǎng)系統(tǒng)中饋線的傳輸功率下降，節(jié)點(diǎn)電壓呈現(xiàn)升高的發(fā)展趨勢(shì)，從而造成一些負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓出現(xiàn)偏移和超標(biāo)問(wèn)題[2]，并且這種偏差的大小與分布式光伏電源接入位置、容量等參數(shù)也存在關(guān)系。對(duì)于接入點(diǎn)電壓Vm來(lái)說(shuō)，其必須要小于電壓偏差要求的最大電壓Vmax，這樣線路電壓才能滿足相關(guān)要求，由此可以確定線路最大的分布式光伏電源接入容量。

圖2 含分布式電源的輻射狀配電網(wǎng)絡(luò)模型

在配電網(wǎng)系統(tǒng)3個(gè)節(jié)點(diǎn)位置（1、8、17）接入適當(dāng)容量的光伏電源，將其類型設(shè)定為PQ節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算和分析，分布式光伏電源接入位置與系統(tǒng)電壓幅值變化結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可知，分布式光伏電源接入之后，系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓確實(shí)呈現(xiàn)增高的趨勢(shì)，而且光伏電源接入位置與電壓復(fù)制幅值大小存在一定的關(guān)聯(lián)，具體體現(xiàn)為：光伏電源接入位置越接近電源本身，電壓越小，越接近線路末端，節(jié)點(diǎn)電壓越大。

1.3 對(duì)電能質(zhì)量的影響

分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響最為巨大。第一，分布式光伏電源的接入，會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)電壓閃變的問(wèn)題。由于分布式光伏并網(wǎng)的啟動(dòng)和停止會(huì)受到諸多因素的影響和干擾，這種極大的不確定性使得配電網(wǎng)出現(xiàn)電壓閃變的問(wèn)題。第二，對(duì)配電網(wǎng)造成諧波污染。實(shí)際并網(wǎng)中，因?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)逆變器開(kāi)關(guān)器件出現(xiàn)頻繁操作，即開(kāi)啟和斷開(kāi)，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)附近產(chǎn)生諧波分量，最終對(duì)配電網(wǎng)造成諧波污染。第三，對(duì)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)產(chǎn)生影響。以往的配電網(wǎng)中有無(wú)功負(fù)荷會(huì)隨時(shí)間變化造成系統(tǒng)電壓波動(dòng)，而對(duì)于分布式光伏并網(wǎng)來(lái)說(shuō)，其對(duì)于配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響要結(jié)合實(shí)際分析。分布式光伏電源接入與本地負(fù)荷協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)，會(huì)抑制系統(tǒng)電壓的波動(dòng)；反之，如果分布式光伏電源接入與本地負(fù)荷不協(xié)調(diào)時(shí)，系統(tǒng)的電壓波動(dòng)不僅不會(huì)被抑制，反而更加嚴(yán)重。

圖3 分布式光伏電源接入位置與系統(tǒng)電壓幅值變化關(guān)系

2 分布式光伏并網(wǎng)接入配電網(wǎng)提升電能質(zhì)量的對(duì)策

2.1 中心控制層調(diào)節(jié)對(duì)策

2.1.1 開(kāi)展配電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度工作

開(kāi)展配電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度工作的本質(zhì)在于對(duì)逆變器輸出功率參考值進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是，這一調(diào)節(jié)工作具有波動(dòng)性和間歇性特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致光伏列陣整體輸出功率受到干擾，最終出現(xiàn)功率不匹配的問(wèn)題，也會(huì)對(duì)調(diào)度指令與光伏電源最大輸出功率產(chǎn)生影響[3]。為了有效克服這一缺陷，在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，可以使用超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置進(jìn)行有效調(diào)節(jié)和控制，以達(dá)到降低干擾和影響的目的。

2.1.2 低電壓穿越配電網(wǎng)

實(shí)際的配電網(wǎng)運(yùn)行中會(huì)不可避免地出現(xiàn)電壓偏差問(wèn)題，嚴(yán)重的偏差甚至超過(guò)10%。針對(duì)配電網(wǎng)電壓偏差問(wèn)題，需要分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電壓進(jìn)行有效控制，具體是對(duì)系統(tǒng)有功功率進(jìn)行容量消減處理，避免逆變器出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象。如果在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)電壓偏差在10%以內(nèi)，并且配電網(wǎng)電壓降低1%UN，那么系統(tǒng)有功功率就會(huì)減小5%左右，這種情況下必須對(duì)系統(tǒng)有功功率進(jìn)行充分限制。

2.1.3 系統(tǒng)儲(chǔ)能元件荷電狀態(tài)優(yōu)化

要想科學(xué)、合理、有效地提升并網(wǎng)后系統(tǒng)的安全性和可靠性，就要保證系統(tǒng)端電壓在規(guī)范運(yùn)行范圍中；要想讓配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行更加持續(xù)穩(wěn)定，相關(guān)研究人員和作業(yè)人員就要對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)能元件荷電狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化和改良。在實(shí)際運(yùn)行中，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中超級(jí)電容器存在電壓過(guò)低的現(xiàn)象，為了保證系統(tǒng)端電壓穩(wěn)定，需要對(duì)超級(jí)電容器系統(tǒng)進(jìn)行充電作業(yè)；反之，若發(fā)現(xiàn)存在電壓過(guò)高的現(xiàn)象，需要執(zhí)行放電操作，以避免系統(tǒng)電能過(guò)高從而超出標(biāo)準(zhǔn)，影響系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

2.2 本地控制層調(diào)節(jié)對(duì)策

對(duì)于分布式光伏并網(wǎng)的本地控制層來(lái)說(shuō)（見(jiàn)圖4），需要加強(qiáng)超級(jí)電容器和逆變器的配合度，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的調(diào)整控制，包括系統(tǒng)側(cè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、逆變器結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及超級(jí)電容器改良等。在確保上述控制和優(yōu)化工作順利完成后，才能有效確保分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 配電網(wǎng)系統(tǒng)本地控制層調(diào)節(jié)

2.3 仿真解析

2.3.1 配電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度仿真

配電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化措施的仿真分析中，由于存在相對(duì)穩(wěn)定的直流母線電壓，因此最終的仿真結(jié)果比較理想。具體結(jié)果為：在0.1～0.5 s，分布式光伏列陣輸出功率驟然增高；0.2～0.4 s，系統(tǒng)有功和無(wú)功調(diào)度參數(shù)改變。但是，因?yàn)槌?jí)電容器具有明顯的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，所以確保了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.3.2 配電網(wǎng)調(diào)頻仿真分析

在配電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻仿真分析過(guò)程中，如果電頻出現(xiàn)偏移，則光伏電源會(huì)直接與調(diào)頻結(jié)合，在此基礎(chǔ)上確保直流母線電壓的穩(wěn)定性。詳細(xì)分析結(jié)果為：在0.1～0.5 s內(nèi)，光伏列陣功率瞬間增加，當(dāng)功率在50.2 Hz以下時(shí)，并網(wǎng)后系統(tǒng)功率會(huì)與光伏列陣實(shí)際功率相等。而隨著配電網(wǎng)系統(tǒng)頻率的增高，光伏并網(wǎng)功率參考值會(huì)降低，一旦該指標(biāo)出現(xiàn)偏高的現(xiàn)象，系統(tǒng)中剩余功率會(huì)被超級(jí)電容器所吸收，降低參考值參數(shù)指標(biāo)。除此之外，與上述的調(diào)整對(duì)策相類似，該調(diào)頻優(yōu)化中將直流母線電壓設(shè)定為800 V，可以有效確保其運(yùn)行的穩(wěn)定性。但需要注意的是，調(diào)頻過(guò)程中要注意電壓偏差問(wèn)題，將其控制在合理范圍后再開(kāi)展后續(xù)操作[4]。

2.3.3 低電壓穿越仿真分析

對(duì)系統(tǒng)低電壓穿越模式的仿真分析，本質(zhì)是對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行優(yōu)化。詳細(xì)的分析結(jié)果為：在0.1～0.5 s，系統(tǒng)功率依然出現(xiàn)瞬間增高的情況；在0.3 s前數(shù)值降低到0.8UN時(shí)，無(wú)功功率會(huì)通過(guò)逆變器作用進(jìn)入電網(wǎng)系統(tǒng)，滿足直流母線電壓的需求。在電壓處于0.98UN以內(nèi)時(shí)，會(huì)對(duì)分布式光伏并網(wǎng)的有功功率產(chǎn)生抑制作用，配電網(wǎng)電壓降低幅度與有功功率消減程度成正比，并且在最大可用容量作為基礎(chǔ)的條件下，使逆變器成為無(wú)功電壓的主要支撐。

2.3.4 超級(jí)電容器荷電狀態(tài)優(yōu)化仿真

在超級(jí)電容器荷電狀態(tài)優(yōu)化仿真驗(yàn)證中，一旦配電網(wǎng)系統(tǒng)電壓沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，那么元件就會(huì)通過(guò)相應(yīng)調(diào)整使直流母線的電壓趨于穩(wěn)定。如果端電壓數(shù)值出現(xiàn)較低和較高的現(xiàn)象，可以通過(guò)充電和放電的方式進(jìn)行處理，以達(dá)到調(diào)整和優(yōu)化的目的。仿真結(jié)果如下：在運(yùn)行0.1～0.5 s內(nèi)，光伏陣列的輸出功率瞬間增高；在0.7～1.1 s內(nèi)，該數(shù)值出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

本研究主要分析了分布式光伏電源接入配電網(wǎng)系統(tǒng)后對(duì)系統(tǒng)本身的網(wǎng)損、電壓及電能質(zhì)量的影響情況，重點(diǎn)提出應(yīng)對(duì)控制上述影響的策略，設(shè)計(jì)了兩種層面的控制方案，即中心控制層和本地控制層。通過(guò)仿真試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，相關(guān)對(duì)策和措施可以達(dá)到提升系統(tǒng)電能質(zhì)量目的，并且可以有效確保系統(tǒng)直流母線電壓運(yùn)行的可靠性。