分布式光伏電源并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的研究

潘麗珠 程 石

（安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥230000）

光伏電站以并網(wǎng)形式運(yùn)行期間，在電壓數(shù)值較小時(shí)，光伏電站內(nèi)部含有的電纜、變壓器等元素，極有可能對(duì)并網(wǎng)電流、電壓等因素造成影響。在發(fā)電功率增長(zhǎng)過(guò)程中，配電網(wǎng)逆變器能夠依據(jù)實(shí)際需求，完成無(wú)功功率的發(fā)射與吸收等程序，以此提升大型光伏電站的協(xié)調(diào)能力。光伏電站運(yùn)行逆變器時(shí)，能夠?qū)⒅绷鬓D(zhuǎn)變成交流，其轉(zhuǎn)換過(guò)程中形成了諧波，將會(huì)在電網(wǎng)中危及電能質(zhì)量。

1 分布式光伏電源并網(wǎng)的危害類型

1.1 諧波干擾

如圖1 所示，為光伏電源并網(wǎng)接線圖。在逆變器運(yùn)行期間，將會(huì)形成諧波，對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生的威脅表現(xiàn)為：

1.1.1 諧波形成時(shí)，引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)行受阻，增加運(yùn)行損耗，繼而引起機(jī)械產(chǎn)生高頻振動(dòng)，由此形成較高頻率的噪聲與諧波，將會(huì)影響電能供應(yīng)的穩(wěn)定性。

圖1 光伏發(fā)電并網(wǎng)接線圖

1.1.2 諧波電流能夠提升變壓器繞組損耗值，使其處于較高溫度環(huán)境中。諧波在一定程度上，增加了變壓器運(yùn)行噪音，諧波源形成的電流，在經(jīng)過(guò)變壓器時(shí)，受到了諧振作用，將會(huì)引起變壓器發(fā)生損壞問(wèn)題。

1.1.3 交流電網(wǎng)中存在的異常電壓?jiǎn)栴}，將會(huì)形成變流器控制角存在不等問(wèn)題，在正反饋?zhàn)饔孟?，提升系統(tǒng)電壓發(fā)生異常的可能性，引起整流器運(yùn)行不暢，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)引起換相設(shè)備發(fā)生破損。

1.1.4 諧波在運(yùn)行期間，對(duì)繼電保護(hù)、自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響作用，將會(huì)引起此類裝置發(fā)生誤動(dòng)、拒動(dòng)等問(wèn)題[1]。

1.2 電壓波動(dòng)

當(dāng)頻率范圍為1～10 時(shí)，將會(huì)引起電壓波動(dòng)問(wèn)題，造成照明燈、配電網(wǎng)系統(tǒng)畫(huà)面發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，讓人們產(chǎn)生視覺(jué)不適感。此類干擾問(wèn)題稱之為“閃變”。當(dāng)閃變現(xiàn)象較為強(qiáng)烈時(shí)，將會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)問(wèn)題，甚至損壞電子裝置，對(duì)電網(wǎng)形成較為嚴(yán)重的公害威脅。

1.3 三相電壓均衡性不足

光伏電站運(yùn)行期間，逆變器實(shí)施三相觸發(fā)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)對(duì)準(zhǔn)性不足現(xiàn)象，引起網(wǎng)點(diǎn)三相電壓形成對(duì)稱性缺失問(wèn)題。鑒于光伏電站作為輔助性運(yùn)行系統(tǒng)，具有較低的負(fù)荷，實(shí)際產(chǎn)生的三相電壓，可不予考慮。負(fù)序穩(wěn)定干擾供電系統(tǒng)與設(shè)備的具體表現(xiàn)為：1.3.1 引起電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，缺失繼電保護(hù)裝置，造成負(fù)序啟動(dòng)元件運(yùn)行不暢問(wèn)題。1.3.2 發(fā)電機(jī)、工廠運(yùn)行發(fā)生異常振動(dòng)，電動(dòng)機(jī)設(shè)備發(fā)熱。

2 電能質(zhì)量控制措施

2.1 中心控制

2.1.1 提升配電網(wǎng)調(diào)度的協(xié)調(diào)性

配電網(wǎng)在實(shí)際接受調(diào)度指令時(shí)，將會(huì)采取指令響應(yīng)措施，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)予以聯(lián)動(dòng)，針對(duì)逆變器運(yùn)行期間產(chǎn)生的輸出功率，實(shí)施調(diào)度指令的執(zhí)行程序。然而，在此期間，調(diào)度指令的執(zhí)行程序，含有不穩(wěn)定性、漸發(fā)性等特點(diǎn)，對(duì)光伏列陣運(yùn)行的功率參數(shù)產(chǎn)生威脅，由此形成功率不匹配問(wèn)題，降低調(diào)度指令運(yùn)行效果，影響著光伏電池能夠輸出功率的最大值。以超級(jí)電容器為基礎(chǔ)，加強(qiáng)儲(chǔ)能裝置運(yùn)行問(wèn)題的解決效果，提升配電網(wǎng)調(diào)度指令執(zhí)行的系統(tǒng)協(xié)調(diào)性。

2.1.2 采取低電壓穿越形式

配電網(wǎng)在日常運(yùn)行期間，將會(huì)發(fā)生不小于10%的電壓偏差問(wèn)題，應(yīng)針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)展電壓調(diào)整措施，加強(qiáng)電壓控制效果。針對(duì)光伏并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)實(shí)際產(chǎn)生并網(wǎng)功率，開(kāi)展的有效處理措施為：容量消減，以此科學(xué)規(guī)避逆變器過(guò)流問(wèn)題，如若電壓偏差小于10%，且存在配電網(wǎng)電壓相應(yīng)減少的現(xiàn)象，電壓偏差的5%將會(huì)發(fā)生功率不足問(wèn)題。

2.1.3 優(yōu)化儲(chǔ)能元件荷電狀態(tài)

以光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行能力為基礎(chǔ)，全面提升其運(yùn)行品質(zhì)，將其運(yùn)行的穩(wěn)定性、抗干擾能力，作為切入點(diǎn)，應(yīng)采取的有效措施為：保障電壓取值的規(guī)范性，加強(qiáng)電壓運(yùn)行具有連續(xù)性，對(duì)電壓開(kāi)展有效的控制措施；如若電容器運(yùn)行電壓較小，可采取充電方案，提升電壓補(bǔ)充效果；如若運(yùn)行電壓較高，應(yīng)有效釋放電能，防止其超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。為此，借助恒功率原理，加強(qiáng)充電、放電的運(yùn)行有效性。提升電容器能量自控效果。

2.2 本地控制

如圖2 所示，作為配電網(wǎng)本地控制的結(jié)構(gòu)圖。依據(jù)配電網(wǎng)本地控制的實(shí)際構(gòu)成，應(yīng)科學(xué)調(diào)整電容器與逆變器兩者設(shè)備之間的契合度，可采取的有效控制措施為如圖2。

2.2.1 科學(xué)控制電網(wǎng)側(cè)結(jié)構(gòu)，控制項(xiàng)目包括配電網(wǎng)調(diào)頻功能、調(diào)壓效果、調(diào)度運(yùn)行能力。2.2.2 有效控制逆變器結(jié)構(gòu)，減少負(fù)面影響，提升配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行效果。2.2.3 合理調(diào)整電容能量，保障配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 仿真分析

3.1 搭建仿真模型

以某光伏電站為仿真實(shí)例，其實(shí)際發(fā)電總數(shù)為60MWp，發(fā)展列陣共有36 個(gè)，每個(gè)光伏發(fā)電列陣將會(huì)配置升壓箱式變一臺(tái)、交流匯流箱八臺(tái)。并在每個(gè)匯流箱位置完成逆變器安置，配置逆變器數(shù)量為6，規(guī)格為40kW。有效整理光伏子方陣采取等值處理措施，具體數(shù)據(jù)如下：a.逆變器容量：等值處理前容量為40kW，等值處理后容量為1920kW。b.逆變器數(shù)量：等值處理前容量為6×8=48 臺(tái)，等值處理后容量為1 臺(tái)。c.變壓器容量：等值處理前容量為1600kVA，等值處理后容量為1600kVA。d.變壓器數(shù)量：等值處理前容量為1 臺(tái)，等值處理后容量為1 臺(tái)。

3.1.1 計(jì)算光伏電站無(wú)功率運(yùn)行情況

針對(duì)光伏電站系統(tǒng)開(kāi)展計(jì)算分析，以此判斷光伏電站運(yùn)行的穩(wěn)定性，驗(yàn)證光伏電站運(yùn)行對(duì)電壓設(shè)置值產(chǎn)生的影響，加強(qiáng)電壓設(shè)置值調(diào)整，提升電網(wǎng)電壓抗干擾能力。開(kāi)展仿真計(jì)算程序，計(jì)算結(jié)果為：在并網(wǎng)點(diǎn)位置允許的電壓取值范圍內(nèi)，如若光伏逆變器發(fā)生超前問(wèn)題，因數(shù)大于0.95，由此引起光伏電站運(yùn)行功率范圍為[24852，26582]MVar。當(dāng)光伏逆變器表現(xiàn)出滯后現(xiàn)象，因數(shù)小于0.95，由此引起光伏電站運(yùn)行功率范圍為[11534，12751]MVar。

3.1.2 計(jì)算電能質(zhì)量

a.諧波計(jì)算。依據(jù)仿真模型，開(kāi)展仿真計(jì)算，測(cè)定光伏電站內(nèi)部的諧波電流存在的影響問(wèn)題。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：光伏電站在穩(wěn)定運(yùn)行情況下，同時(shí)逆變器功率運(yùn)行因素=1.0 時(shí)，光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)諧波電流有五種形態(tài)，頻次分別為13、17、21、23、27，此五種數(shù)值均超出了國(guó)際規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。其中23、27 兩個(gè)諧波次數(shù)，引起電壓異?，F(xiàn)象，諧波引起的異常運(yùn)行指數(shù)高達(dá)3.51%，超出國(guó)際限值的2.0%。以13、23 為例，結(jié)合數(shù)據(jù)對(duì)比諧波電流的影響。A：諧波次數(shù)為13 時(shí)，其諧波電流大小為2.4A，諧波電流限值為2.45A，引起母線電壓發(fā)生異常的概率為0.94%，異常限值為1.60%;B：諧波次數(shù)為23 時(shí)，其諧波電流大小為2.4A，諧波電流限值為1.41A，引起母線電壓發(fā)生異常的概率為1.61%，異常限值為1.60%b.三相不平衡度。依據(jù)國(guó)家相關(guān)技術(shù)規(guī)定、能源行業(yè)運(yùn)行準(zhǔn)則等內(nèi)容，光伏逆變器在運(yùn)行期間，應(yīng)妥善完成缺相保護(hù)，即采取自動(dòng)化運(yùn)行方式，完成缺相補(bǔ)充，提升逆變器的運(yùn)行效果。由此發(fā)現(xiàn)：光伏電站在運(yùn)行期間，將會(huì)處于缺相保護(hù)狀態(tài)，降低了缺相事故發(fā)生的可能性；當(dāng)光伏電站處于三相對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，將不會(huì)向電網(wǎng)輸入負(fù)序電流。為此，在光伏電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)，三相電壓失衡問(wèn)題發(fā)生概率較小，三相電壓失衡問(wèn)題在運(yùn)行的允許范圍內(nèi)。

3.2 仿真分析

3.2.1 調(diào)度模式

結(jié)合實(shí)際制定的配電網(wǎng)調(diào)度方案，有序開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證此種方案的可行性。光伏電源自身運(yùn)行的母線電壓，以直流形式完成運(yùn)行，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。當(dāng)配電網(wǎng)以功率為主題，發(fā)出調(diào)度指令時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行程序，借助仿真驗(yàn)證獲得科學(xué)的調(diào)度程序。仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)響應(yīng)時(shí)間取值范圍為[0.1，0.2]秒時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)提升光伏列陣的運(yùn)行功率；當(dāng)響應(yīng)時(shí)間取值范圍為[0.2，0.4]秒時(shí)，分布式光伏的調(diào)整項(xiàng)目為無(wú)功與有功兩種調(diào)度效果?；陔娙萜骶邆漭^為優(yōu)異的協(xié)調(diào)性，有助于保持光伏調(diào)度指令響應(yīng)與執(zhí)行的穩(wěn)定性。如若在控制母線電壓時(shí)，將其有序控制在800V 范圍內(nèi)，電壓將會(huì)產(chǎn)生較大偏差問(wèn)題，有助于提升直流母線電壓運(yùn)行的抗干擾能力，此種優(yōu)化方式能夠提升功率響應(yīng)速度，使其在前饋環(huán)節(jié)中獲得優(yōu)異的運(yùn)行效果，科學(xué)防止直流母線電壓發(fā)生浮動(dòng)問(wèn)題[2]。

圖2 本地控制結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 調(diào)頻模式

以配電網(wǎng)調(diào)頻為仿真主題，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：如若電頻存在偏移現(xiàn)象，光伏電源將會(huì)想通與調(diào)頻，以此軒主提升母線電壓運(yùn)行效果。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行周期為[0.1，0.5]秒范圍內(nèi)，將會(huì)在0.4 秒內(nèi)有效提升光伏列陣運(yùn)行功率。如若系統(tǒng)功率不大于50.3 赫茲，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)功率將會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，以列陣輸出功率為主要表現(xiàn)形式。如若持續(xù)提升配電網(wǎng)運(yùn)行頻率，當(dāng)速率處于0.1 赫茲4%狀態(tài)時(shí)，將會(huì)降低光伏系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的功率設(shè)定值。

如若光伏并網(wǎng)運(yùn)行體系形成了較高的輸出功率設(shè)定值，借助并網(wǎng)功率加以分析，電容器將會(huì)有效吸收功率剩余值。光伏列陣系統(tǒng)運(yùn)行期間，系統(tǒng)整體輸出功率應(yīng)不大于設(shè)定值，在開(kāi)展輸出功率有效處理的基礎(chǔ)上，即可開(kāi)展光伏并網(wǎng)操作。在執(zhí)行配電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻程序時(shí)，應(yīng)將800 伏特電壓設(shè)定為基礎(chǔ)性條件，科學(xué)控制電壓偏差，將偏差控制在0.625%范圍內(nèi)，以此保障母線電壓運(yùn)行的抗干擾能力。

3.2.3 低電壓模式

在低電壓模式的仿真實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)調(diào)整配電網(wǎng)設(shè)定電壓，以母線電壓運(yùn)行條件為基礎(chǔ)，保障配電網(wǎng)電壓優(yōu)化的有效性。光伏系統(tǒng)運(yùn)行周期在[0.1，0.5]秒范圍內(nèi)，0.4 秒內(nèi)時(shí)間范圍內(nèi)將會(huì)迅速提升功率。在功率響應(yīng)不足0.3 秒時(shí)，電壓將會(huì)下滑至0.8Un。如若光伏系統(tǒng)運(yùn)行電壓不大于0.98Un，逆變器將會(huì)予以響應(yīng)，將系統(tǒng)運(yùn)行形成的無(wú)功功率，輸送至配電網(wǎng)系統(tǒng)中，

4 結(jié)論

綜上所述，以配電網(wǎng)電能質(zhì)量保障為基礎(chǔ)，開(kāi)展各項(xiàng)調(diào)節(jié)功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了中心、本地兩個(gè)方面的控制措施。借助仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程，能夠發(fā)現(xiàn)中心、本地兩種控制措施具備可行性，有效完成光伏并網(wǎng)儲(chǔ)能元件的科學(xué)調(diào)整程序，有效提升直流母線電壓運(yùn)行的抗干擾能力，切實(shí)提升配電網(wǎng)電能運(yùn)行品質(zhì)。