分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的電能質(zhì)量研究

洪坤偉

(國網(wǎng)華安縣供電有限公司，福建 漳州 363800)

光伏發(fā)電從本質(zhì)上講是可持續(xù)的電能生產(chǎn)方式之一，其發(fā)電原理為：利用光生伏特效應(yīng)(半導(dǎo)體材料)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，從而滿足用電需求和供電需求，將電能輸送到電網(wǎng)。分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)一般指利用接入低壓配電網(wǎng)的方式進(jìn)行光伏發(fā)電，具有靈活環(huán)保的特點(diǎn)，但其潮流分布和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)影響配網(wǎng)電能質(zhì)量、電能調(diào)度?？梢姡钊胙芯糠植际焦夥l(fā)電接入方式是非常必要且重要的。

1 分布式光伏發(fā)電的電能特征

分布式光伏發(fā)電是基于電力產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展理念，以用戶場(chǎng)地附近為建設(shè)場(chǎng)所，以用戶側(cè)自發(fā)自用、多余電量上網(wǎng)的運(yùn)行方式而構(gòu)建的光伏發(fā)電設(shè)施。分布式光伏發(fā)電以光伏組件為基礎(chǔ)，將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能并加以利用，倡導(dǎo)就近發(fā)電，就近并網(wǎng)，就近轉(zhuǎn)換，就近使用等基本原則，是現(xiàn)代電力企業(yè)綠色化發(fā)展的重要標(biāo)志。隨著光伏發(fā)電接入量的增大，對(duì)發(fā)電并網(wǎng)具有更加制約性的影響因素，其逆變器的保護(hù)功能不能滿足配電網(wǎng)安全性需要，其抗孤島保護(hù)功能在光伏數(shù)量增多的情況下，逆變器可能會(huì)出現(xiàn)相互干擾情況，容易出現(xiàn)檢測(cè)失敗。

2 分布式光伏發(fā)電對(duì)電能質(zhì)量的影響

首先，當(dāng)配電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路時(shí)，穩(wěn)態(tài)短路電流要高于光伏電源額定輸出的20%左右，高滲透力的光伏電源在過流保護(hù)過程中，將降低饋電線路檢測(cè)準(zhǔn)確性。當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，不能及時(shí)檢測(cè)出故障點(diǎn)及電能數(shù)據(jù)，直接影響到配電網(wǎng)質(zhì)量和功能。

第二，逆變器開關(guān)、逆變器型號(hào)在光伏并網(wǎng)發(fā)電中容易出現(xiàn)諧波問題。在分布式光伏發(fā)電前，應(yīng)對(duì)總諧波進(jìn)行限制，完成必要的項(xiàng)目質(zhì)量檢測(cè)，形成可靠的評(píng)估報(bào)告，才能進(jìn)行電能接網(wǎng)。

第三，出現(xiàn)電壓波動(dòng)和偏差。由于配電線路具有一定抗阻性，各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓較低，在配電網(wǎng)中接入分布式光伏影響功率(有功功率、無功功率)發(fā)生變化，電源輸出各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓可能會(huì)升高，饋線出現(xiàn)逆潮流，某一節(jié)點(diǎn)電壓值可能出現(xiàn)超載現(xiàn)象。另外，分布式光伏發(fā)電受到外界環(huán)境的影響。如果天氣發(fā)生變化，光伏輸出功率將出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，電壓不穩(wěn)定，系統(tǒng)容量增大[1]。

3 分布式光伏發(fā)電接入規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 負(fù)荷預(yù)測(cè)

為了避免光伏電源接入使得電能質(zhì)量劣化，在分布式光伏發(fā)電接入環(huán)節(jié)，首先應(yīng)該做好電量負(fù)荷預(yù)測(cè)，通過經(jīng)濟(jì)模型對(duì)分地區(qū)負(fù)荷進(jìn)行數(shù)量參數(shù)校核。其中進(jìn)入規(guī)劃模型主要考慮目標(biāo)函數(shù)、電壓偏差和波動(dòng)、線路熱約束等因素，主要以多種群遺傳算法(MPGA)求解為主，考慮電能質(zhì)量容量參數(shù)，具體情況如下：通常傳統(tǒng)固定電源出力波動(dòng)性小，在進(jìn)行選址定容優(yōu)化中，可以忽略不計(jì)?？剂康椒植际焦夥隽κ軠囟取⒐庹盏纫蛩赜绊懘?，存在較大波動(dòng)性、間歇性，因此不可將其作為固定電源進(jìn)行考量，需要考慮其波動(dòng)強(qiáng)度、波動(dòng)范圍，在其目標(biāo)函數(shù)設(shè)定上需要進(jìn)行適當(dāng)改變。尤其需要考量當(dāng)分布式光伏接入電網(wǎng)后，對(duì)原有電壓、穩(wěn)定、網(wǎng)損等帶來的影響，提出科學(xué)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

3.1.1 安全性分析

配電網(wǎng)中電網(wǎng)負(fù)荷處于不斷變化之中，對(duì)于負(fù)荷快速增長區(qū)域?qū)ε潆娋W(wǎng)電壓穩(wěn)定性影響大，網(wǎng)絡(luò)存在電壓崩潰風(fēng)險(xiǎn)，故確保電壓穩(wěn)定是保障配電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重點(diǎn)?？剂康椒植际诫娫吹牟▌?dòng)性，分析分布式電源接入后電壓變化，可參照下列公式：

(1)

式(1)中，第k條支路的電阻用Rij表示，第k條支路的電抗用Xij表示，第k條支路的受端節(jié)點(diǎn)j處的有功功率用Pj表示，第k條支路的受端節(jié)點(diǎn)j處的無功功率用Qj表示。公式中將所有支路中電壓穩(wěn)定指標(biāo)的最大值作為配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的指標(biāo)fVSI，并分析配網(wǎng)中對(duì)應(yīng)該支路中電壓穩(wěn)定性最為薄弱的支路所能承受的電壓情況，繼而分析整個(gè)電網(wǎng)接近崩潰時(shí)可承受電壓情況。fVSI越小，則電壓穩(wěn)定性越好。

minfVSI=max{VSI1,VSI2,…,VSIn}

(2)

3.1.2 經(jīng)濟(jì)性分析

分布式電源接入可以一定程度上減少電網(wǎng)系統(tǒng)有功損耗，若接入位置不夠合理或者接入容量不夠合理，會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)線路過熱、損耗增加。因此分布式光伏接入目標(biāo)函數(shù)需要考量將系統(tǒng)有功損耗降到最低，考慮到分布式電源波動(dòng)性，則其接入電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗也為一個(gè)概率分布、波動(dòng)性數(shù)值，可在原有有功損耗表達(dá)方式中進(jìn)行優(yōu)化，公式表達(dá)為：

(3)

式(3)中，有功損耗用fEloss表示，系統(tǒng)支路總數(shù)用Nbra表示，連接節(jié)點(diǎn)i和j支路的電導(dǎo)用Gk表示，節(jié)點(diǎn)電壓幅值用V表示，節(jié)點(diǎn)電壓相位用θ表示。

3.1.3 電能質(zhì)量分析

分布式電源接入后，注入功率并非很小數(shù)值，并且不穩(wěn)定，因此在分析其接入點(diǎn)后對(duì)電壓產(chǎn)生的影響需要?jiǎng)討B(tài)分析，避免配置不當(dāng)導(dǎo)致電網(wǎng)可靠性下降，給節(jié)點(diǎn)電壓造成過大影響?？紤]到分布式光伏發(fā)電接入的波動(dòng)性特點(diǎn)，采用如下公式：

(4)

式(4)中，第i節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓用Ui表示，第i節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電壓用Un表示，節(jié)點(diǎn)總數(shù)用n表示。Ui值越小，電源接入后產(chǎn)生的電壓波動(dòng)越小。

通過MPGA取代常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法(SGA)，不同種群賦以不同的控制參數(shù)(電壓偏差和波動(dòng)、諧波、線路熱約束等)，通過多種群同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化搜索，各種群之間通過移民算子進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過多種群協(xié)同優(yōu)化，配合人工選擇算子，留下各種群每個(gè)優(yōu)化代中的最優(yōu)個(gè)體，集成精華種群(圖1)。

從表1和圖1可以得知，參數(shù)規(guī)劃將會(huì)對(duì)光伏功率產(chǎn)生一定影響。在負(fù)荷水平之內(nèi)，以分散的方式接入首端，考慮規(guī)劃方案中的各項(xiàng)影響因素，可以提升方案設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)恢復(fù)可靠，降低電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。

表1 準(zhǔn)入容量運(yùn)行參數(shù)

圖1 MPGA算法結(jié)構(gòu)

3.2 設(shè)備選擇

根據(jù)我國電力設(shè)施建設(shè)的相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)做好斷路器選擇，并選擇合適的高壓線路導(dǎo)線、逆變器等[2]。計(jì)算分布式光伏發(fā)電短路電流時(shí)，應(yīng)該按照額定電流的1.2倍計(jì)算，從而選擇合適的真空斷路器。充分考慮光伏發(fā)電中期容量，選擇單芯、三芯在接受太陽照射/不受太陽照射情況下的截面積，選擇合適型號(hào)的導(dǎo)線。同時(shí)應(yīng)該根據(jù)電容器參數(shù)表，選用容量小的逆變?cè)O(shè)備，提升系統(tǒng)可靠性，確定額定輸出功率，做好光伏電池選型。

3.3 送出方案與配置方案

據(jù)我國電力設(shè)施建設(shè)的相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)以及分布式電源總?cè)萘吭瓌t，在變壓器供電配置中，可以比上一級(jí)供電負(fù)荷高于1/4進(jìn)行配置[3]。大中型光伏電站并網(wǎng)之后，技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)指令進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)動(dòng)，滿足電力安全穩(wěn)定運(yùn)行要求，輸出有功功率，安裝自動(dòng)裝置，卸除光伏電站。當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行之后，依次并網(wǎng)運(yùn)行，如果出現(xiàn)電力系統(tǒng)事故，為了防止輸電設(shè)備過載，應(yīng)該降低有功功率，當(dāng)系統(tǒng)頻率超過50.2Hz，可能影響輸送穩(wěn)定性和可靠性引起電流電壓?jiǎn)栴}，可以暫時(shí)切除光伏電站；考慮到諧波電壓?jiǎn)栴}，技術(shù)人員應(yīng)該更換帶有消諧作用的逆變器，注入直流電量必須小于額定電量的1/20,變壓器連接線組比為Y/D。在配置方案設(shè)計(jì)規(guī)劃中，應(yīng)該做好母線保護(hù)，在縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)時(shí)，應(yīng)該快速切除用線故障，保護(hù)裝置由兩段構(gòu)成，分別是無時(shí)限電流速斷和過電流保護(hù)。做好防孤島監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)到孤島之后，將低電壓穿越與自動(dòng)裝置相配合，立即斷開與電網(wǎng)連接，在時(shí)間上相互匹配，當(dāng)系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)，實(shí)現(xiàn)電壓緊急控制，避免光伏電站出現(xiàn)短路，提升電能質(zhì)量，對(duì)線路進(jìn)行保護(hù)。在電能計(jì)量安裝方面，采用智能電能表，關(guān)口計(jì)量精度為0.2s，電壓互感器精度為0.2級(jí)，安裝信息采集裝置，在通訊過程中可以選擇ONU+EPON方案，滿足分布式光伏發(fā)電通訊傳輸要求。

3.4 電能質(zhì)量評(píng)估

電能評(píng)估過程應(yīng)該根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000中的規(guī)定，對(duì)各級(jí)地區(qū)劃分評(píng)估等級(jí)，其中評(píng)估指標(biāo)選擇為：①電壓波動(dòng)；②電壓偏差；③諧波畸變率。具體指標(biāo)如表2所示。

表2 電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)

利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法對(duì)接入分布式光伏電源進(jìn)行智能測(cè)評(píng)，測(cè)算24小時(shí)內(nèi)各接入點(diǎn)的電壓偏差和電壓波動(dòng)情況，一般情況下，接入等級(jí)可以達(dá)到“一般”標(biāo)準(zhǔn)。如果在接入電力輸配電網(wǎng)之后出現(xiàn)異常故障，技術(shù)人員應(yīng)該從“運(yùn)行方式”“裝機(jī)位置”“準(zhǔn)入的能量”這三個(gè)方面，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)異常故障進(jìn)行分析與處理，考慮系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合自適應(yīng)控制方法，根據(jù)安全理論分析，利用分布式電源孤島電壓頻率控制，構(gòu)建評(píng)估模型進(jìn)行微網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性分析，優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)度，進(jìn)行調(diào)查處理，引入新型分布式光伏發(fā)電運(yùn)管模式，考慮負(fù)荷變化的隨機(jī)性，動(dòng)態(tài)化平衡負(fù)荷與發(fā)電之間的關(guān)系，提升分布式光伏發(fā)電、電力輸配的穩(wěn)定性。

4 典型案例

全過程跟蹤某地區(qū)光伏接入案例，簡(jiǎn)要說明接入前負(fù)荷預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)、接入、設(shè)備選型、送出方案、配置方案等，并監(jiān)測(cè)運(yùn)行電能質(zhì)量情況。

光伏項(xiàng)目名稱：某家具有限公司6MWp分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目。

接入前負(fù)荷預(yù)測(cè)：因該項(xiàng)目為全額上網(wǎng)項(xiàng)目，需結(jié)合接入變電站負(fù)荷情況進(jìn)行計(jì)算。

設(shè)計(jì)選型：該項(xiàng)目總裝機(jī)容量為6000kWp，年發(fā)電量為7110.6MWh，根據(jù)項(xiàng)目有一定的容配比特點(diǎn)，該項(xiàng)目最大上網(wǎng)容量為4637.6kW。

送出方案及配置方案：該項(xiàng)目10kV接入電網(wǎng)，以某開閉所910開關(guān)為公共連接點(diǎn)，接入容量為4637.6kW，導(dǎo)線截面為YJV22-3×300,以“T接”為接入方式，公用電網(wǎng)線路最大輸送容量為8000kW。項(xiàng)目配置31臺(tái)136kW光伏組串式逆變器用于將光伏直流電逆變?yōu)榉€(wěn)定輸出的低壓交流電，經(jīng)3臺(tái)1600kVA和1臺(tái)1250kVA升壓箱變升壓至10kV，再通過集電線路匯集后經(jīng)由1回截面為YJV22-3×300mm2電纜，T接入公用電網(wǎng)線路。

接入后電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)，如表3、表4所示。

表3 并網(wǎng)點(diǎn)電流諧波和波形畸變

表4 并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)

表3中，諧波電流限制根據(jù)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中公式進(jìn)行換算：10kV公共連接點(diǎn)(PCC點(diǎn))三相最小短路容量273.79MVA，供電設(shè)備容量90MVA，協(xié)議容量6MVA，諧波限制為該狀態(tài)下的值。

通過分析并網(wǎng)電流和波形畸變數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目諧波電流總畸變率為1.432%，參考國標(biāo)限值，諧波電流各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，在分布式光伏發(fā)電接入方案中，必須進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，根據(jù)方案要求選擇合適設(shè)備，采用多種群遺傳算法，確定送出方案與配置方案，考慮負(fù)荷變化的隨機(jī)性，對(duì)接入分布式光伏電源進(jìn)行智能測(cè)評(píng)，從而提升并網(wǎng)后系統(tǒng)的電能質(zhì)量。