光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量的影響

舒 銳

（西南交通大學(xué)希望學(xué)院，四川 成都 610400）

0 引 言

隨著我國碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的提出，國家進(jìn)一步加大對風(fēng)電、太陽能、水電等可再生能源的投資力度。太陽能具有清潔、無污染、可再生等優(yōu)勢，無需擔(dān)憂能源枯竭、原材料供應(yīng)以及環(huán)境污染等問題。大力發(fā)展光伏發(fā)電是達(dá)到碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的必由之路，其中光伏并網(wǎng)發(fā)電對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響也不可忽視。

1 電能質(zhì)量的定義

電能質(zhì)量是指電力系統(tǒng)中電能的質(zhì)量，電能質(zhì)量問題歸根到底是根據(jù)用戶的需求來定義，從不同的角度來看其含義有所不同。盡管電能質(zhì)量的定義模糊不定，但是通常認(rèn)為電能質(zhì)量較差的原因是供電電壓沒有呈對稱的波形狀態(tài)，有時會造成負(fù)載不能正常工作[1]。一般而言，人們都將供電質(zhì)量與用電可靠性同等看待。當(dāng)整個系統(tǒng)處在相間對稱狀態(tài)時，電壓與電流波形幅值一樣，相位差都是120°。但在實(shí)際工作運(yùn)行中，由于整個系統(tǒng)中電氣設(shè)備的特性都不是線性關(guān)系，并且整個線路的負(fù)荷用電情況在不同時間段也是變化的，因此這種理想化的假設(shè)狀態(tài)實(shí)際上不可能出現(xiàn)，電網(wǎng)與負(fù)載之間會產(chǎn)生不和諧的影響，從而導(dǎo)致電能質(zhì)量問題。由于光伏電源的波動性、隨機(jī)性以及突發(fā)不確定性會給配電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來影響，因此從三相電壓不平衡、電壓波形畸變與諧波、電壓偏差以及電壓變動等方面進(jìn)行電能質(zhì)量衡定的指標(biāo)分析[2]。光伏電池等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

2 影響電能質(zhì)量的原因

2.1 三相電壓不平衡

光伏電源的接入會對配電網(wǎng)的三相電壓產(chǎn)生不平衡影響，而三相電壓不平衡往往是通過線路中負(fù)序分量不平衡來進(jìn)行量化的。定義負(fù)序電壓分量為U1、正序電壓分量為U2，它們的比值為電壓不平衡度Kd，即。查閱資料可知，電力系統(tǒng)中公共電壓三相不平衡度允許值為2%，在短時間允許值為4%，連接與公共用戶連接點(diǎn)的用戶的允許值為1.3%。當(dāng)超出以上的允許值范圍時，一般認(rèn)為出現(xiàn)了三相電壓不平衡現(xiàn)象[3]。

2.2 電壓波形畸變與諧波

光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能在接入電網(wǎng)時，會有部分諧波電流注入電網(wǎng)中，使電網(wǎng)中電壓的波形產(chǎn)生畸變，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。波形畸變指標(biāo)特征可以用單次諧波值、總諧波畸變率、單次間諧波值以及總間諧波畸變率來衡量[4]。光伏電源接入后，h次電流諧波含有率HRIh為：

式中：Xh為h次電流均方根值；X1為基波電流均方根值。

總諧波畸變率為：

由參考資料可得，光伏并網(wǎng)后，線路中的總諧波畸變率限值為4%。

2.3 電壓偏差

電壓偏差是衡量一個電力系統(tǒng)是否正常運(yùn)行的重要指標(biāo)。光伏電源并網(wǎng)后增加了配電網(wǎng)的儲容量，也抬升了配電網(wǎng)的電壓，整個系統(tǒng)的電壓抬升效果與接入配電網(wǎng)的光伏電源容量成正比[5]。但是配電網(wǎng)的電壓有承受的最高限制，為了防止線路電壓越限，接入的光伏電源的容量不能無限大。同時為了保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，配電網(wǎng)線路的電壓偏差應(yīng)該在其標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。電壓偏差計(jì)算公式為：

式中：UN為線路的額定電壓；U為線路的線電壓。

2.4 電壓波動

一般情況下，電壓波動指一系列電壓相對快速變動或連續(xù)改變的現(xiàn)象，會導(dǎo)致實(shí)際電壓偏離系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓。當(dāng)線路中的電壓發(fā)生波動時，人們會明顯地察覺到燈光照明度的變化，這就是常說的線路閃變，閃變常作為衡量電壓波動程度的評價指標(biāo)。由于光伏發(fā)電受外界環(huán)境的影響較大，因此當(dāng)光照減弱或者出現(xiàn)陰雨天氣時，光伏線路的電壓會時高時低，那么并網(wǎng)后它會導(dǎo)致配電網(wǎng)的電壓波動出現(xiàn)的更頻繁，用戶的體驗(yàn)舒適度便會降低?；诖耍妷翰▌邮枪夥⒕W(wǎng)后需要重點(diǎn)調(diào)整的因素之一。

3 光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響

電力系統(tǒng)中各電子器件與電子設(shè)備中存在阻抗，導(dǎo)致在向負(fù)載輸送電能的過程中會出現(xiàn)大量的能源損耗。對此研究電能在轉(zhuǎn)換、輸送、分配過程中的損耗，并尋求策略來減少網(wǎng)損，讓電力網(wǎng)絡(luò)以最優(yōu)的結(jié)構(gòu)運(yùn)行是十分必要的。

在配電網(wǎng)中，假設(shè)光伏發(fā)電注入配電網(wǎng)的容量為PDG+QDG、線路單位長度的阻抗為R+jX、光伏電源接入配電網(wǎng)電源的總長度距離為L、其余負(fù)荷的距離為M，則接入光伏系統(tǒng)后配電網(wǎng)網(wǎng)損的變化為：

整個系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)損耗與其用電負(fù)荷、光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)位置、參與并網(wǎng)的光伏系統(tǒng)的容量大小以及原配電網(wǎng)的電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都息息相關(guān)。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)的饋電線路的網(wǎng)絡(luò)電壓潮流就會向不同的方向變化，在這種情況下就會改變原來配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)對網(wǎng)損改變的不確定性，因此光伏電源并網(wǎng)后可能提高線路的損耗，也有可能降低電路損耗。當(dāng)配電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)負(fù)載附近的光伏發(fā)電系統(tǒng)的電量大于等于該配電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)負(fù)載時，那么該光伏電源的接入就會降低該配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗。如果整個配電網(wǎng)中至少存在一個節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)處的光伏電池板發(fā)電量大于該處的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷所需電量，并且配電網(wǎng)中負(fù)載所需電量之和與接入配電網(wǎng)光伏發(fā)電的總電量之和相等，此時光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)位置、并網(wǎng)容量以及配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)都會對配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗有所影響[6]。

4 光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)調(diào)度自動化的影響

配電網(wǎng)調(diào)度自動化是指將用電設(shè)備與現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)（電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和電子監(jiān)控技術(shù)等）相結(jié)合，以提高電能質(zhì)量和為用戶提供更經(jīng)濟(jì)可靠的用電體驗(yàn)為目標(biāo)的一門技術(shù)。對于配電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須充分考慮技術(shù)要求和設(shè)備要求。按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)置調(diào)度環(huán)節(jié)，通過各種計(jì)算機(jī)應(yīng)用來支持調(diào)度系統(tǒng)的研究，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 調(diào)度系統(tǒng)構(gòu)成

采集電力系統(tǒng)的實(shí)時參數(shù)并傳送整個系統(tǒng)的器件動作信息與狀態(tài)信息，形成事件的順序記錄，然后接受和執(zhí)行從主站發(fā)送的命令，調(diào)整發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率[7]。信息傳輸子系統(tǒng)按照傳輸通道的不同可分為模擬傳輸系統(tǒng)和數(shù)字傳輸系統(tǒng)，這兩種傳輸系統(tǒng)可以進(jìn)行調(diào)制轉(zhuǎn)換[8]。

當(dāng)光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后，原有配電網(wǎng)的一些參數(shù)會出現(xiàn)變化，就會給調(diào)度自動化系統(tǒng)的實(shí)時操作帶來一些干擾與誤差[9]。為了實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的統(tǒng)一管理和運(yùn)行調(diào)度，需要將光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逐步納入配電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)，讓配電網(wǎng)的信息和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的信息實(shí)現(xiàn)互通共享，提高配電網(wǎng)對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)控能力，充分發(fā)揮光伏并網(wǎng)發(fā)電的優(yōu)勢，盡可能避免其對配電網(wǎng)運(yùn)行控制和調(diào)度管理造成不利影響[10]。

5 結(jié) 論

太陽能、風(fēng)能都具有可再生性，利用其發(fā)電符合綠色發(fā)展理念。通過深入研究風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)，提高光伏并網(wǎng)和風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的裝機(jī)容量。利用光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將太陽能轉(zhuǎn)換為符合配電網(wǎng)要求的電能，而且減少了對傳統(tǒng)能源的消耗。然而，光伏并網(wǎng)發(fā)電會對配電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，通過詳細(xì)分析影響電能質(zhì)量的原因，為后續(xù)制定解決方案提供參考。