分布式光伏接入對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響分析與應(yīng)對(duì)措施

溫 鑫 姚文瑩 何圣川 馮興興

（廣東電網(wǎng)廣州供電局，廣東 廣州 510000）

0 引言

當(dāng)今世界，由于人口過(guò)度增長(zhǎng)，石油、煤炭等常規(guī)不可再生化石能源日益枯竭，能源危機(jī)已成為世界各國(guó)發(fā)展面臨的首要問(wèn)題，國(guó)家已將發(fā)展清潔能源作為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)與環(huán)境惡化的有效手段之一，其中太陽(yáng)能的合理利用成為國(guó)內(nèi)外各機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)。分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為未來(lái)能源形勢(shì)發(fā)展的必然選擇，但其也帶來(lái)很多問(wèn)題亟需解決[1]：一方面，分布式光伏電源的出力間歇性、波動(dòng)性、不確定性對(duì)配電網(wǎng)饋線(xiàn)電壓有影響；另一方面，分布式光伏組件中逆變器等非線(xiàn)性特征元件是諧波污染的主要來(lái)源。由于配電網(wǎng)中分布式光伏電源的接入容量相對(duì)較小，對(duì)并網(wǎng)饋線(xiàn)電壓三相不平衡度、并網(wǎng)大電網(wǎng)的頻率偏差、暫時(shí)過(guò)電壓及瞬態(tài)過(guò)電壓影響較小，所以本文暫不考慮分布式光伏電源在三相不平衡度、頻率、暫瞬時(shí)過(guò)電壓方面對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響，主要對(duì)饋線(xiàn)電壓偏差和電壓波動(dòng)進(jìn)行分析。

1 分布式光伏電源模型

分布式光伏電源可分為低壓分布式光伏與中壓分布式光伏。低壓分布式光伏大多數(shù)為屋頂小型電源，主要由光伏組件、匯流箱、光伏并網(wǎng)逆變器及低壓智能雙向計(jì)量裝置組成，一般當(dāng)上網(wǎng)電價(jià)小于售電電價(jià)時(shí)，自發(fā)自用的比率越高，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益越大。中壓分布式光伏在容量、數(shù)量上明顯區(qū)別于低壓分布式光伏，可看作是多個(gè)光伏逆變器并聯(lián)再由升壓變壓器統(tǒng)一將電能輸入網(wǎng)架。分布式光伏電源并網(wǎng)類(lèi)型主要有逆流型、非逆流型和切換型三種，本文主要研究對(duì)象為配網(wǎng)中常見(jiàn)的逆流型分布式光伏電源。如圖1所示，在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，將旋轉(zhuǎn)的三相交流量變成直流分量，以此為基礎(chǔ)，采用常規(guī)的恒有功無(wú)功控制方式（PQ控制）對(duì)逆變器的電流指令進(jìn)行調(diào)節(jié)，鎖相環(huán)（PLL）實(shí)時(shí)追蹤電網(wǎng)的相角，內(nèi)環(huán)電流控制環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)追蹤并網(wǎng)電流跟蹤控制，電壓外環(huán)實(shí)時(shí)追蹤直流側(cè)電容電壓并將其反饋至控制器，輸出電壓和電流再經(jīng)濾波元件并網(wǎng)，既確保產(chǎn)生的電能質(zhì)量符合要求，又保證輸出的有功功率和無(wú)功功率能夠穩(wěn)定在給定參考值的附近，其中無(wú)功的參考值指令為0，正常運(yùn)行在單位功率下不向電網(wǎng)提供無(wú)功功率。

圖1 逆流型分布式光伏電源PQ控制策略原理圖

圖2是根據(jù)電池的外特性擬合電壓與電流的光伏電池外特性模型并進(jìn)行仿真的輸出特性曲線(xiàn)圖[2]，在實(shí)際配網(wǎng)中分布式光伏并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，可利用光伏發(fā)電單元的輸出特性曲線(xiàn)所具有的單峰特性，即在最大功率點(diǎn)附近，光伏發(fā)電單元的輸出電壓增大或減少，都將使光伏輸出的功率降低，利用該輸出特性有利于光伏并網(wǎng)逆變器正常并網(wǎng)運(yùn)行模式中的最大功率追蹤（MPPT算法），能提高發(fā)電效率。

圖2 分布式光伏電源輸出特性曲線(xiàn)

2 分布式光伏接入對(duì)電壓的影響與措施

2.1 分布式光伏接入饋線(xiàn)電壓分布與波動(dòng)理論分析

圖3為10 kV配電網(wǎng)饋線(xiàn)上接入分布式光伏與用戶(hù)排布的典型接線(xiàn)圖，分布式光伏電源接入電網(wǎng)后強(qiáng)迫10 kV配電網(wǎng)饋線(xiàn)的有功功率傳輸大小和方向發(fā)生變化，從而影響正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)饋線(xiàn)上各接入點(diǎn)的電壓分布。文獻(xiàn)[3]指出，分布式光伏電源接入系統(tǒng)后所導(dǎo)致的電能質(zhì)量問(wèn)題與所并入的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、等效阻抗、負(fù)荷滲透率、并網(wǎng)電壓等級(jí)、上一級(jí)變壓器短路容量、并網(wǎng)的逆變器參數(shù)及其控制方法和出力大小等密切相關(guān)，以上均是影響分布式電源接入配電網(wǎng)電能質(zhì)量的關(guān)鍵因素，也是進(jìn)行定量分析的基礎(chǔ)。

圖3 含分布式光伏電源的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與負(fù)荷分布示意圖

由于10 kV配電網(wǎng)饋線(xiàn)中所接入的分布式光伏生產(chǎn)形式各異，本文暫不考慮逆變器設(shè)備參數(shù)、控制方式不同等內(nèi)部因素的影響，將同一10 kV饋線(xiàn)上的分布式光伏電源看作是無(wú)旋轉(zhuǎn)慣量、出力不定的電源，假定10 kV饋線(xiàn)上n個(gè)節(jié)點(diǎn)共接入n個(gè)分布式光伏電源，第n個(gè)光伏電源的有功出力為PDGn，無(wú)功出力為QDGn，接入節(jié)點(diǎn)處流向第n個(gè)用戶(hù)的視在功率為PLn+jQLn，10 kV饋線(xiàn)的初始電壓U0不變，節(jié)點(diǎn)n處電壓為Un，第n-1個(gè)節(jié)點(diǎn)至第n個(gè)節(jié)點(diǎn)的線(xiàn)路阻抗為RLn+jXLn，在分布式光伏電源未接入前，按照?qǐng)D1假定有功功率與無(wú)功功率以10 kV母線(xiàn)流向饋線(xiàn)負(fù)載末端為正方向，不計(jì)線(xiàn)路損耗，假定用戶(hù)都為第一類(lèi)用戶(hù)，消耗的有功功率和無(wú)功功率均大于0，即PLn+jQLn≥0，導(dǎo)致10 kV饋線(xiàn)的電壓損耗均為正，線(xiàn)路某個(gè)節(jié)點(diǎn)m處的電壓與至線(xiàn)路初始節(jié)點(diǎn)的距離成反比。線(xiàn)路上第m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓Um為：

當(dāng)分布式光伏電源接入饋線(xiàn)后，相當(dāng)于在節(jié)點(diǎn)處增加新的有功或無(wú)功出力，節(jié)點(diǎn)不再是單純的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，其等效為潮流網(wǎng)絡(luò)中的PQ節(jié)點(diǎn)。所以，在n個(gè)光伏電源接入之后線(xiàn)路上第m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓Um為：

實(shí)際分布式光伏電源一般因最大功率追蹤（MPPT算法）會(huì)運(yùn)行在單位功率因數(shù)，即QDGn=0，所以饋線(xiàn)的無(wú)功功率均由電網(wǎng)供給，又線(xiàn)路的電抗比較小，可以忽略其對(duì)電壓分布的影響，故線(xiàn)路上第m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓Um又可以表示為：

第m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓與第m-1個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓差可表示為：

由式（4）可以發(fā)現(xiàn)，假如節(jié)點(diǎn)m后所有負(fù)載消耗的有功功率小于等于光伏的有功功率總出力，即，說(shuō)明光伏出力后載盈余，會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)m的電壓局部上升至極大值；反之，節(jié)點(diǎn)m后所有負(fù)載消耗的有功功率大于等于光伏的有功功率總出力，即說(shuō)明光伏出力后載完全消納，節(jié)點(diǎn)m的電壓局部下降至極小值。因此，理論上可以分析出分布式光伏電源接入系統(tǒng)中，其有功出力的間歇性、波動(dòng)性、不確定性引起的有功功率快速波動(dòng)是導(dǎo)致10 kV饋線(xiàn)電壓波動(dòng)的主要原因。不同容量分布式光伏電源接入不同位置對(duì)10 kV饋線(xiàn)電壓的影響也不相同，分布式光伏電源接入位置越靠近本級(jí)線(xiàn)路末端，其對(duì)10 kV饋線(xiàn)電壓的提升作用越大。隨著分布式光伏電源出力功率的增加，10 kV饋線(xiàn)電壓較光伏發(fā)電接入前升高幅度增加，且呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，分布式光伏接入點(diǎn)可能是局部電壓的極大或極小值點(diǎn)。線(xiàn)路參數(shù)和負(fù)荷對(duì)大容量分布式光伏電源接入后電壓升高幅度有影響：電壓升高幅度與線(xiàn)路長(zhǎng)度成正比，與10 kV饋線(xiàn)截面積成反比；10 kV饋線(xiàn)上所帶負(fù)荷越小，電壓升高幅度越大，此類(lèi)情況下要關(guān)注線(xiàn)路電壓是否越限。

2.2 分布式光伏電源接入饋線(xiàn)引起電壓波動(dòng)的解決措施

措施1：分布式光伏電源并網(wǎng)點(diǎn)加裝電抗補(bǔ)償器或者動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR），可以在進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，提供瞬時(shí)有功功率補(bǔ)償，將DVR串聯(lián)接入大容量分布式光伏電源接入點(diǎn)與后載欲補(bǔ)償?shù)闹匾?fù)荷之間，通過(guò)對(duì)直流側(cè)電源的逆變產(chǎn)生交流電壓，再通過(guò)變償裝置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓跌落或抵消系統(tǒng)因有功功率不穩(wěn)定電壓上下的小幅度波動(dòng)。

措施2：將分布式光伏電源與蓄電池、超級(jí)電容器、飛輪等形式的儲(chǔ)能項(xiàng)目相結(jié)合，吸收分布式光伏電源后載盈余時(shí)的電能，并在分布式光伏電源出力不足或10 kV饋線(xiàn)電壓偏低時(shí)放出電能，削峰填谷。

措施3：調(diào)整分布式光伏并網(wǎng)逆變器的控制方式。根據(jù)理論分析，由于分布式光伏并網(wǎng)接入點(diǎn)可能是局部電壓的極大或極小值點(diǎn)，故可采用中央主控+逆變器電壓無(wú)功控制的方式，使得并網(wǎng)的10 kV饋線(xiàn)電壓的并網(wǎng)點(diǎn)電壓始終不超過(guò)線(xiàn)路運(yùn)行電壓的最大值。也可通過(guò)改變分布式光伏電源發(fā)電單元的PQ指令值，根據(jù)每個(gè)電源并網(wǎng)點(diǎn)需要消耗的無(wú)功功率調(diào)節(jié)無(wú)功指令，改變運(yùn)行功率因數(shù)，從而達(dá)到控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)分布式光伏電源接入系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的影響，本文先給出兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的分布式光伏電源輸出特性曲線(xiàn)與典型的PQ控制方式，再理論分析含分布式光伏電源的配電網(wǎng)電壓分布與波動(dòng)，根據(jù)理論結(jié)果闡述了三種電壓波動(dòng)的原因與關(guān)鍵影響因素，并結(jié)合理論分析結(jié)果提出了分布式光伏電源接入饋線(xiàn)引起電壓波動(dòng)的三種有效解決措施，對(duì)實(shí)際的光伏工程項(xiàng)目運(yùn)行具有一定的參考價(jià)值。