大容量分布式光伏并網對配電網綜合影響分析

黃 偉，董旭柱，雷金勇，于 力

（1.華南理工大學電力學院，廣州 510640；2.廣東電網公司佛山供電局，佛山 528000；3.南方電網科學研究院，廣州 510080）

大容量分布式光伏并網對配電網綜合影響分析

黃 偉1，2，董旭柱3，雷金勇3，于 力3

（1.華南理工大學電力學院，廣州 510640；2.廣東電網公司佛山供電局，佛山 528000；3.南方電網科學研究院，廣州 510080）

為研究大容量分布式光伏并網對配電網的綜合影響，基于廣東某實際并網的分布式光伏項目的數據，搭建了DIgSILENT模型，分別從潮流和短路、諧波和三相不平衡度、電壓波動等角度，對分布式光伏在不同并網點處并網前后配電網的表現進行仿真和對比分析。結果表明，為應對大規模分布式光伏發電接入配電網，需加強并網檢測和控制并網容量，以保證配電網線路輕載甚至倒送、公共點功率因素偏低、短路電流增加和電能質量惡化等問題限制在規定允許范圍內。

分布式光伏；大容量；電能質量；諧波；電壓波動；經濟性

近年來，隨著能源利用與環境保護的問題越來越受到重視，光伏發電等新能源在世界范圍內得到了快速發展，并取得了廣泛應用。光伏發電包括光伏發電站發電和分布式光伏發電兩種，分布式光伏DPV（distributed photovoltaic）是分布式發電技術DG（distributed generation）的一種，是指在用戶所在場地或附近建設運行，以用戶側自發自用為主、多余電量上網，且在配電網系統平衡調節為特征的光伏發電設施。它們的規模不大，一般在幾十kW到十幾MW之間。近年來我國在“金太陽”工程之后繼續大力推進DPV的發展，且出現項目容量越來越大的趨勢。由于容量的增大這些DPV項目大多通過10 kV中壓配電網并網運行。

隨著光伏滲透率的增加，大量光伏接入配電網對電能質量、電壓波動、繼電保護等方面均會造成不同程度的影響[1-4]。目前，專門針對分布式光伏接入對配電網影響的研究大多仍以理論研究為主。文獻[5]通過對某產業園區的光伏和微燃機接入進行仿真，得出電壓水平、諧波含量均在合理范圍，鄰線故障也不會因DG的接入而導致本線路保護誤動的結論；文獻[6-7]研究了PV在配電網不同位置、不同容量接入時對電壓分布的影響，得出PV接入配電網對電壓有一定的提升作用，但應限制其容量以免電壓越限；文獻[8]分析了PV接入配電網引起電壓波動的主要原因是太陽輻照度的變化，提出通過PV與SVC復合式調節的手段來限制電壓波動；文獻[9-10]研究了PV接入配電網不同饋線不同區段時，對原有配電網繼電保護及安全自動裝置的影響；文獻[11]研究了接入DG對實施重合器模式饋線自動化線路的保護配合動作影響，提出了保證自動開關設備保護配合準確的DG容量與接入位置的建議；文獻[12]分析了各種短路故障時的短路電流變化情況，得出無論配電網發生三相或兩相短路時，由PV供出的短路電流都不超過其額定電流的1.5倍的結論，并對逆變器自身故障的保護提出了要求；文獻[13]分析了DPV的有功出力和功率因數對配電網網損產生的影響，并提出了利用網損變化率指標來量化對配電網網損的影響程度；文獻[14]分析了含PV和燃料電池等DG的有源配電網在PV故障、光照強度和功率指令變化等擾動下的動態特性；文獻[15]分析了PV接入對配電網節點電壓和網損的影響，指出在PV并網點安裝一定容量的無功補償裝置，可平抑潮流波動，提高系統暫態穩定性。

本文以對廣東某實際并網的分布式光伏項目為例，利用電力系統仿真軟件DIgSILENT/Powerfac?tory進行數學建模，仿真分析分布式光伏在實際運行中對潮流分布、短路電流、諧波和電壓波動等方面的具體影響。

1 分布式光伏并網模型

廣東某城市電網區域有一用戶建有40 MV·A的配變容量，通過5條10 kV饋線接入電網。在該用戶內準備建設一個設計總規模35 MWp的分布式光伏項目，分7個并網點分別接入5條10 kV饋線。由于這5條饋線分屬3個獨立的供電片區，片區間互不影響，本文僅對其中的一個片區進行仿真。此片區含2條單聯絡饋線，上面接有3個并網點共11.5 MWp的光伏容量。10 kV線路裝接情況如表1所示，接線示意如圖1所示。

圖1 分布式光伏并網接線示意Fig.1 Connection diagram of distributed PV

表1 分布式光伏項目并網情況Tab.1 Configuration of distributed PV project

在電力系統仿真軟件DIgSILENT里搭建的光伏系統模型主要包括光照模塊、光伏電池模塊、直流母線電壓控制模塊、最大功率跟蹤模塊、逆變器控制模塊等，其中有功和無功控制模塊是通過控制直流母線電壓和電網側交流電壓實現有功和無功功率的解耦控制。具體控制框圖如圖2所示。

圖2 光伏電池模型控制框圖Fig.2 Control block diagram of PV cells model

在DIgSILENT模型中，負荷電流、線路長度、型號截面、允許載流量等網架參數均使用實際電網數據。光伏逆變器數據根據廠家公布的設備參數錄入，并且該逆變器并網前已通過質監部門的電能質量檢驗。

2 潮流和短路電流分析

2.1 潮流分析

根據潮流計算，DPV并網后各10 kV線路的負載率普遍偏低，其中713線路還出現了有功功率倒送的現象。各節點電壓在DPV并網后稍有上升，但均能保持在合理水平。

但由于本項目逆變器不參與無功調節，固定在功率因數為1左右的水平，光伏并網后電網的無功潮流基本變化不大。而光伏的出力使得電網線路的有功功率下降，因此光伏并網點的“上端”節點均出現了功率因數大幅下降的現象，計算結果詳見表2。電網線路只傳輸無功，電網運行的經濟性將大受影響。

表2 各節點電壓和功率因數計算結果Tab.2 Calculation results of voltage and power factor at network nodes

由此可見，如果光伏逆變器只有有功出力而不參與無功調節，則會使配網線路的公共節點處出現功率因數偏低的現象。以上問題都會對配電網的經濟運行造成很大的影響，使得配電網的投資效益大為降低。

2.2 短路電流分析

模擬713線路開關站處發生三相短路故障進行仿真計算，0.1 s后發生短路，故障點短路電流的仿真波形如圖3所示。通過計算，在光伏并網前短路電流大小是12.75 kA；而當光伏并網后，因光伏發電產生的短路電流增加了0.46 kA，合計短路電流達到13.21 kA，增加了3.61%。

圖3 光伏并網后短路電流仿真計算結果Fig.3 Simulation results of short-circuit current after PV is connected to grid

可見，因光伏的接入會使得10 kV線路上的短路電流稍微增加，但增量很小，總值不超過允許的20 kA短路電流水平。但增加的短路電流由線路末端流向短路點，短路電流數值和方向的變化會影響到線路上保護的動作，需要對保護動作定值重新進行整定計算。

3 諧波和三相不平衡分析

3.1 諧波分析

根據GB/T14549《電能質量公共電網諧波》規定，分布式光伏發電系統接入電網后引起電網公共連接點的諧波電壓畸變率以及向電網公共連接點注入的諧波電流應符合表3、表4的標準。

表3 公用電網諧波電壓限值Tab.3 Limitation of harmonic voltage in public power network

表4 注入電網的諧波電流允許值Tab.4 Limitation of harmonic current injected into power network A

對光伏并網點處進行諧波分析計算，總畸變率及各次諧波值分別如表5和圖4、圖5所示。#1、# 3、#5 3個并網點處的諧波電壓總畸變率THD（total harmonic distortion）均在0.2%～0.4%的范圍，各次諧波電壓含有率HD（harmonic distortion）不超1%；電流總畸變率也在3%左右，注入電網的各次諧波電流值均小于3 A。

表5 并網點總諧波畸變率Tab.5 Total harmonic distortions at the point of common coupling%

圖4 并網點各次諧波電壓畸變率計算結果Fig.4 Results of harmonic voltage distortion at the point of common coupling

由于該項目選用了合格的逆變器等光伏并網設備，并在并網前做了嚴格的并網驗收和檢測。因此實際運行時電網的各項諧波指標均滿足規范要求，DPV的并網并不會對電網的諧波問題造成較大的影響。

3.2 三相不平衡分析

根據GB/T15543《電能質量三相電壓不平衡》規定，分布式光伏發電系統正常并網運行時，接入公共連接點的負序電壓不平衡度不超過2%，短時不得超過4%；接于公共連接點的每個用戶引起該點負序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%。

并網前后光伏并網點的三相電壓不平衡度計算結果如表6所示，其中u1、u2分別表示正序、負序電壓幅值（標幺值）。從表中可知，因光伏的并網會使三相電壓出現稍微的不平衡現象，但各節點的不平衡度指標均滿足GB/T15543《電能質量三相電壓不平衡》中要求不超過2%的規定，對電網影響不大。

表6 并網點三相電壓不平衡度計算結果Tab.6 Three-phase voltage unbalanced factor at the point of common coupling

4 電壓波動分析

根據GB/T12326《電能質量電壓波動和閃變》規定，任一用戶在電力系統公共連結點產生的電壓波動不應超過規定的允許值，具體允許值見表7。

光伏的并網使配電網由單電源變成了多端電源，而且光伏出力具有隨機性和波動性。這些光伏電源都集中在用戶側并網，由于電源的投切和出力變化可能會引起并網點電壓的波動，從而影響用戶供電的電壓質量。在此分別對這兩種情況進行仿真，分析其對電壓波動產生的具體影響。

表7 電網電壓波動允許值Tab.7 Allowable values of voltage fluctuation

4.1 光伏投切的影響

以#3并網點為例，對光伏投切時并網點處的電壓波動情況進行仿真。在t=0.1 s時光伏切除，t= 0.2 s時投入，仿真結果見圖6和圖7，光伏投入時的電壓波形和切除時類似，在此僅將光伏切除時的三相電壓波形詳細展開。由圖中可見，在光伏切除時并網點電壓稍微下降，由9.727 kV下降到9.656 kV，電壓波動0.71%；光伏投入時，最大電壓9.748 kV，最小電壓9.655 kV，波動幅度0.93%。電壓波動在允許范圍之內。

圖6 光伏投切時并網點電壓的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of PCC voltage when PV switches

圖7 光伏投切時并網點電壓的暫態仿真結果Fig.7 Transient simulation result of PCC voltage when PV switching

4.2 光照強度變化的影響

光伏接入配電網引起電壓波動的原因之一是太陽輻照度的變化，本文模仿光照變化波動的過程，對并網點電壓的波動情況進行仿真。

設初始光照強度1 000 W/m2，光伏正常出力6.545 MW，在t=1 s時光照強度以200 W/（m2·s）的速度下降，持續時間為2 s，t=3 s時光伏系統輸出功率降低至1.65 MW；t=5 s時光照強度以400 W/（m2·s）的速度上升，持續時間為1.5 s；t=6.5 s時光伏系統輸出功率提升至8.745 MW，接近最大輸出功率；t=8 s時光照強度以400 W/（m2·s）的速度下降，持續時間為1 s；t=9 s時，光伏系統輸出功率降低至4.895 MW，之后保持穩定。仿真時間15 s，并網點的電壓波形和仿真結果如圖8和圖9所示。

圖8 光照強度變化時并網點電壓的仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of PCC voltage when solar irradiance changes

圖9 光照強度變化時并網點電壓的暫態仿真結果Fig.9 Transient simulation result of PCC voltage when solar irradiance changes

可見，光照的波動變化對并網點的電壓波形沒有影響。電壓的大小隨著光伏出力的變化而改變，升降基本呈線性變化。整個過程中最高電壓9.747 kV，最小電壓9.673 kV，電壓波動不超過0.75%。滿足相關規程要求。

5 線路接入最大光伏容量的影響分析

配電網中10 kV主干線的導線截面大部分不超過400 mm2，其允許載流量受諸多因素限制，一般會控制在8 MW以下。每條10 kV饋線上允許接入的光伏總容量目前并沒有明確的規定，但為了避免配網負荷輕載時光伏發電倒送上網出現線路過載的現象，光伏總容量不宜超過10 MW。

為模擬最大光伏接入時對配電網諧波、電壓波動等的影響情況。假設本項目3個并網點#1、#3、#5的光伏板全部集中在#3并網點上網，即在713線路的#1電房里接入了11.5 MW的光伏容量。此時負荷全部設為0，其他網架參數保持不變。

具體的仿真結果和前文所述類似，各項指標稍微有所增大，但均不超過相關規程的允許范圍。其中：線路最高電壓在并網點處，達到9.927 kV；短路電流因光伏的并網增加了0.64 kA，增幅5.04%；諧波電壓總畸變率0.69%；因光伏投切引起的最大電壓波動不超過1.9%，光照強度變化引起的電壓波動最大不超過0.72%。

6 結論

本文針對近來大容量分布式光伏項目逐漸增多的趨勢，通過對廣東某實際并網的分布式光伏項目進行仿真，分析其在實際運行中對潮流分布、短路電流、諧波和電壓波動等方面的具體影響。通過仿真計算可得如下結論。

（1）DPV并網后使配電網的潮流發生較大變化，出現線路長期輕載運行甚至功率倒送的現象。如果光伏逆變器只有有功出力而不參與無功調節，還會使配網線路的公共節點處出現功率因數偏低的現象。以上這些都會對配電網的經濟運行造成很大的影響，使得配電網的投資效益大為降低。

（2）DPV并網后對短路電流的增加很小，但短路電流數值和方向的變化會影響到線路上保護的動作，需要對保護動作定值重新進行整定計算。

（3）DPV項目的并網，會對配電網產生一定的諧波污染并引起三相電壓不平衡的現象，但只要在并網前做好逆變器的電能質量檢測和控制，諧波和三相不平衡度的指標均可滿足相關標準的要求。

（4）只要控制接入配網線路的光伏容量在合理范圍之內，DPV并網引起的電壓波動值均在標準要求的范圍之內，不會對系統和用戶的供電質量產生大的影響。

因此，建議在DPV項目并網審批時加強對光伏設備的并網檢測和控制，并在下一步詳細研究分布式光伏并網對配電網經濟運行的影響；討論其發出一定的無功功率，參與電網無功調節的可行性；以及對分布式光伏項目收取系統備用容量費的政策可行性。

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Integrated Impact of Large-capacity Distributed Photovoltaic on Power Grid

HUANG Wei1，2，DONG Xuzhu3，LEI Jinyong3，YU Li3
（1.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Foshan Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Corporation，Foshan 528000，China；3.China Southern Power Grid Research Institute，Guangzhou 510080，China）

To study the integrated impact of large capacity distributed photovoltaic（PV）on the distribution network，the models on DIgSILENT platform are constructed based on the data of a practical grid-connected distributed PV proj?ect in Guangdong Province.The simulation is conducted from the perspective of load flow，short circuit，three-phase un?balanced degree，harmonic and voltage fluctuation at the points of common coupling（PCC）to compare the performances of distribution network before and after PV connection.The results show that in response to the increasing scale of dis?tributed PV connected to the distribution network，the grid-connection tests and installed capacity control of distributed PV should be strengthened to restrict the problems of light load and inverse active power of transmission lines，low pow?er factor at PCC，short-circuit current enlargement and deteriorating power quality within allowable extent.

distributed photovoltaic（PV）；large capacity；power quality；harmonic；voltage fluctuation；economical efficiency

TM74

A

1003-8930（2016）11-0044-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.11.008

2014-10-16；

2016-06-01

南方電網公司科技資助項目（KY2014-2-0024）

黃 偉（1979—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電網規劃與電力系統分析。Email：norchy@163.com

董旭柱（1970—），男，博士，教授級高工，研究方向為配電自動化、儲能、新能源和微電網。Email：dongxz@csg.cn

雷金勇（1982—），男，博士，高級工程師，研究方向為分布式新能源和微電網等。Email：leijy@csg.cn