基于電壓波動的并網光伏系統(tǒng)對電能質量的影響

張丁，王頌凱，安源，王浩，丁航

（西安理工大學，陜西西安 721048）

基于電壓波動的并網光伏系統(tǒng)對電能質量的影響

張丁，王頌凱，安源，王浩，丁航

（西安理工大學，陜西西安 721048）

為了分析并網光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網后對用電質量所產生的影響，以系統(tǒng)電壓波動為目標進行研究。在理論分析的基礎上，基于電力系統(tǒng)分析綜合程序（power system analysis software package PSASP）建立光伏電站輸電網絡模型，針對光照強度、光伏并網容量、光伏無功補償等3方面的影響，對光伏發(fā)電并網系統(tǒng)對電能質量的影響進行仿真。仿真結果表明，光照擾動、接入電網的光伏容量、無功不足均會對系統(tǒng)電壓產生一定影響，需要以相應的措施降低電壓波動，從而提升系統(tǒng)電能質量。

光伏并網；電能質量；無功補償

近年來，能源危機、環(huán)境保護逐漸成為全球關注的熱點問題。隨著以煤炭、石油等為代表的傳統(tǒng)能源面臨枯竭，能源短缺以及溫室效應、霧霾等嚴重的環(huán)境污染日益制約著社會經濟的發(fā)展。以風能、太陽能為代表的可再生能源的開發(fā)及利用越來越受到國際社會的重視。太陽能具有可再生、分布廣、無污染以及蘊藏量豐富等優(yōu)勢，光伏發(fā)電是其主要的利用形式。隨著光伏系統(tǒng)成本的不斷降低及光伏并網技術的日趨成熟，光伏發(fā)電技術已從獨立發(fā)電逐步走向并網發(fā)電，且發(fā)電規(guī)模不斷增大。在政府的大力引導與光伏技術的支撐下，我國已在全國范圍內建成多個兆瓦級光伏電站。

隨著大型光伏電站的迅速發(fā)展，光伏電站并網所產生的電能質量問題越來越突出，目前國內外有一定的研究。文獻[1]用微分方程建立了光伏電站的整體動態(tài)數學模型，并提出了光伏電站在MPPT和定功率控制模式下的穩(wěn)定性判據；文獻[2]建立了一種不包含高頻開關元件的光伏發(fā)電系統(tǒng)的通用性機電暫態(tài)模型，將機電暫態(tài)模型結果與電磁暫態(tài)模型的仿真結果進行了對比分析；文獻[3]通過對諧波的檢測與分析，研究了光伏并網后對電網帶來的影響；文獻[4]通過仿真，研究了大規(guī)模光伏電站接入電網后，在光伏電站出力變化和電網負荷突變的2種情況下，光伏電站對電網穩(wěn)定性產生的影響；文獻[5]在實測數據的基礎上，建立大規(guī)模光伏電站通用仿真模型，分析大型光伏電站的外特性以及并網后給電網帶來的電能質量問題。

高質量的電能對于保證電網和電氣設備的安全、經濟正常運行，提高產品質量和保證居民正常生活有著十分重要的意義。理想狀態(tài)的公用電網應以恒定的頻率、正弦波形和標準電壓對用戶供電，同時，在三相交流系統(tǒng)中，各相電壓和電流的幅值應大小相等、相位對稱且互差120°，但隨著光伏電源的應用，用電負載越來越多樣化，系統(tǒng)拓撲結構越來越復雜，引起的電能質量問題己越來越受到人們的重視[6]。

1 光伏電站對用電質量的影響

與傳統(tǒng)輸電網絡相比，光伏發(fā)電并網系統(tǒng)的電能質量問題主要由光伏電源本身的結構特性、儲能設備、網絡運行特點和負荷性質決定[7]。其對電能質量的不利影響主要由以下幾個方面：

1）光伏電源并網導致大量的電力電子轉換器應用到系統(tǒng)中，其開關器件頻繁的開通和關斷易產生開關頻率附近的諧波分量，對電網造成諧波污染。事實上，不論發(fā)電機組是直接與電力系統(tǒng)相連還是通過電力電子接口裝置和電力系統(tǒng)相連，光伏電源都會帶來波形畸變的問題。另外，為了提高感應發(fā)電機的功率因數，往往安裝并聯(lián)電容器，這無疑會導致系統(tǒng)出現諧振。而且對于光伏電源中的最大功率跟蹤技術MPPT的擾動觀察法，也會在電網中引入諧波。

2）光伏陣列是產生電能的部件，是整個系統(tǒng)的重要組成部分，但它很容易受外界環(huán)境的影響，比如光照、溫度、濕度等外界條件，當外界環(huán)境發(fā)生較大改變時，光伏電池的出力就會出現間歇性和隨機性，從而會影響整個系統(tǒng)的輸出，導致并入電網的電壓及其頻率發(fā)生波動。

3）當電力公司供電因故障、事故或停電維修而跳脫時，光伏并網發(fā)電系統(tǒng)有可能和周圍的負載構成一個自給供電的孤島，即所謂的孤島效應。當光伏切換成孤島方式運行時，如果沒有儲能元件或其能量太小，容易導致電壓波動與閃變。對于單相光伏電池，當其脫離原有的電網后，原來的單相供電模式可能造成其他電網內出現三相負載不對稱的情形，還有可能影響到其他用戶的電壓質量[8]。

雖然光伏電源的并網給傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)帶來了許多問題，但同時也存在著改善電能質量的諸多優(yōu)勢：首先，當系統(tǒng)中關聯(lián)負載較大時，光伏電源能夠及時快速地提供電能，使系統(tǒng)盡可能減少故障，從而提高電網的穩(wěn)定性。光伏電源的接入提高了接入點的短路容量水平，增加電網強度，降低電壓波動與閃變。光伏電源接入減少了饋線中的傳輸功率，同時加上光伏電源無功出力的支持，對負荷節(jié)點起到電壓支撐的作用[9]。

了解光伏并網所帶來的優(yōu)點與缺點，就可以更好地分析光伏發(fā)電對于電能質量的影響。

2 光伏電站電壓波動理論分析

電網的潮流決定了電網的電壓分布情況，所以電網中負荷消耗和電源注入功率的變化都會引起電網各母線節(jié)點的電壓波動，因此，光伏電源接入電網引起電壓波動根本原因是分布式電源輸出功率的波動。引起光伏電源功率波動的因素很多，自然條件的變化是主要原因。如太陽光照度的改變影響到光伏電池輸出功率的大小[10]。為了提高光伏電源的發(fā)電效率，很多機組采用了最大功率追蹤控制，所以當外界條件發(fā)生變化時其輸出功率必然隨之變動，從而引起電壓波動。

下面，將具體分析并網式光伏電源輸出功率波動對系統(tǒng)電壓波動的影響。

圖1為光伏并網的等效示意圖，將光伏電源視為供電電源，利用戴維南等效將原電網等效為負載。其中，U1為光伏出口的電壓相量；U2為原電網電壓相量；Z為線路阻抗；P、Q為光伏電源向系統(tǒng)輸送的有功功率和無功功率。

圖1 光伏并網等效示意圖Fig.1 Equivalent diagram of grid-connected photovoltaic system

由圖1可知，線路上的電壓滿足以下關系：

其中

一般，線路兩端電壓的相角差δ較小，可忽略電壓降橫分量對電壓損失的影響，得

設光伏電源的有功和無功變化量分別為ΔP，ΔQ，則

假設U2=UN，則并網節(jié)點相對電壓波動值為

由上可知，光伏電池光照度的隨機變化引起注入系統(tǒng)的有功功率P和無功功率Q的變化，造成電壓的波動與閃變[11]。線路電阻和電抗值是影響電壓波動變化量的重要因素，合適的線路電抗與電阻比可以使有功功率引起的電壓波動被無功功率引起的電壓波動補償掉，從而使總的平均波動與閃變值有所降低。在電抗X中有相當大的比重是系統(tǒng)等值電抗，系統(tǒng)等值電抗與短路容量成反比，系統(tǒng)短路容量越大，電源等值阻抗越小，造成的電壓波動就越小。

輸線路參數特點的不同會對線路上電壓的波動會產生不同的影響[12]，在電壓等級較低的配電網絡中，R?X，因此電壓波動的幅值主要取決于有功功率的變化，而在電壓等級較高的輸電網絡中，X?R，所以電壓波動的幅值將主要取決于光伏電源無功的變化。

為進一步簡化計算結果可以對將要連接到供電系統(tǒng)中的光伏電源對公共連接點（PCC）的電壓反作用進行預估[13]。

對于平衡的三相負荷，PCC處的短路容量為：

式中，Z0為系統(tǒng)等值阻抗；Id表示PCC處的短路電流。

當系統(tǒng)阻抗電壓降相對于系統(tǒng)標稱電壓很小時，供電電流的變化量可以用接入的負荷容量的變化量來表示：

光伏接入后的電壓波動值為

相對電壓波動值為

以上為忽略線路阻抗角和功率因數角的推導過程。

若考慮電網的線路阻抗角和功率因數角，則可以進行如下分析。圖2給出了含有光伏電站并網的電力系統(tǒng)的戴維南等效電路圖[14]，Sk表示光伏電站并網與電力系統(tǒng)的公共連接點的短路容量；Z=Z1+Zpv表示光伏電站及并網輸電線路的等效阻抗；Ipv表示光伏電站輸電線路上的電流；Zs=R+jX表示系統(tǒng)的等效內阻抗，當光伏電站出力變化時，Ipv也會發(fā)生變化。

圖2 戴維南等效電路圖Fig.2 The Thevenin equivalent circuit diagram

據瞬時無功功率理論，可將光伏并網線路上的電流表示為：

并網點電壓變化量可以表示為

式中：Φ為從光伏接入點看，電網系統(tǒng)的阻抗角；θ是光伏電站的功率因數角；ΔP是光伏出力的變化量；Us是電網系統(tǒng)的電壓；Upv是光伏電站的電壓；Un是PCC的電壓。

若忽略電網系統(tǒng)內阻抗，光伏并網輸電線距離較近，有Upv≈Un，Us≈Un，則：

所以電壓相對變化率為

由此可以根據光伏接入電網節(jié)點的短路容量和電網中所能引起的電壓波動閾值確定接入電網的光伏容量。由于這一推導僅僅考慮了電壓波動值，光伏容量的確定還與無功波動，有功需求及滲透率有關[15]，所以本節(jié)推導出的光伏容量約束性小，數值較大，只能作為光伏電站的容量上限使用。

3 光伏電站的電壓波動仿真分析

本節(jié)所有仿真都是在（PSASP）中進行，本文所采用的輸電網模型為7節(jié)點輸電網絡模型，在此模型上進行光伏發(fā)電并網系統(tǒng)對電能質量影響的仿真。輸電網絡模型如圖3所示，圖中G1母線接光伏發(fā)電機，為PQ結點；G2母線接一般同步發(fā)電機，為PV節(jié)點；S1為平衡節(jié)點；母線都為220 kV母線；B4-220母線上接有一個并聯(lián)電抗器。該系統(tǒng)中光伏發(fā)電所占比重比較小，較符合實際電網的情況。模型內部全采用標幺值計算，SB=100 MVA。要進行以下3方面內容的仿真：1）光照擾動對電壓波動的影響；2）光伏并網容量對電壓波動的影響；3）光伏無功補償對于電網電壓的支撐作用。

圖3 7節(jié)點輸電網絡模型Fig.3 7 node transmission network model

3.1 光照擾動對電壓波動的影響

G1的容量為60 MVA，G2的有功功率為2 500 MW，電壓為1.03（p.u.）負荷為3 000+300j MVA。改變G1的光照強度，使其在5 s時跌落一半，在15 s時回升回原光照強度，光照強度示意圖及光伏模型G1出口處的電壓波動分別如圖4、圖5所示。

圖4 光照強度示意圖Fig.4 Schematic diagram of light intensity

圖5 G1出口處的電壓波動圖Fig.5 Voltage fluctuation at G1 exit

可以發(fā)現，光伏模型G1出口處的電壓和光照強度有一樣的變化趨勢，這是由于隨著光照的變化，光伏的無功出力在變化，因此會導致電壓波動。但是電壓下降的不是特別明顯，這是因為光伏的容量比較小，對電壓的影響力不是很大，而且光伏本身對電壓就有一些支撐作用，所以G1出口處電壓波動不大。此外在G1出口處的電壓波動圖的一些轉折點上，可以看出光伏模型的調制過程，這是PWM逆變器的調制過程的體現。

3.2 光伏并網容量對電壓波動的影響

改變G1的并網容量分別問0 MW、20 MW、40 MW、60MW，使其發(fā)出10%的無功功率，G2的有功分量為2 500 MW，電壓為1.03（p.u.），負荷為3000+300j MVA。觀察G1出口處的電壓水平，結果如表1所示。

表1 G1出口處的電壓值Tab.1 The voltage at the G1 exit

由表1可知，隨著光伏容量的增加，光伏電站無功出力增加，可抬高電網節(jié)點的電壓水平，這和第2節(jié)中的推導相符合，因此，隨著并網光伏容量的增加，將會改善電網節(jié)點的電壓質量。

3.3 光伏無功補償對于電網電壓的支撐作用

本仿真做了4組數據，G1的容量為60 MV·A，在方案一與方案三中，全發(fā)有功；在方案二與方案四中，發(fā)10%的無功分量。G2的有功功率在方案一與方案二中為2 500 MW，在方案三與方案四中為80 MW，每一組方案的負荷數據分別為30+300 jMV·A和30+800 jMV·A。這樣就得到了以下四組數據（見表2）。

表2 四組數據結果Tab.2 Four sets of data

由Case1可知，隨著負荷無功需求的增加，光伏出口處的電壓將下降，這是由于在輸電網絡中，線路所傳輸的無功功率與線路的電壓損耗近似成正比，這樣可能導致節(jié)點電壓低于電壓標準，降低了電能質量。

比較Case1和Case2或Case3和Case4，可以發(fā)現，光伏輸出了10%的無功分量后，相應的電壓會升高，這也和前文推導的無功功率對電壓有一定的支撐作用相吻合，但是由于光伏容量有限，無功分量含量較少，對電壓的支撐作用很小，所以在光伏電網中調節(jié)電壓主要還得依靠無功補償設備。

4 結論

對于電能質量分析，可以得到以下結論：

1）光照擾動會造成電壓的波動，但由于所仿真的光伏容量較小，電壓波動不大，但是在實際系統(tǒng)中，若光伏容量較大，則需要配備一定的儲能來降低電壓的波動。

2）接入電網的光伏容量對電壓波動有一定的影響，隨著光伏容量的增加，光伏電站無功出力增加，可抬高電網節(jié)點的電壓水平，改善電網節(jié)點的電壓質量。

3）無功不足將導致電壓跌落，光伏電站發(fā)出一定的無功可以對電壓起到支撐作用，但是支撐作用很小，仍需要在光伏電站中配備無功補償措施。

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（編輯 張曉娟）

Impacts of Voltage Fluctuation of Grid-connected Photovoltaic Systems on Power Quality

ZHANG Ding，WANG Songkai，AN Yuan，WANG Hao，DING Hang
（Xi’an University of Technology，Xi’an 721048，Shaanxi，China）

To analyze impacts of the grid-connected photovoltaic power generation system on the power quality，system voltage fluctuations should be studied.Based on the theoretical analysis，a photovoltaic power plant transmission network model is built in this paper based on Power System Analysis Software Package（PSASP），and considering the light intensity，PV grid capacity and PV reactive power compensation，impacts of the grid-connected photovoltaic power generation system on the power quality are simulated.The simulation results show that light disturbances，PV capacity connected to the grid and the insufficient of reactive power all have certain impacts on the system voltage，and appropriate measures are needed to reduce voltage fluctuations，so as to improve the system power quality.

PV grid；power quality；reactive power compensation

2017-01-22。

張 丁（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向為新能源并網穩(wěn)定性、電力市場；

王頌凱（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向為為新能源電力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)測量和控制與保護；

安 源（1968—），男，副教授，碩士生導師，主要研究方向為新能源電力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)保護與自動化；

丁 航（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向為新能源電力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)測量和控制與保護；

王 浩（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向為為新能源電力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)測量和控制與保護。

國家自然科學基金重大項目（5119003）；黃河上游水電開發(fā)有限責任公司項目-龍羊峽水光互補協(xié)調運行理論與方法研究。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（5119003）；The Yellow River Upstream Hydropower Development Co.Ltd.TechnologyProject-ResearchonTheoryandMethodfor Longyangxia Hydro-Solar Power Complementary Coordinated Operation.

1674-3814（2017）04-0119-06

TM615

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