光伏電站接網電壓調節研究

劉瀟

摘 要：徐大堡核電現場光伏采取自發自用余量上網的方式。在此種模式下，光伏電站并網可能會引起潮流改變，造成光伏發電站的并網點處電壓升高。本文以此為出發點，根據現場供電方式建立了等效電路模型，推導出并網點電壓與光伏電站輸出功率、現場負荷、無功補償容量之間的關系，以此結合實際情況選擇靜止無功發生器進行調壓，驗證了有效性的同時，計算出在極限情況下光伏系統輸出功率的大小，為評估不同負荷下并網點電壓偏移情況提供了參考。

關鍵詞：電能質量 電壓偏移 調壓措施

中圖分類號：TM93 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（b）-0043-03

隨著大規模光伏電站并網運行，光伏發電容量所占系統總容量有所提高，對電力系統的影響也越來越大。傳統的電力系統輸配電電網設計為從發電單元到負荷的單向輸電系統，大規模光伏電站并網運行，有可能引起潮流逆流等問題，導致光伏并網點電壓升高或過電壓[1]。電壓升高會影響對負荷供電的電能質量，減少設備的使用壽命、造成損壞，甚至引起電力系統崩潰，造成大面積停電。因此，通過采取電壓調節方法盡量減小電壓升高，使其電壓盡量接近額定電壓，就顯得尤為重要。

1 電壓升高建模分析

1.1 現場運行模式

徐大堡10kV臨時施工電源（核電線）于2010年12月正式投入運行，接入興城市東辛莊變電站。電源線路總長度為13.022km，其中電纜長度為0.345km，架空線路長為12.677km，線路導線采用LJ-240鋁絞線，單回供電。現場初期僅由這一條10kV核電線對主廠區及廠前區進行供電，后廠區內建設220kV電源及光伏電源，現場供電方式經過歷次變遷，目前供電方式為：由220kV開關站向3個電氣施工環網供電，保證主廠區施工活動用電；光伏發電一部分供應廠前區調試檢修樓、檢修食堂、檢修公寓、宣展中心等用負荷用電，其余部分輸送至電網。即光伏發電在保證滿足廠前區用電需求的前提下，采取發電余量上網的方式。具體運行方式為：在白天，光伏發出的直流電經逆變器轉換為315V交流電，后經過升壓變壓器送至10kV核電Ⅰ段母線，由10kV核電線Ⅱ段母線經#258號桿將電能送至電網，經#259號桿將電能送至動力站10kV母線，由此供應廠前區用電；夜晚，電網經過10kV核電線Ⅱ段母線反向送電至10kV動力站，供應廠前區負荷用電。供電情況如圖1所示。

1.2 線路建模計算

對圖1進行簡化，可以得到現場光伏并未運行的戴維南等效電路，如圖2所示。

圖2中為電網電壓，可以認為電網是一個無窮大系統，其電壓幅值||基本恒定不變；為從并網點至東辛莊站10kV線路總阻抗，其中R為電阻分量，X為電抗分量，架空線路阻抗偏感性，P表示電網向負載方向傳輸的有功功率，Q為電網向負載輸出的無功功率；為光伏接入電網點（point of common coupling，PCC點）的電壓，PG及QG表示光伏電站向PCC點輸送的功率[2]；PL與QL分別為廠前區負載的有功與無功功率；TC為在PCC點接入的無功補償裝置。根據圖2可知，電網向PCC點方向傳輸的功率為：

根據公式（5）可以看出，由于線路阻抗的存在，當光伏電站向電網輸送有功功率時會引起并網點電壓U2值增加。在負荷較輕的情況下，電壓升高的情況尤為嚴重，當其值超過我國GB 12325-2008《電能質量-供電電壓允許偏差》中10kV系統電壓偏差在額定值的±7%這一要求[3]，造成輸配電線路和變壓器等設備過載、加快老化，較少使用壽命，降低系統供電可靠性。

2 電壓調節策略選擇

2.1 調壓方式

由于逆變器一般運行在恒定功率因數的情況下，目前電力系統主要的調壓措施有改變變壓器變比調壓、利用無功補償設備調壓等。

改變變壓器變比調壓是根據改變變壓器分接頭的檔位從而改變輸出電壓的一種方式，有無載調壓變壓器與有載調壓變壓器兩種。利用無功補償設備進行調壓，是通過向電網提供無功電源，從而改變系統中無功功率分部的方式進行調壓，可作為無功電源的有電容器、調相機、靜止無功補償器、靜止無功發生器等。

2.2 比較與選擇

無載調壓價格便宜，但必須在變壓器斷開電源的情況下進行操作；有載調壓可以在變壓器帶有負載時進行調壓，調壓范圍較無載調壓范圍大，但價格較高，經濟性差。以上兩種方式根據分接頭檔位調節電壓大小，不能連續調壓，且當在系統電源無功不充足時，會造成系統無功缺額加大，造成系統電壓水平進一步降低。因光伏發電是直流電源，不提供無功，盡量不采用以上調壓方式。

無功補償設備調壓中，并聯電容器通過減小傳輸的無功功率來提高負荷端電壓，需要根據負荷的變化進行頻繁的分組投入或切除操作，且因并聯電容輸出量與電壓平方成正比[4]，電網電壓降低，此種方式的調節能力也降低。與并聯相對應的串聯電容器，利用其自身電壓降與線路壓降相互抵償，其優勢在于調壓作用隨著負荷變化可以自動連續調整，但這種方式未改變輸電線路上的無功輸送容量，只提高了末端電壓，提高了負荷的電壓而造成負荷消耗無功增加，使線損增加，同時還會產生如鐵磁諧振等異常現象，對設備造成損害，因此目前應用較少。

靜止無功補償器（SVC）是利用電容器和各類電抗器進行無功補償的裝置，可控的電抗器吸收感性無功，電容器發出容性無功。通過對電抗器進行調節，使整個裝置平滑地從發出無功功率改變到吸收無功功率，并快速反應[5]。但補償器自身會產生諧波，需要有配套的濾波器，增加了投入。靜止無功發生器（SVG），采用可關斷的IGBT組成橋式電路，經過電抗器并聯至電網，通過調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，迅速吸收或發出所需的無功，實現快速動態調節。相較于SVC無功補償裝置，SVG具有運行范圍大、諧波量小、連接電抗小、可控性好、調節速度快，這也是目前現場實際配置的無功補償裝置。

3 現場數據推導

根據《光伏發電站無功補償技術規范要求》中規定光伏逆變器功率因數應在超前或滯后0.95范圍內，由公式（5）（6）可以分析得出當現場負荷為0，光伏逆變器功率因數為0.95，SVG不提供補償容量時，可以計算得出此時若向電網輸送功率2374kW，PCC點電壓此時為10.7kV，處于電壓允許偏差的邊緣。現場SVG容量為1000kVar，當其補償780kVar時，PCC點電壓為10.4kV，可見，通過SVG補償部分無功，可有效調節PCC點的電壓，改善電壓質量。

4 結語

本文從光伏系統輸送功率引起并網點電壓升高這點出發，根據現場的供電方式建立了相應的等效電路模型，并以此推導出了并網點電壓與光伏系統輸送功率、現場負荷、無功補償容量之間的數學關系，并根據現場情況進行了計算分析，結果表明，通過SVG裝置進行無功補償，可有效調節PCC點電壓，改善電壓質量。

參考文獻

[1] 黃欣科，王環，王一波，等.光伏發電系統并網點電壓升高調節原理及策略[J].電力系統自動化，2014（3）：112-117.

[2] 唐輝.大型光伏電站電能質量分析與治理方案研究[D].長沙：湖南大學，2013.

[3] GB/T 12325-2008，電能質量 供電電壓允許偏差[S].

[4] 王金峰.淺談油田電網無功補償技術現狀及發展趨勢[J].中國化工貿易，2015（34）：257.

[5] 楊志剛.配電網中無功補償技術的探討[J].知識經濟，2014（11）：91.endprint