分布式光伏對局部電網安全運行影響研究及開發應用

鄒兆東

國網湖北省電力有限公司十堰供電公司 湖北 十堰442000

1 引言

當今社會，隨著生產力的發展，傳統化石能源對環境造成了巨大的影響而且出現短缺。為了緩解能源短缺和環境污染造成的壓力，人們正在積極尋找可再生、清潔的能源作為化石能源的替代品。其中，太陽能和傳統能源相比具有儲量豐富、無需運輸、清潔無污染、可再生四大方面的優點，受到人們廣泛關注。加強對分布式光伏發電系統的研究對于提高能源效率有著至關重要的意義。

2 分布式光伏系概述

分布式光伏系統接入電網時，一般是建立在電力電子技術基礎之上的。大量的電力電子轉換器的接入對電網來說，相當于增加了大量的非線性負載，勢必會引起電網電流、電壓波形發生畸變，即引起電網的諧波污染。同時由于電源出力受自然條件的影響，其輸出呈現間歇性的特點，接入主網時會對其電壓，頻率的穩定性造成影響。

為適應我國分布式光伏發電的發展，保證光伏系統接入情況下電網的電能質量水平，就必須開發一種針對光伏電站的綜合監測及評估系統，實現光伏電站的電能質量準確測量及電能質量問題源定位；分析光伏電站的故障及對繼電保護動作的影響；跟蹤系統內的功率波動情況，對分布式光伏電站進行綜合監測及評估分析。

3 介紹國內研究機構對本項目的研究情況

3.1 針對光伏電站的數據高精度采集技術 由于光伏系統的接入，系統的電能質量問題較多，裝置應能準確反應測量點的各項電氣指標信息(包括諧波、間諧波、電壓波動和閃變等)，特別是能提取光伏電站接入引起的暫態電能質量問題信息，同時高效的實時數據處理不應對裝置硬件造成負擔。

3.2 基于太陽能光伏電站監測數據的綜合分析技術 應具備一種綜合分析技術，構建光伏電站的綜合分析模型，實現對光伏電站中的電能質量穩態數據及暫態故障數據進行綜合分析，以便客戶掌握全面的系統信息用于分析光伏電站接入對系統運行的影響。

3.3 精確的諧波及間諧波分析 監測裝置能夠準確記錄光伏電站的電力電子設備產生的諧波及間諧波信息，針對光伏電站的特點，諧波分辨率高于一般的電能質量裝置，并能分析諧波及間諧波對電網的影響。

3.4 光伏電站現場測試功能 監測裝置能夠實現電能質量測試、功率特性測試、電壓異常(擾動)響應特性測試、低電壓耐受能力測試、頻率異常(擾動)響應特性測試等測試的數據準確記錄功能，以便利用相關數據分析光伏電站接入對系統穩定性的綜合影響。

3.5 電能質量及故障記錄復合功能 裝置應在同一硬件平臺上實現電能質量和故障記錄的復合功能，能分析同一時刻電能質量事件與電力系統故障事故之間的關聯關系，同時需要有完善的數據對齊及分析技術對電能質量穩態數據及故障暫態數據進行統一綜合分析。

4 分布式光伏發電系統開發設計方案

4.1 項目研究內容的原理 項目通過采集光伏電站各測量點的諧波、間諧波、電壓波動和閃變等信息，對這些實時數據進行綜合分析，同時，能夠對同一時刻電能質量事件與電力系統故障事故之間的關聯進行分析，并根據分析結果制定合理的治理解決方案，減輕光伏等新能源產業給電網運行帶來的一系列問題。

4.2 分布式光伏發電系統的理論依據

4.2.1 分布式并網光伏發電系統 光伏發電分為2種并網形式：一是通過中高線路接入輸電網；二是經過低壓線路接入配電網。其中第2種多是農村屋頂光伏電或城市小規模建筑光伏電源，即分布式光伏電源(PV)。PV并網系統主要由光伏陣列、逆變器、變壓器和控制系統等組成，其結構如圖所示

由于對分布式光伏電源性能要求不同，能量傳輸與變換的控制方式也有多種。從輸入角度看，光伏逆變系統可以等效為2種形式：電流源型和電壓源型。前者，在直流側串聯大電感以儲存無功功率，并提供穩定的直流輸入，但串入大電感會影響系統動態響應的速度，實際中應用很少；后者采用電容作為儲能元件緩沖無功功率，在世界范圍內應用廣泛。

從輸出角度看，并網逆變器的輸出控制模式同樣有電壓型和電流型2種。在電壓型模式中，并網逆變器對電網呈現低阻抗特性，其輸出的是標準正弦脈寬調制信號，并網電流和輸出電源的質量完全取決于電網電壓；而在電流型模式中，并網逆變器呈現出高阻抗特性，輸出電流是受控量，它的質量受到電網電壓的影響較少，采用這種模式，可以減小電網電壓的擾動對輸出電流的影響，改善輸出電流的質量，應用較多。

4.2.3 電壓、電流有效值計算 電力系統中，理想的電流電壓應該只有頻率為工頻這一種電量，但由于非線性負載的加入，電壓電流波形產生了畸變，產生了頻率為工頻整數倍的諧波電量。根據有效值的定義，我們采用離散傅里葉變換和均方根算法進行電壓電流有效值計算。

4.2.4 光纖通信技術 光纖通信系統性能良好，在我國的高壓輸電網中已有大量使用。光纖通信具有如下特點：

信道容量大，輸送距離遠，能耗低；不同型號之間互相干擾小，保密性好；對電磁干擾不敏感，通信質量好；光纜體積小，密度小，利于運輸和施工，對環境危害小能適應各種環境，耐久性好。

4.3 系統設計方案 光伏電站電能質量及故障記錄綜合監測裝置主CPU 采用了當前國際上最為流行的32位超低功耗ARM處理機，具有強大的運算能力和通信能力；采用高速高精度同步AD 技術；雙以太網，10 M/100 M 自適應。串口支持RS232/RS485/RS422等方式。遙信輸入、遙測輸入都有2層隔離，保證了硬件系統的安全、可靠。

光伏電站電能質量及故障記錄綜合分析平臺采用了Lab VIEW作為開發環境。Lab VIEW是一種基于C語言的圖形化編程語言和開發環境，是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言，采用這種方式進行編程非常方便，并且具有友好的人機交互界面和強大的數據處理能力，同時在查錯、調試和網絡通信等方面也有著獨特的優勢。用戶通過Lab VIEW豐富的集成模塊進行圖形化編程，可以方便地獲得想要的各種測量功能。平臺實現了對并網光伏電站電能質量三項穩態指標的監測，利用LabSQL模塊和數據庫技術實現數據存儲以及基于C/S模式、B/S模式和RemotePanels技術的信息遠程發布方案，使監控中心可通過Internet直接查看即時和歷史電能質量數據，實現信息共享。

項目開展針對光伏電站的數據高精度采集技術研究，采集測量點的各項電氣指標信息，提取光伏電站接入引起的暫態電能質量問題信息；項目開展基于太陽能光伏電站監測數據的綜合分析技術研究，實現對光伏電站中的電能質量穩態數據及暫態故障數據進行綜合分析；項目開展精確的諧波及間諧波分析研究，分析諧波及間諧波對電網的影響；項目開展光伏電站現場測試功能研究，實現測試數據的準確記錄功能，分析分析光伏電站接入對系統穩定性的綜合影響；項目開展電能質量及故障記錄復合功能研究，實現電能質量穩態數據及故障暫態數據進行統一綜合分析。

5 結束語

通過項目的實施，能夠對丹江地區電網的光伏發電等新能源產業帶來的電能質量問題及系統穩定性問題進行及時跟蹤和分析；彌補避免單一的諧波監測或電能質量監測由于監測不全帶來的分析偏差；并能夠根據監測結果制定合理的治理解決方案；根據現場情況選擇便攜或在線監測，減輕現場操作人員的工作強度和壓力；完善的光伏試驗分析模塊可分析光伏電站接入后各項特性對系統穩定性的影響。通過全面精確的監測和深入分析后解決方案的制定，能夠減輕光伏等新能源產業給電網運行帶來的一系列問題，全面提高廣西電網運行的可靠性和安全穩定性。