湖北省分布式光伏電壓和頻率耐受能力分析

蔡德福，汪 鵬，閆秉科，萬 黎，曹 侃，葉 暢，饒渝澤，王 瑩

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077；2.國網湖北省電力有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

近年來，湖北省以風、光為主的新能源開發利用增速較快［1-3］。截至2019年底，湖北風電、光伏發電累計裝機容量10 267.1 MW，主要接入110 kV及以下電網，其中接入110 kV 電網6 782 MW，占比66.1%；接入35 kV及以下電網3 303 MW，占比32.2%。同時全省風光資源分布不均，優質資源相對集中，使得風光資源開發熱點地區黃岡、孝感、隨州等局部區域接入較為集中。部分地區新能源無法在配電網就地消納，出現向主網倒送功率現象，甚至發生潮流和電壓越限等問題，影響到配電網的安全運行［4-7］。

受光照資源時間分布不均衡和氣象變化的影響，分布式光伏的輸出具有隨機性、波動性、間歇性的特點，其可調可控性較差。隨著分布式光伏裝機容量的不斷增加，分布式光伏發電呈現“點多面廣、局部高密度并網”的特點［8］，分布式光伏與配電網之間的交互影響日益明顯，包括分布式光伏對配電網的影響和配電網對分布式光伏的影響兩方面［9-17］。分布式光伏大規模高密度并網將影響配電網的無功調節［18-20］、電能質量［21-23］、保護配置［24-26］、發電規劃［27-29］等規劃設計和調度運行的各個方面；同時，對電網運行的影響呈現“局部向全局發展、配電網向主網延伸”的趨勢。

國家強制標準規定新能源場站以及分布式電源的電壓和頻率耐受能力原則上與同步發電機組的電壓和頻率耐受能力一致［30］。本文首先介紹了分布式光伏涉網技術要求，對湖北省接入35 kV和10 kV電壓等級的分布式光伏項目的電壓和頻率耐受能力進行了多維度分析，著重分析了不滿足頻率響應要求和不滿足電壓保護動作時間要求的分布式光伏項目情況，并提出了相應的整改建議。

1 分布式光伏涉網技術要求

分布式電源是指接入35 kV 及以下電壓等級電網、位于用戶附近，在35 kV及以下電壓等級就地消納為主的電源，包括同步發電機、異步發電機、變流器等類型電源。分布式光伏為變流器類型電源，其涉網技術要求如下［31］：

1）當分布式光伏并網點頻率在49.5 Hz～50.2 Hz范圍之內時，分布式光伏應能正常運行。

2）分布式光伏應具備一定的耐受系統頻率異常的能力，能夠在表1 所示的電網頻率范圍內按規定運行，并應按表1要求進行頻率保護配置。

表1 分布式光伏的頻率響應時間要求Table 1 Frequency response time requirements of distributed photovoltaic

3）當分布式光伏并網點穩態電壓在標稱電壓的85%～110%時，分布式光伏應能正常運行。

4）當分布式光伏并網點處電壓超出表2規定的電壓范圍時，應在相應的時間內停止向電網線路送電。

表2 電壓保護動作時間要求Table 2 Voltage protection action time requirements

表2 中UN為分布式光伏并網點的電網額定電壓；最大分閘時間是指異常狀態發生到電源停止向電網送電的時間。

分布式光伏的頻率響應時間和電壓保護動作時間一般可通過對逆變器的參數進行設置來滿足相關標準要求，但有時受制于逆變器的過流和絕緣水平，無法通過調整逆變器的參數設置使其滿足電壓保護動作時間要求。

2 湖北省分布式光伏電壓和頻率耐受能力

本次共核查分布式光伏項目703 個，容量共計1 052.48 MW，其中接入10 kV 的701 個，接入35 kV 的2 個；直接接入公共電網的693 個，接入用戶側的10個；涉及逆變器數量共12 215 個。各地市公司分布式光伏項目情況如表3所示。其中十堰地區分布式光伏項目數量最多、容量最大、逆變器數量最多。

表3 各地市公司分布式光伏項目Table 3 Distributed photovoltaic of different power supply companies

通過核查，共查出62個分布式光伏項目不滿足涉網技術要求，占核查分布式光伏項目的8.8%；涉及容量共計212.51 MW，占總容量的20.2%；涉及逆變器1 523個，占逆變器總數的12.5%。

共有20 個分布式光伏項目不滿足頻率響應時間要求，占核查分布式光伏項目的2.8%，占不滿足涉網技術要求分布式光伏項目的33.3%；涉及容量共計77.77 MW，占不滿足涉網技術要求分布式光伏項目總容量的38.8%；涉及逆變器519 個，占逆變器總數的4.2%，占不滿足涉網技術要求逆變器總數的34.3%。

共有61 個分布式光伏項目不滿足電壓保護動作時間要求（其中19個分布式光伏項目既不滿足頻率響應時間要求也不滿足電壓保護動作時間要求），占核查分布式光伏項目的8.7%，占不滿足涉網技術要求分布式光伏項目的98.4%；涉及容量共計210.11 MW；涉及逆變器1 432個，占逆變器總數的11.7%。不滿足涉網技術要求的分布式光伏項目共涉及8 家地市公司，其中黃岡公司最多，為17個。

不滿足涉網技術要求的主要逆變器廠家分布情況如表4 所示，其中不滿足涉網技術要求的逆變器數量排名前3 的廠家為華為（476 個逆變器，占比31.5%）、科士達（408 個逆變器，占比26.8%）、陽光電源（157 個逆變器，占比10.4%）。

表4 不滿足涉網技術要求的主要逆變器廠家Table 4 Major inverter manufacturers that do not meet grid-related technical requirements

3 不滿足頻率響應時間要求的分布式光伏

不滿足48 Hz ≤f ＜49.5 Hz應能運行10 min要求的分布式光伏項目7個，涉及逆變器260個，涉及容量總計25.25 MW，其中咸寧地區3 個，涉及容量為15.6 MW，荊州地區4 個，涉及容量為9.65 MW。不滿足50.2 Hz＜f ≤50.5 Hz應能運行2 min要求的分布式光伏項目18 個（其中5 個分布式光伏項目同時不滿足48 Hz ≤f ＜49.5 Hz 和50.2 Hz＜f ≤50.5 Hz 應能運行的時間要求），涉及容量總計60 MW，涉及逆變器269個。不滿足頻率響應時間要求的20 個分布式光伏項目在各地市公司分布情況如圖1所示，涉及4家地市公司，其中黃岡地區最多，均為不滿足50.2 Hz＜f ≤50.5 Hz應能運行2 min的要求。

圖1 不滿足頻率響應要求的分布式光伏項目Fig.1 Distributed photovoltaic projects that do not meet frequency response time requirements

不滿足頻率響應時間要求的20 個分布式光伏項目中，主要以不滿足50.2 Hz＜f ≤50.5 Hz 應能運行2 min 要求為主。只有7 個項目不滿足48 Hz ≤f ＜49.5 Hz應能運行10 min要求，在該頻率范圍內只能運行5 min，涉及容量總共為25.25 MW，分布在咸寧和荊州地區。

4 不滿足電壓保護動作時間要求的分布式光伏

不滿足電壓保護動作時間要求的分布式光伏項目如表5 所示，其中不滿足U＜50%UN最大分閘時間不超過0.2 s 要求的分布式光伏項目數量最多，為44 個；不滿足110%UN＜U＜135%最大分閘時間不超過2.0 s要求的分布式光伏逆變器數量最多，為792個。

表5 不滿足電壓保護動作時間要求的分布式光伏項目Table 5 Distributed photovoltaic projects that do not meet voltage protection action time requirements

部分同一分布式光伏項目的不同逆變器所不滿足的電壓保護動作時間要求不同，如咸寧地區的西湖光伏電站1 號逆變器的U＜50%UN最大分閘時間實際為0.5 s，不滿足0.2 s 的要求，2 號～32 號逆變器的110%UN＜U＜135%UN最大分閘時間實際為3 s，不滿足2.0 s 的要求。部分分布式光伏項目同一逆變器同時不滿足多個電壓范圍的保護動作時間要求，如荊門地區寅泰萬華家居光伏（一期）逆變器的U＜50%UN最大分閘時間實際為1.25 s，不滿足0.2 s 的要求，110%UN＜U＜135%UN最大分閘時間實際為15 s，不滿足2.0 s 的要求。不滿足電壓保護動作時間要求的61 個分布式光伏項目在各地市公司分布情況如圖2 所示，其中荊州、黃岡地區的分布式光伏項目最多。

圖2 分布式光伏項目分布情況Fig.2 The distribution of distributed photovoltaic projects

5 結語

通過對湖北省703個分布式光伏項目的電壓和頻率耐受能力進行核查分析，發現共有62個分布式光伏項目不滿足相關要求，涉及容量212.51 MW，涉及逆變器1 523個，其中不滿足相關要求的逆變器廠家主要為華為、科士達和陽光電源。不滿足頻率響應時間要求的分布式光伏項目有20 個，其中不滿足48 Hz ≤f ＜49.5 Hz 應能運行10 min 要求的有7 個，涉及容量25.25 MW；不滿足50.2 Hz ＜f ≤50.5 Hz 應能運行2 min要求的有18個，涉及容量60 MW。不滿足電壓保護動作時間要求的分布式光伏項目有61個，主要體現在不滿足U＜50%UN最大分閘時間不超過0.2 s 要求（有44個）和不滿足110%UN＜U＜135%UN最大分閘時間不超過2.0 s要求（有21個）。

對于不滿足相關要求的分布式光伏項目，應根據有關標準重新設置逆變器的頻率響應時間和電壓保護動作時間參數。若分布式光伏逆變器不具備電壓保護動作時間參數調整設置條件，建議采取針對性的技術改造措施。

隨著光伏發電等新能源大量接入電網，保證高比例新能源電力系統安全穩定運行是實現高效消納的重要基礎，對分布式光伏的電壓和頻率耐受能力提出了新的要求。光伏發電逆變器為靜止式的電源部件，自身頻率適應性很強。國家標準《GB/T 37408—2019 光伏發電并網逆變器技術要求》已于2019年12月1日實施，該標準規定光伏發電并網逆變器在標稱電壓的90%～110%時應能正常運行，在其他電壓范圍時應滿足低電壓穿越能力和高電壓穿越能力要求；當并網點頻率在46.5 Hz～51.5 Hz范圍之內時，應能正常運行，并規定了9個不同頻率區間的運行要求。