分布式光伏并網發電系統接入配電網電能質量研究

朱宇超，徐洪忠，柴成林

（浙江浙能蘭溪發電有限責任公司燃料部，浙江 金華 321000）

0 引 言

隨著世界各國光伏發電規模不斷擴大，預計21世紀末，世界能源結構中可再生能源占比總比例將達到80%，所占比率巨大，而其中超過60%為太陽能發電。但是分布式光伏發電系統并入配電網后，會對配電網原有穩定性造成影響，其一是對配電網電壓的影響。配電網接入多個分布式光伏電源后，因在原有饋線基礎上疊加分布式光伏，其基本工作性質發生明顯變化，比如其輸出功率明顯提升，導致潮流降低，電壓穩定性難以保證。從目前研究來看，分布式光伏的接入對諧波的生成具有強相關性。其二，光伏發電極大程度受到光照條件的影響，光照的影響會改變光伏陣列的工作狀態，光照不足會使光伏陣列的輸出電流與正常工作下的電流存在明顯差異。其三，逆變橋開通關斷周期中也會產生諧波，對配電網造成諧波污染，縮短配電網設備絕緣使用壽命，且諧波帶來的高頻噪聲會導致檢測儀器精確度降低，影響工作效率。其四，在孤島效應之下，配電網的負載會遠大于光伏并網系統的發電功率，極易導致配電網、光伏并網系統同時崩潰，影響正常供電。

1 分布式光伏并入配電網對電壓頻率波動的影響

1.1 不同光伏并入數量的影響分析

當配電網有單一光伏并入后，圖1為分布式光伏接入放射狀配電網的負荷分布圖。

圖1 分布式光伏接入放射狀配電網的負荷分布

圖1中的多種負荷是由分布式光伏接入而產生的，具有較強的不確定性，為了便于建模，本次研究假定分布式光伏系統與另一系統對等，即可控“動態負荷”。在該假定下，此系統對于能量獲取并不敏感，而且在其工作期間可與配電網相互協作，為其輸送功率，也就是常說的‘負’負荷。在分布式光伏電源成功與節點m接通的同時，配電網在獲得光伏電源輸出功率的過程中，會相應改變不同節點的具體電壓，使得電壓出現明顯增高，甚至可能會出現超出閾值的現象。在分布式光伏DG成功與節點m接通時，m節點電壓為：

若配電網有多個光伏并入，則饋線負荷分布情況將產生較大變化。圖2為多個分布式光伏接入配電網后的饋線負荷分布情況。

如圖2所示，饋線上多個負荷點接入分布式光伏電源，未接入分布式光伏電源的負荷點，光伏發電容量視為0。當光伏發電接入之后，在忽略無功功率作用基礎上m點電壓為：

此外，光伏電源接入配電網后，會產生熱量上的變化，若熱量不能及時消散，過高的熱量會導致配電網饋線線損率提高，增大電路發生故障的概率。

綜上分析，小規模分布式光伏電源可直接接入電網，可以大幅度改善電網中電壓偏低的問題，負荷較重背景下，分布式光伏發電可提供一定電壓支撐，有效緩解電網電壓低的現象。但隨著分布式光伏容量的增加，電壓升高，會對配電網帶來不利影響，不論是容量還是接入點增加，均會引起電壓升高，且光伏電源接入后，產生的熱量變化同樣會對線路使用壽命、線路故障率產生影響。

1.2 建立分析模型

基于上述光伏電站與光伏陣列模型，構建簡單配電網模型，本次選用某地區0.4 kV均勻配電網，基于變壓器接入10 kV配電網，線路總長度設置12 km，負荷的計算如式（3），線路單位阻抗計算如式（4）：

建模前，先設置6個節點，即節點1—6，配電網模型功率為SB=10 MVA，電壓基準值為UB=10 kV，線路首端電壓標幺值、饋線額定電壓標幺值分別為U0=1.05、UN=1.0，設計節點將其視為接入無限大電網。圖3為配電網饋線結構。

圖3 配電網饋線結構

1.3 影響分析

基于上述建立的配電網模型，開展光伏電源接入位置、接入容量、接入功率因數對于配電網電能質量的影響分析，同時對接入溫度帶來的影響做出研究。

1.3.1 光伏電源接入位置的影響

通過上述理論分析可知，當分布式光伏電源接入配電網后，接入位置會對電壓產生十分顯著的影響。在仿真期間，研究組在1.2節配電網模型中6個負荷接點中分別接入單個容量相同分布式光伏PV，改變其在線路上的位置開展仿真，在節點1、節點2、節點3、節點4處接入1號、2號、3號、4號4個MVA光伏PV，功率因數設置為0.9，當PV接入不同節點后，不同節點電壓變化情況如表1所示。

由表1數據可以發現，接入點的電壓發生十分明顯的變化，相比未接入PV的節點5和節點6，PV的接入實現了節點電壓支撐作用。特別是在第4節點電壓數據變化方面，當分布式光伏電源PV接入第4節點后，對于電壓的提升作用最為顯著；同時在4個PV容量相同背景下，電壓分布也隨之發生變化，PV接入點距離配電網母線距離越短，對于電路電壓波動的影響越小，反之PV接入節點距離母線距離越遠，則電壓分布會受到越發顯著的影響。因此，在實際將分布式光伏PV接入配電網改造階段，應選擇將PV接入末端，使其與母線距離最大化，實現對整體電網的提升。故本次仿真研究，可論證改變分布式光伏的位置，能夠有效控制分布式光伏PV接入之后對配電網饋線節點電壓所造成的影響。此外，在接入PV階段需要注意，分布式光伏PV在配電網末端并網時，應選擇合理的容量，確保PV接入之后不會導致各節點的電壓高于安全電壓。

1.3.2 光伏電源接入容量的影響

在仿真階段，于相同運行參數直接下對光伏電源接入容量做出調整，在配電網模型的節點3、節點5分別接入PV容量為2 MVA、 3MVA、4 MVA，PV功率因數設置為0.9，PV接入節點3之后對PV容量做出調整，最終獲取各節點電壓變化曲線以及變壓數據。節點3、節點5接入不同容量PV后電壓變化情況見表2。

分析表2數據可以發現，在確認分布式光伏電源PV接入位置基礎上，調整分布式光伏的容量，會對配電網模型饋線電壓造成不同的影響。將PV接入配電網后，因為饋線傳輸功率降低，所以饋線節點的電壓呈現出整體升高趨勢，使得節點電壓出現明顯增加的趨勢。站在固定接入節點角度下分析，在分布式光伏PV容量逐步增高的背景下，負荷節點將出現明顯的改變，比如電壓上升，所產生的后果可能使整個系統的電壓呈現持續增加的上漲趨勢，一旦超過電壓允許偏差范圍，饋線電壓持續升高直至越限，則必然影響配電網電能質量。

表2 節點3、節點5接入不同容量PV后電壓變化情況

2 分布式光伏電源并網影響的控制策略

2.1 諧波抑制策略

2.1.1 諧波產生機理與諧波污染

分布式光伏接入配電網后，功率輸出存在非線性期間，設備會因為其工作狀態問題產生諧波。從具體設備來看，電力電子器件則是形成諧波的重要零部件。這些電子器件作業階段因其非線性特點會產生大量高頻諧波，如果整個配電網中出現了明顯的諧波數量增加，首要體現在波形畸變，最終導致設備無法正常工作，長此以往會導致設備震動、發熱、噪聲問題，縮短設備絕緣壽命，加快絕緣老化，檢測儀器的精度也會受到高頻噪聲影響，甚至會對相關保護裝置產生不良影響。此外，諧波還會在一定程度上造成配電網電壓不平衡，會導致整個電容器的工作效率明顯下降，長期工作于高諧波電能質量條件下，流過電容附帶的無功電流會于電容雜散電阻產生大量熱能，嚴重情況下將導致電容損壞。

通常在逆變器不同輸出功率下，其電壓電流可以確保同相同位，然而輸出功率越小，則電流諧波污染越嚴重，即波形畸變越大；若逆變器輸出功率＜30%，則需要斷開光伏發電系統，或是以集群控制方式，將光伏電池輸出功率集中至逆變器處推動逆變器工作。表3為逆變器不同輸出功率下光伏并網電流總諧波畸變系數數據。

表3 不同逆變器輸出功率下光伏并網電流總諧波畸變系數

2.1.2 諧波控制策略

針對分布式光伏并入配電網后帶來的諧波污染問題，應從兩個方面入手進行諧波抑制，第一為降低諧波含量，第二為實現配電網中諧波吸收。

（1）降低配電網諧波含量。為了降低配電網諧波含量，需要從分布式光伏逆變器入手開展設計。逆變器的脈寬調制波，主要利用電網電壓波形采樣獲取，電網諧波含量較高，逆變獲取的電能質量同樣附帶較高諧波成分，因此在選擇光伏逆變器功率開關管階段，要對分布式電源的諧波發生量進行限制。抑制諧波電流主要有兩種思路：一是抑制諧波源的諧波電流發生量，二是在諧波源附近將諧波電流就地吸收或抵消。與此同時，基于SVPMW的逆變器功率開關管，可提高采樣精度與運算速度，有效提升光伏并網電能質量，確保輸出電壓頻率、相位與配電網同步。通常情況下，如果提高SPWM的載波頻率，則逆變器輸出電壓的主要諧波也會分布在較高的頻率波段。而高頻諧波是可以用一套高通濾波器集中濾除的。如果載波比足夠大，甚至可以省去用于處理低次諧波的交流濾波器。如果分布式電源輸入到電網的電流中含有較多的諧波分量，此刻應通過遠程控制將逆變器輸入切斷，即停止分布式光伏電源向配電網輸出，避免產生過多電流諧波。

（2）實現諧波吸收。采用配電用高APF有源濾波器來實現電網諧波抑制，并實現無功補償。將APF聯合光伏并網配合使用，可實現諧波補償。APF具有響應速度快、自適應能力強等特點，諧波抑制效率最高可達95%以上。

2.2 電壓調整策略

配電網中雖然設有有載變壓器、無功補償裝置以及電壓調節器，然而在大規模分布式光伏電源接入配電網背景下，會造成電壓升高，而配電網原有設備并不足以滿足配電網電壓快速、大幅度波動的調節需求。因此分布式光伏并網后的電壓調整，應秉持光伏電源參與調整的思路開展設計，實現光伏自調節+有載調壓變壓器調節+合理接線結構設計+區域聯合調節，才能有效調整光伏并網后電壓波動。

2.2.1 光伏自調節

光伏自調節是利用分布式光伏電源的逆變器來實現自主調壓，基于逆變器實現有功、無功輸出能力來調整節點電壓。該方式下可實現在光伏配電網接入節點處調節電壓，當分布式光伏接入點較為復雜，基于逆變器的電壓調節方式效果十分顯著。雖然該方式可有效應對分布式光伏并入配電網后引起的電壓變化，但是通常需要光伏逆變器容量在500 kW以上才能夠具備無功控制能力，因此該方法并不適用于小容量分布式光伏發電并網。

2.2.2 有載調壓變壓器調節

有載調壓變壓器的工作原理是通過改變變壓器變比來實現次級繞組電壓調節。有載調壓電壓器分接開關內設置多組變壓器繞組分接頭，可實現變壓器變比更改。采用串聯式調壓變壓器，可發揮出較好的電壓調節效果。有載調壓變壓器在控制器作用之下可以實現電壓連續調節，不僅調節速度快，且調節精度較高。

2.2.3 接線結構與區域聯合調節

通常配電網接線結構會采用輻射形、花瓣形、環網型，如本次設計的配電網模型變為輻射形結構。輻射形結構原理通常使主變的末端電壓較低，僅需增加投切設備便可實現輸電結構改變，不僅可增加配電穩定性，同時可有效減少配電網等效阻抗，將輸電線路電壓提升，特別是在I類用電戶區域，該方法可有效實現電壓穩定控制。區域聯合調節需要建立于站級監控系統基礎之上，分布式發電系統采用統一接收調度模式，由光伏逆變器以站級監控系統指令為依據開展無功調節，實現配電網電壓調節。這一方案，其必備條件是在電網建立之初便進行規劃，而對于已經建成多年的老舊配電網，其系統改造需要消耗較高成本，因此該方法十分適用于全新工業區、城區的電網規劃范圍。

2.2.4 孤島效應解決策略

對于孤島效應，應采用過壓欠壓過頻欠頻法+相位突變法+電壓諧波檢測法實現孤島效應被動檢測，或是采用主動頻率偏移AFD法+滑模頻率偏移SMS+輸出功率擾動進行主動檢測。

（1）被動檢測

①過壓欠壓過頻欠頻。在光伏并網發電系統出現孤島效應階段，若配電網負載功率＞光伏發電功率，電網電壓會出現快速下降，因缺少輸電網電壓輸入，此刻逆變器頻率會出現偏移。針對這一問題，可檢測配電網電壓與頻率，若電壓與頻率超出標注的范圍，便可判定為出現孤島效應，立刻啟動孤島保護動。

②相位突變檢測。檢測電壓、電流之間相位差，正常工作狀態下，電壓與電流相位差處于規定范圍之內，一旦檢測到相位差超出標準差，則可判定為孤島效應發生。

③電壓諧波檢測。基于電網電流諧波總諧波畸變系數標準進行電壓諧波檢測，將電流諧波畸變程度作為依據判定是否出現孤島效應，若孤島效應出現，通常負載功率＞光伏發電功率，逆變系統輸入功率不足會產生大量電流諧波，一旦電流諧波＞5%，可判定為孤島狀態。被動檢測方法優勢在于原理簡單，較為容易實現，但是復雜情況之下，一定概率出現誤動作問題。

（2）主動檢測

①主動頻率偏移AFD法。在逆變器工作階段，在整個調制頻率需要通過存在明顯差異的頻率偏差來與電網進行融合工作，進而使得整個電壓電流在畸變問題上出現概率變小或者畸變幅度變小。逆變器中鎖相環作用下，合計偏差長期處于并網允許范圍之內，如果電網此時出現明顯的工作問題，就會出現逆變器錯誤獲取采樣頻率基本信息的情況，使得誤差進入到基礎信息內部。如果采樣次數增多以后，光伏逆變器就會突破聯網工作的閾值，形成孤島保護現象。

②滑模頻率偏移偏移SMS法。該方法下，對逆變器輸出電壓波型產生一個相位差，一旦分布式光伏并網發電系統處于孤島狀態，逆變器在工作若干周期后，頻率會超出規定值實現孤島保護動作。

③輸出功率擾動。該方法原理為在逆變器輸出電流施加擾動，對此刻逆變器輸出功率進行計算，以有功功率與電壓之間的關系來確認系統是否進入孤島效應。配電網正常工作狀態之下，逆變器輸出的功率同電壓波動，會長期處于規定范圍內。一旦出現孤島效應，戶電壓值會快速超過允許值以導致保護器件動作。

主動檢測方法優勢在于相應速度較快且盲區較小，但是仍舊存在干擾值問題，其自身會對配電網的電能質量產生影響。

基于上述被動、主動檢測方法分析，可得出最佳孤島效應解決策略，是將主動檢測加被動檢測加以結合，以二合一形式來實現孤島效應判別。