SCR對光伏系統的影響分析

劉凱

（正泰電源系統有限公司 上海市 201614）

近年來隨著社會的不斷發展進步，科技、工業水平的不斷提升；各類型終端用戶對電網的需求不斷的增加。這些因素極大地催化了電網發電規模的持續增加，同時電力主網的結構也日趨復雜和多樣化。供電的可靠性和電力網絡的安全性，逐漸成為了電網公司及終端用戶的主要關注點。尤其是對于新能源電站，其單點接入容量相對小、分布式特點明顯、受自然條件影響較大的特點，對局域電網及支干電網的挑戰尤其明顯。所以SCR日漸成為電網公司考核光伏等新能源電站接入影響的一個重要指標，作為光伏電站核心元件的光伏逆變器，對于電站整體的SCR控制的貢獻已經成為了各逆變器廠家產品性能、技術水平的一個重要評估條件。本文所引用參考的文獻[1]，更多的詳細分析了SCR外網等值計算及相關的多種SCR的計算方法，從網側為光伏電站的SCR計算提供了一定的參考。值得我們大家借鑒和做細部的分析、研究。

1 光伏系統設計中SCR的影響考量

1.1 基礎知識

SCR(short circuit ratio) 短路比，是發電設備電網接入點的短路容量與接入的發電設備功率或負載功率的比值。其表征公式為：

講到短路容量，首先我們先要了解短路的概念。短路是指電力系統中，所有的相相之間或者相地之間由于各種原因所發生的短路接通現象。通常在電力系統中短路容量是用來評估電力斷路器的分斷電流能力的一個指標，這里我們所說的短路容量是指光伏發電系統在既定的運行方式下，接入點發生短路故障時的視在功率。這個值是表征光伏發電系統對外電網供電能力強弱的特征參數，其大小等于短路電流與短路處的額定電壓的乘積。接入點的短路容量是一個計算量，而不是測量量。它是反映電力系統中某一饋入點電氣性能的一個特征量，與短路電流和該點故障前正常運行時的相間電壓有關，反映了該點的某些重要性能：

（1）該點電能饋入的能力和饋入電壓穩定性；

（2）該點與電力系統主干網之間聯系的強弱；

（3）該點發生短路故障時，短路電流的水平。

隨著光伏發電系統總容量的擴大和電站數量的增加，光伏發電系統短路容量的水平對電網的影響也會逐漸增加。所以這個指標越來越被電網公司所重視，他客觀的體現了光伏電站的系統穩定性和對電網安全性的影響。

1.2 光伏系統中SCR的影響

圖1：典型光伏系統的拓撲結構

圖2：單臺光伏逆變器電路等效圖

目前我們論證所涉及的光伏系統，主要是指中等功率等級以上的，及接入點功率在100kW以上的電站。這部分電站，既包括了分布式電站也包括集中式地面電站。這種類型的光伏電站，具有如下的典型特點：

（1）單一接入點饋入功率，通常在350MW以內；遠低于常規火力發電的60萬千瓦的最低指標；

（2）受自然因素影響較為嚴重，陰雨、云層遮擋都會造成光伏系統饋入電能的波動。同時溫度對光伏系統的影響也比較大；

（3）發電時段為間斷性規律，無法實現持續恒壓饋入。

從這些特點上，我們也就不難看出：相對于常規的火力發電系統來看，光伏發電系統對電網的穩定性、安全性挑戰更大，風險更高。極易導致局部電網的震蕩，離脫網的風險相對較高。那么也就造成了，電網公司對光伏電站的接入許可和支干網配置尤為謹慎。SCR作為評估一個光伏電站的重要指標，對系統、設備供應商的系統方案設計提出了更高的要求。

2 光伏系統中SCR的計算方法

如圖1，典型光伏系統的拓撲結構所示，一個典型的光伏系統，可以按照各種電氣量遞等成圖1的拓撲結構。

圖1中，我們可以看到光伏逆變器的數量為n。從各逆變器的交流輸出側到逆變器的交流公共耦合點PCC的線阻抗，分別為：Z1，Z2，… Zn。公共耦合點PCC至升壓變壓器低壓側的線路阻抗為Zg，升壓變壓器的漏電感為Xm，升壓變壓器低壓側的相電壓為VL，光伏逆變器的額定相電壓為Vrate，額定相電流為Irate，所以光伏逆變器的額定阻抗Rrate可表示為：

假定I1=I2=…=In，那么我們從上列式（1）和（2），可以得到下式（3）。

所以，上列圖1可以等效成單一臺光伏逆變器的下圖，圖2為單臺光伏逆變器電路等效圖。

由圖2，我們可以得到如下算式：

假定VL=Vrate，則SCR值可以等效為下式來計算：

通過如上的分析和推導，我們把光伏逆變器與所接入的電網側，用等效的阻抗和電感連接了起來，以模擬實際光伏電站中，現場鋪設的交流電纜和變壓器的阻抗（當然，這里我們忽略了由于實際施工安裝所產生的冗余的部分），極大的方便了設計及規劃工程師對光伏電站的整體設計來進行詳細的評估、計算工作。

從上式中我們可以看到，影響光伏逆變器SCR值的關鍵指標有：Rrate，Z1，Zg，Xm，n。通常對于一臺光伏逆變器來講，Vrate是不可調整的，因為光伏發電系統網絡特性所決定。那么就意味著Irate越小，Rrate越大；即單一光伏逆變器的輸出功率越小、系統的功能顆粒越小、系統的SCR值越高，系統抗短路沖擊的能力越強。Z1+Zg相當于逆變器與升壓變壓器低壓側的連接距離，所以光伏逆變器與升壓變壓器的安裝距離越近，系統的SCR值越高，系統抗短路沖擊的能力越強。Xm與壓變壓器的生產工藝控制相關，不可作為系統改善的因素來做綜合考慮。

3 光伏系統中SCR的控制策略

3.1 集中式光伏系統中SCR的控制策略

從計算公式中，我們可以得知：光伏系統中單一裝機容量越小，距離變壓器低壓側接入越近，系統的SCR值越高，系統的抗短路能力越好。由于目前我國施行的平價上網政策，兼顧系統總造價LCOE的前提下，對于集中式光伏系統不建議將功率顆粒設計的過小。目前的主流功率分級，3.125MW逆變站房是較為常見的功能等級。

那么，如何縮短逆變器到升壓變壓器的接入距離就是評價同等功率下不同光伏電站SCR值大小的主要判斷依據了。在這里我們大力推薦預裝式光伏逆變電站，及將中壓升壓變壓器和光伏逆變電站集成在同一個系統硬件框架下。同時，在部分有更高SCR要求的現場，建議采用銅牌的安裝方式。如圖3所示。

3.2 分布式光伏系統中SCR的控制策略

目前我們所說的分布式光伏電站，主要是針對工商業和戶用的屋頂電站；其主要的特點是：單一接入功率小，光伏逆變器貼近光伏組件安裝呈分布式結構。所以在分布式電站中，往往光伏逆變器到并網接入點的距離較遠。

那么針對于SCR值要求較高的光伏電站，我們的建議是：

（1）單一光伏逆變器的功率等級以不大于60KW為宜，組串式光伏逆變器應用在集中式光伏電站除外；

（2）建議在交流側多采用交流匯流的方案，以減小交流側線阻抗。

4 結束語

光伏發電是解決現有能源供給結構中的能源配給與環境保護問題的重要解決方案之一，是未來世界能源結構中的重要組成部分之一。所以，如何得到更加安全、可靠的光伏電站是我們每一位光伏發電從業者的重要任務。針對光伏發電系統中的SCR問題，在不同類型中的光伏發電系統中的針對性設計是我們每一位工程師、設計人員都需要持續不斷的學習，研究并認真分析的。

本文對目前光伏電站中所涉及到的SCR問題的一次分類和整理，實際系統設計工作中，我們應該對集中型和分布式電站分開考慮。本文中提出的計算方法，是一種泛用的計算方法，這些觀點和算法是從作者從業的公司、從作者多年的工作經驗中總結、整理出來的；但是限于個人的知識能力水平，僅代表個人的認知和觀點；尚需要更多的檢驗和反復論證，希望能夠得到不斷的持續改進。