分布式光伏發電接入電網的電能質量研究

洪坤偉

(國網華安縣供電有限公司，福建 漳州 363800)

光伏發電從本質上講是可持續的電能生產方式之一，其發電原理為：利用光生伏特效應(半導體材料)將太陽能直接轉化為電能，從而滿足用電需求和供電需求，將電能輸送到電網。分布式光伏發電并網一般指利用接入低壓配電網的方式進行光伏發電，具有靈活環保的特點，但其潮流分布和拓撲結構會影響配網電能質量、電能調度?？梢姡钊胙芯糠植际焦夥l電接入方式是非常必要且重要的。

1 分布式光伏發電的電能特征

分布式光伏發電是基于電力產業現代化發展理念，以用戶場地附近為建設場所，以用戶側自發自用、多余電量上網的運行方式而構建的光伏發電設施。分布式光伏發電以光伏組件為基礎，將太陽能直接轉化為電能并加以利用，倡導就近發電，就近并網，就近轉換，就近使用等基本原則，是現代電力企業綠色化發展的重要標志。隨著光伏發電接入量的增大，對發電并網具有更加制約性的影響因素，其逆變器的保護功能不能滿足配電網安全性需要，其抗孤島保護功能在光伏數量增多的情況下，逆變器可能會出現相互干擾情況，容易出現檢測失敗。

2 分布式光伏發電對電能質量的影響

首先，當配電網側發生短路時，穩態短路電流要高于光伏電源額定輸出的20%左右，高滲透力的光伏電源在過流保護過程中，將降低饋電線路檢測準確性。當線路發生短路故障時，不能及時檢測出故障點及電能數據，直接影響到配電網質量和功能。

第二，逆變器開關、逆變器型號在光伏并網發電中容易出現諧波問題。在分布式光伏發電前，應對總諧波進行限制，完成必要的項目質量檢測，形成可靠的評估報告，才能進行電能接網。

第三，出現電壓波動和偏差。由于配電線路具有一定抗阻性，各負荷節點電壓較低，在配電網中接入分布式光伏影響功率(有功功率、無功功率)發生變化，電源輸出各負荷節點電壓可能會升高，饋線出現逆潮流，某一節點電壓值可能出現超載現象。另外，分布式光伏發電受到外界環境的影響。如果天氣發生變化，光伏輸出功率將出現不同程度的波動，電壓不穩定，系統容量增大[1]。

3 分布式光伏發電接入規劃設計

3.1 負荷預測

為了避免光伏電源接入使得電能質量劣化，在分布式光伏發電接入環節，首先應該做好電量負荷預測，通過經濟模型對分地區負荷進行數量參數校核。其中進入規劃模型主要考慮目標函數、電壓偏差和波動、線路熱約束等因素，主要以多種群遺傳算法(MPGA)求解為主，考慮電能質量容量參數，具體情況如下：通常傳統固定電源出力波動性小，在進行選址定容優化中，可以忽略不計?？剂康椒植际焦夥隽κ軠囟?、光照等因素影響大，存在較大波動性、間歇性，因此不可將其作為固定電源進行考量，需要考慮其波動強度、波動范圍，在其目標函數設定上需要進行適當改變。尤其需要考量當分布式光伏接入電網后，對原有電壓、穩定、網損等帶來的影響，提出科學優化目標函數。

3.1.1 安全性分析

配電網中電網負荷處于不斷變化之中，對于負荷快速增長區域對配電網電壓穩定性影響大，網絡存在電壓崩潰風險，故確保電壓穩定是保障配電網系統穩定運行的重點?？剂康椒植际诫娫吹牟▌有?，分析分布式電源接入后電壓變化，可參照下列公式：

(1)

式(1)中，第k條支路的電阻用Rij表示，第k條支路的電抗用Xij表示，第k條支路的受端節點j處的有功功率用Pj表示，第k條支路的受端節點j處的無功功率用Qj表示。公式中將所有支路中電壓穩定指標的最大值作為配電網電壓穩定的指標fVSI，并分析配網中對應該支路中電壓穩定性最為薄弱的支路所能承受的電壓情況，繼而分析整個電網接近崩潰時可承受電壓情況。fVSI越小，則電壓穩定性越好。

minfVSI=max{VSI1,VSI2,…,VSIn}

(2)

3.1.2 經濟性分析

分布式電源接入可以一定程度上減少電網系統有功損耗，若接入位置不夠合理或者接入容量不夠合理，會導致配電網線路過熱、損耗增加。因此分布式光伏接入目標函數需要考量將系統有功損耗降到最低，考慮到分布式電源波動性，則其接入電網的網絡損耗也為一個概率分布、波動性數值，可在原有有功損耗表達方式中進行優化，公式表達為：

(3)

式(3)中，有功損耗用fEloss表示，系統支路總數用Nbra表示，連接節點i和j支路的電導用Gk表示，節點電壓幅值用V表示，節點電壓相位用θ表示。

3.1.3 電能質量分析

分布式電源接入后，注入功率并非很小數值，并且不穩定，因此在分析其接入點后對電壓產生的影響需要動態分析，避免配置不當導致電網可靠性下降，給節點電壓造成過大影響。考慮到分布式光伏發電接入的波動性特點，采用如下公式：

(4)

式(4)中，第i節點的實際電壓用Ui表示，第i節點的標準電壓用Un表示，節點總數用n表示。Ui值越小，電源接入后產生的電壓波動越小。

通過MPGA取代常規的標準遺傳算法(SGA)，不同種群賦以不同的控制參數(電壓偏差和波動、諧波、線路熱約束等)，通過多種群同時進行優化搜索，各種群之間通過移民算子進行關聯，通過多種群協同優化，配合人工選擇算子，留下各種群每個優化代中的最優個體，集成精華種群(圖1)。

從表1和圖1可以得知，參數規劃將會對光伏功率產生一定影響。在負荷水平之內，以分散的方式接入首端，考慮規劃方案中的各項影響因素，可以提升方案設計的合理性和科學性，保證光伏發電系統恢復可靠，降低電壓波動對系統的影響。

表1 準入容量運行參數

圖1 MPGA算法結構

3.2 設備選擇

根據我國電力設施建設的相關要求標準，應做好斷路器選擇，并選擇合適的高壓線路導線、逆變器等[2]。計算分布式光伏發電短路電流時，應該按照額定電流的1.2倍計算，從而選擇合適的真空斷路器。充分考慮光伏發電中期容量，選擇單芯、三芯在接受太陽照射/不受太陽照射情況下的截面積，選擇合適型號的導線。同時應該根據電容器參數表，選用容量小的逆變設備，提升系統可靠性，確定額定輸出功率，做好光伏電池選型。

3.3 送出方案與配置方案

據我國電力設施建設的相關要求標準以及分布式電源總容量原則，在變壓器供電配置中，可以比上一級供電負荷高于1/4進行配置[3]。大中型光伏電站并網之后，技術人員應該根據指令進行系統調動，滿足電力安全穩定運行要求，輸出有功功率，安裝自動裝置，卸除光伏電站。當系統恢復正常運行之后，依次并網運行，如果出現電力系統事故，為了防止輸電設備過載，應該降低有功功率，當系統頻率超過50.2Hz，可能影響輸送穩定性和可靠性引起電流電壓問題，可以暫時切除光伏電站；考慮到諧波電壓問題，技術人員應該更換帶有消諧作用的逆變器，注入直流電量必須小于額定電量的1/20,變壓器連接線組比為Y/D。在配置方案設計規劃中，應該做好母線保護，在縱聯電流差動保護時，應該快速切除用線故障，保護裝置由兩段構成，分別是無時限電流速斷和過電流保護。做好防孤島監測，監測到孤島之后，將低電壓穿越與自動裝置相配合，立即斷開與電網連接，在時間上相互匹配，當系統故障發生時，實現電壓緊急控制，避免光伏電站出現短路，提升電能質量，對線路進行保護。在電能計量安裝方面，采用智能電能表，關口計量精度為0.2s，電壓互感器精度為0.2級，安裝信息采集裝置，在通訊過程中可以選擇ONU+EPON方案，滿足分布式光伏發電通訊傳輸要求。

3.4 電能質量評估

電能評估過程應該根據國際標準IEC61000中的規定，對各級地區劃分評估等級，其中評估指標選擇為：①電壓波動；②電壓偏差；③諧波畸變率。具體指標如表2所示。

表2 電能質量評估指標

利用數據包絡分析法對接入分布式光伏電源進行智能測評，測算24小時內各接入點的電壓偏差和電壓波動情況，一般情況下，接入等級可以達到“一般”標準。如果在接入電力輸配電網之后出現異常故障，技術人員應該從“運行方式”“裝機位置”“準入的能量”這三個方面，對電網系統異常故障進行分析與處理，考慮系統運行特點，結合自適應控制方法，根據安全理論分析，利用分布式電源孤島電壓頻率控制，構建評估模型進行微網動態特性分析，優化系統調度，進行調查處理，引入新型分布式光伏發電運管模式，考慮負荷變化的隨機性，動態化平衡負荷與發電之間的關系，提升分布式光伏發電、電力輸配的穩定性。

4 典型案例

全過程跟蹤某地區光伏接入案例，簡要說明接入前負荷預測、設計、接入、設備選型、送出方案、配置方案等，并監測運行電能質量情況。

光伏項目名稱：某家具有限公司6MWp分布式光伏發電項目。

接入前負荷預測：因該項目為全額上網項目，需結合接入變電站負荷情況進行計算。

設計選型：該項目總裝機容量為6000kWp，年發電量為7110.6MWh，根據項目有一定的容配比特點，該項目最大上網容量為4637.6kW。

送出方案及配置方案：該項目10kV接入電網，以某開閉所910開關為公共連接點，接入容量為4637.6kW，導線截面為YJV22-3×300,以“T接”為接入方式，公用電網線路最大輸送容量為8000kW。項目配置31臺136kW光伏組串式逆變器用于將光伏直流電逆變為穩定輸出的低壓交流電，經3臺1600kVA和1臺1250kVA升壓箱變升壓至10kV，再通過集電線路匯集后經由1回截面為YJV22-3×300mm2電纜，T接入公用電網線路。

接入后電能質量監測，如表3、表4所示。

表3 并網點電流諧波和波形畸變

表4 并網點功率因數

表3中，諧波電流限制根據GB/T 14549-1993《電能質量 公用電網諧波》中公式進行換算：10kV公共連接點(PCC點)三相最小短路容量273.79MVA，供電設備容量90MVA，協議容量6MVA，諧波限制為該狀態下的值。

通過分析并網電流和波形畸變數據，該項目諧波電流總畸變率為1.432%，參考國標限值，諧波電流各項指標均滿足國家標準的要求。

5 結束語

綜上所述，在分布式光伏發電接入方案中，必須進行負荷預測，根據方案要求選擇合適設備，采用多種群遺傳算法，確定送出方案與配置方案，考慮負荷變化的隨機性，對接入分布式光伏電源進行智能測評，從而提升并網后系統的電能質量。