光伏發電接入主動配電網產生影響的研究進展

文/雷國平 嚴 嫦 代妮娜 黃銀花 鄧 立

1 光伏入網對電網電壓、諧波產生影響的研究現狀

光伏發電并網技術是指將光伏陣列輸出的直流電轉化為與主動配電網同幅值、同頻率、同相位的交流電，并與電網連接將能量輸送到配電網的技術系統。

1.1 電壓問題

電壓問題包括電壓偏差、電壓波動與閃變。電壓偏差指在測量時間內理想電壓與實際測量電壓的偏差程度，為實際電壓偏離額定電壓的百分比；電壓波動即電壓均方根值相對快速變動或連續改變的程度，引起照度閃變的電壓波動現象叫電壓閃變。其供電電壓允許偏差范圍如表1—2所示。

表1 中國供電電壓允許偏差（GB/T 12325—2008）

1.1.1 光伏接入對配電網電壓影響原理

一般情況下，電網中饋線較短時，可將分布式光伏接入電網的系統簡化成如下的電路圖，如圖1所示。

表2 美國供電電壓（120V）允許偏差（ANSI C84.1）

當光伏接入配電網后，根據圖1可得光伏接入點處的電壓Uload為：

根據（1）、（2）式知，光伏電源接入前與接入后的接入點處的電壓增量為：

式子（3）所表示的量即為光伏入網后電壓變量。

1.1.2國內現狀

國內研究主要集中在光伏并網的接入位置、方式、容量大小、數量，光伏出力大小，有無功輸出對配電網電壓影響等方面。有學者提出針對光伏出力的不確定波動特性造成配電網運行狀態頻繁波動的問題，在考慮光伏出力條件下以并網位置節點和配置容量作為決策變量建立分布魯棒優化配置模型，證明其可以確保光伏出力不穩定時配電網能安全運行，有助于提高配電網饋線末端電壓質量。以及在光伏接入主動配電網方式不同的情況下搭建分布式電源并網的配電網電壓仿真計算模型，對配電網電壓波動情況進行研究，證明分布式光伏并網后加重了配電網電壓波動，并網瞬間波動最大，并網點越靠近饋線末端，波動越嚴重，多分布式電源的并網方式對配電網電壓波動程度影響更大，容量越大并網位置越靠近饋線末端造成電壓波動程度越大。為抑制DPV發電系統接入低壓配電網產生的電壓波動，針對DPV發電系統并網點電壓波動機理問題，有學者提出過一種適用于DPV逆變器的有無功協調控制策略，通過對光伏出力功率的預判，控制逆變器有無功輸出量大小調節電網電壓，搭建仿真模型證明有無功控制能有效平抑配電網電壓波動，提高DPV的能量利用率。有論文針對高比例DPV接入配電網由逆向潮流、光伏不確定性帶來的電壓越限問題，提出一種含DPV的主動配電網電壓分布式優化控制策略，驗證含DPV的配電網電壓分布式優化控制策略可有效消除電壓越限現象。根據已有文獻探討的光伏滲透率與接入點對并網系統靜態電壓穩定性的影響，建立光伏滲透率分別與系統靜態電壓穩定性、光伏接入點無功儲備的關系式，分析電壓穩定機理，驗證電壓-有功靈敏度為正的節點處擴建光伏電站有助于提高電壓穩定性，接入無功支撐系數較大節點的光伏電站，增加無功補償容量能更有效提高靜態電壓穩定性。

1.1.3國外現狀

目前國外研究主要集中在反向電流、住宅類型分散式屋頂光伏入網、滲透率高、光輻等對配電網電壓影響方面。從外文文獻中總結得出以下幾點：介紹了實際配電系統中測得的電壓不平衡擴展現象及實際配電系統中由于反向潮流引起的大電壓不平衡情況，通過對電路的測量和理論分析得到來自光伏系統的反向電流引起電網電壓降低，驗證線路阻抗和反向視在功率流的幅度增加會導致電壓降低，并得出電壓不平衡隨著反向潮流的增加而擴大，提出通過注入電流可減輕電壓不平衡的方法；基于光伏滲透率的增加對低壓配電網絡存在負面影響，尤其是在住宅領域，文中對國際大電網會議低壓住宅網絡進行穩態影響研究，通過單相滲透、配電方案1、配電方案2、交替相滲透、離線分接頭調整和開關有載分接調整等6種提高低壓住宅網絡光伏滲透限制的技術，在配電方案2-SOLTA情況下獲得允許的光伏滲透在很大程度上取決于負載曲線，且大多數住宅光伏的單相特點成為配電網電壓不平衡的最大限制因素；從并網屋頂光伏發電對低壓配電網電能質量影響的評估技術角度講述了光伏系統滲透率仍在增加，很大一部分光伏電連接到低壓電網，光伏板會惡化諧波失真并引起電壓升高，導致更高級別的光伏被禁止，結合光伏的不確定性提出在適當的隨機評估方法中正確建模可減少光伏系統高穿透水平對電能質量指標的影響，文中指出過度發電導致的電壓問題比其他電能質量問題更可能發生，甚至在較低的穿透水平下也會發生；根據分布式屋頂光伏板對配電網的影響，包括如何影響電壓質量、功率損耗以及系統中其他電壓調節設備的運行，在已有研究基礎上，提出使用智能逆變器對光伏資源進行適當控制可以緩解一些電壓問題，為電網中大量光伏滲透提供了幫助。

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1.1.4國內外現狀評述

目前，光伏接入位置、數量、容量、光伏出力對配電網各個節點電壓的影響方面已有大量研究，對此也提出有無功策略調節、電網規劃等解決方案；電壓的峰谷差使配電網產生電壓波動與閃變，線路長度及動態負荷比引起的電壓差等給主動配電網電壓帶來影響和高密度頻繁投切光伏帶來影響的研究相對成熟，但在光伏電源輸出的直流電轉換成交流電時應用PWM控制技術和主動配電網的潮流流向導致饋線電壓的抬升方面的研究相對較少。國外在光伏接入中壓系統產生電壓問題的研究上較成熟，也提出了進行電網規模規劃、蒙特卡羅模擬計算方法等解決措施。隨著光伏的發展，接入電網的光伏傾向于低壓，部分研究也偏向于低壓水平與幅度相關的電壓分布問題上，如今新部署的光伏系統很大一部分都連接到低壓電網，產生的電壓驟降/升及不平衡等問題隨著光伏滲透率增加越來越難解決，包括光伏板帶來的電壓和電流不平衡問題使諧波失真現象惡化了，還使配電網電壓升高，反向潮流引起的電壓穩定性問題、網絡擁塞和變壓器過載是配電網面臨的主要技術挑戰，研究較少，需要在電壓調節和電壓不平衡問題上深入研究。

1.2諧波問題

諧波是指一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍，諧波被稱為電壓和電流形式的失真，由網絡中的非線性負載驅動。

1.2.1國內現狀

從闡述新能源發電主要通過基于電力電子技術的逆變器接口并入配電網，會造成大量諧波污染的基礎上，得到通過增設無源濾波器來降低諧波源產生的諧波或不產生諧波的技術治理諧波。到基于大量新能源并網背景，提出新能源電網中的輸電線路分布電容對高頻次、寬頻域諧波的影響不容忽視，并通過分析諧波電壓/電流畸變情況、系統諧振頻率、諧波放大特性，得出可通過改善諧波電壓和諧波電流畸變、抑制諧波振蕩提高系統的穩定性，最后得到兩種抑制諧波的方法安裝濾波裝置和改變網絡參數。再到結合光伏電站實際諧振過程中的數據特性對光伏電站諧波諧振問題進行理論分析，得到網絡阻抗變化、光伏逆變器輸出的高次諧波是電網諧波的主要原因，提出一種采用感應濾波升壓變壓器聯網的方法來抑制光伏電站的諧波諧振。還有學者為解決光伏發電系統接入偏遠配電臺區存在的諧波問題，提出并驗證一種融合有源電力濾波器算法與光伏并網協調統一控制的策略能有效抑制諧波輸出。目前國內對諧波問題的研究主要集中在電力電子等逆變器并網裝置造成的諧波污染、光伏電源自身攜帶的諧波進入配電網、諧波源與配電網交互影響、光伏接入線路阻抗與配電網諧波源干擾下引起諧振和嚴重的諧波放大等方面。

1.2.2國外現狀

國內主要基于分布式電源并網中逆變器的諧波含量可能會增加配電系統的諧波失真問題，利用WCA在基波和諧波后向/前向掃描功率流的幫助，提出失真配電系統中無源單調諧波濾波器的最優規劃，得到諧波濾波器在系統中的最佳位置對系統諧波抑制具有至關重要的影響。分析了帶輻照度的光伏并網系統輸出的諧波特性，從實驗結果得電流THD隨著功率電平的降低而增加，并且由于諧波疊加諧波，在多次PV集成的情況下，諧波電平被最小化。國外重點關注了電網在寬頻帶內的諧振問題，研究了不同類型諧波源激發諧振的機理，表明電壓、電流型諧波源都將進一步惡化諧振。且有效分析了配電系統中的諧波失真，潮流和諧波潮流研究至關重要，提出各種潮流和諧波潮流方法來分析徑向配電系統的不同拓撲結構。

1.2.3國內外現狀評述

上述中對電網諧波來源及諧波治理方案進行研究，結果表明，目前國內外研究方向主要集中于高次諧波給電網帶來的危害，相比之下，低次諧波給主動配電網電能質量帶來的影響也不可忽視。當大量光伏接入主動配電網時，逆變器等多臺或多種類型的電力電子器件會使電網中諧波含量超標，它們之間相互作用會造成電網電能質量的畸變，針對這些諧波問題給出的解決方案中，一種主要利用集中式，集中式處理是從整體系統來看，對系統節點處測量電壓的畸變率，計算是否需對諧波補償，并通過接入削波設備補償，提高電網的電能質量；另一種主要采取分散式處理，即對配電網絡中某個影響較嚴重的諧波源有針對性的采取處理措施，對諧波進行補償。光伏電站逐漸向分布式方向發展，光伏逆變器同時運行時，系統易在發電高峰期激發諧波諧振，光伏逆變器極易因諧波電壓超標而退出運行，直接影響到光伏電站發電連續性、經濟效益和安全性，且此類諧振不會因為少量光伏逆變器的停運而消除，產生諧振的因素除逆變器間的作用外，與并網系統的網絡條件光伏逆變器自身的頻譜、上級電網的背景諧波等都有關，對成因復雜的光伏電站諧振問題，國內外學者開展了許多卓有成效的研究，大量文獻也從不同角度進行了分析，但由于實驗室條件的限制，很少有文獻對真實大型分布式光伏電站運行過程中產生的諧波諧振及其表現規律進行系統性研究。

2 光伏發電入網對電網電壓、諧波影響的建議

光伏發電并入主動配電網對電網電能電壓和諧波影響的研究熱點主要集中于以下兩方面：

（1）分布式光伏接入主動配電網使網絡產生三相不對稱性，配電網電壓受影響，且電路中支流閉鎖、換相失敗等故障或擾動引起的直流送端系統過電壓方向的研究也攻克艱難，需要深入研究。

（2）光伏入網使網絡中饋線上功率流向不確定，影響光伏發電出力效果因素增多，甚至會出現饋線末端電壓高于首端，因此在含光伏電源的主動配電網中，通過變電站內變壓器擋位開關調節以及無功補償裝置調節不一定能改變電壓，隨著并入電網的光伏容量增加，電壓波動程度加劇，同時對電壓畸變度惡化增強，解決饋線功率流向帶來影響是研究方向之一。

3 結語

在提倡節能減排的政策下，光伏入網是發展的大趨勢，隨著光伏滲透率不斷提高，給配電網電能質量帶來的影響隨著變復雜，平抑光伏入網造成的電能質量問題，確保電網的穩定性具有重要意義。本文從光伏接入對配電網電壓、諧波兩方面帶來影響問題對國內外研究進展作了總結評述，對個人后期在光伏入網給主動配電網產生影響的發展和研究方向有清晰的認識。