分布式光伏接入對系統電能質量的影響分析與應對措施

溫 鑫 姚文瑩 何圣川 馮興興

（廣東電網廣州供電局，廣東 廣州 510000）

0 引言

當今世界，由于人口過度增長，石油、煤炭等常規不可再生化石能源日益枯竭，能源危機已成為世界各國發展面臨的首要問題，國家已將發展清潔能源作為應對能源危機與環境惡化的有效手段之一，其中太陽能的合理利用成為國內外各機構的研究重點。分布式光伏并網發電技術的研究與應用已成為未來能源形勢發展的必然選擇，但其也帶來很多問題亟需解決[1]：一方面，分布式光伏電源的出力間歇性、波動性、不確定性對配電網饋線電壓有影響；另一方面，分布式光伏組件中逆變器等非線性特征元件是諧波污染的主要來源。由于配電網中分布式光伏電源的接入容量相對較小，對并網饋線電壓三相不平衡度、并網大電網的頻率偏差、暫時過電壓及瞬態過電壓影響較小，所以本文暫不考慮分布式光伏電源在三相不平衡度、頻率、暫瞬時過電壓方面對系統電能質量的影響，主要對饋線電壓偏差和電壓波動進行分析。

1 分布式光伏電源模型

分布式光伏電源可分為低壓分布式光伏與中壓分布式光伏。低壓分布式光伏大多數為屋頂小型電源，主要由光伏組件、匯流箱、光伏并網逆變器及低壓智能雙向計量裝置組成，一般當上網電價小于售電電價時，自發自用的比率越高，產生的經濟效益越大。中壓分布式光伏在容量、數量上明顯區別于低壓分布式光伏，可看作是多個光伏逆變器并聯再由升壓變壓器統一將電能輸入網架。分布式光伏電源并網類型主要有逆流型、非逆流型和切換型三種，本文主要研究對象為配網中常見的逆流型分布式光伏電源。如圖1所示，在兩相旋轉dq坐標系下，將旋轉的三相交流量變成直流分量，以此為基礎，采用常規的恒有功無功控制方式（PQ控制）對逆變器的電流指令進行調節，鎖相環（PLL）實時追蹤電網的相角，內環電流控制環節實時追蹤并網電流跟蹤控制，電壓外環實時追蹤直流側電容電壓并將其反饋至控制器，輸出電壓和電流再經濾波元件并網，既確保產生的電能質量符合要求，又保證輸出的有功功率和無功功率能夠穩定在給定參考值的附近，其中無功的參考值指令為0，正常運行在單位功率下不向電網提供無功功率。

圖1 逆流型分布式光伏電源PQ控制策略原理圖

圖2是根據電池的外特性擬合電壓與電流的光伏電池外特性模型并進行仿真的輸出特性曲線圖[2]，在實際配網中分布式光伏并網運行時，可利用光伏發電單元的輸出特性曲線所具有的單峰特性，即在最大功率點附近，光伏發電單元的輸出電壓增大或減少，都將使光伏輸出的功率降低，利用該輸出特性有利于光伏并網逆變器正常并網運行模式中的最大功率追蹤（MPPT算法），能提高發電效率。

圖2 分布式光伏電源輸出特性曲線

2 分布式光伏接入對電壓的影響與措施

2.1 分布式光伏接入饋線電壓分布與波動理論分析

圖3為10 kV配電網饋線上接入分布式光伏與用戶排布的典型接線圖，分布式光伏電源接入電網后強迫10 kV配電網饋線的有功功率傳輸大小和方向發生變化，從而影響正常穩態運行時饋線上各接入點的電壓分布。文獻[3]指出，分布式光伏電源接入系統后所導致的電能質量問題與所并入的電網結構、等效阻抗、負荷滲透率、并網電壓等級、上一級變壓器短路容量、并網的逆變器參數及其控制方法和出力大小等密切相關，以上均是影響分布式電源接入配電網電能質量的關鍵因素，也是進行定量分析的基礎。

圖3 含分布式光伏電源的配電網結構與負荷分布示意圖

由于10 kV配電網饋線中所接入的分布式光伏生產形式各異，本文暫不考慮逆變器設備參數、控制方式不同等內部因素的影響，將同一10 kV饋線上的分布式光伏電源看作是無旋轉慣量、出力不定的電源，假定10 kV饋線上n個節點共接入n個分布式光伏電源，第n個光伏電源的有功出力為PDGn，無功出力為QDGn，接入節點處流向第n個用戶的視在功率為PLn+jQLn，10 kV饋線的初始電壓U0不變，節點n處電壓為Un，第n-1個節點至第n個節點的線路阻抗為RLn+jXLn，在分布式光伏電源未接入前，按照圖1假定有功功率與無功功率以10 kV母線流向饋線負載末端為正方向，不計線路損耗，假定用戶都為第一類用戶，消耗的有功功率和無功功率均大于0，即PLn+jQLn≥0，導致10 kV饋線的電壓損耗均為正，線路某個節點m處的電壓與至線路初始節點的距離成反比。線路上第m個節點的電壓Um為：

當分布式光伏電源接入饋線后，相當于在節點處增加新的有功或無功出力，節點不再是單純的負荷節點，其等效為潮流網絡中的PQ節點。所以，在n個光伏電源接入之后線路上第m個節點的電壓Um為：

實際分布式光伏電源一般因最大功率追蹤（MPPT算法）會運行在單位功率因數，即QDGn=0，所以饋線的無功功率均由電網供給，又線路的電抗比較小，可以忽略其對電壓分布的影響，故線路上第m個節點的電壓Um又可以表示為：

第m個節點的電壓與第m-1個節點的電壓差可表示為：

由式（4）可以發現，假如節點m后所有負載消耗的有功功率小于等于光伏的有功功率總出力，即，說明光伏出力后載盈余，會導致節點m的電壓局部上升至極大值；反之，節點m后所有負載消耗的有功功率大于等于光伏的有功功率總出力，即說明光伏出力后載完全消納，節點m的電壓局部下降至極小值。因此，理論上可以分析出分布式光伏電源接入系統中，其有功出力的間歇性、波動性、不確定性引起的有功功率快速波動是導致10 kV饋線電壓波動的主要原因。不同容量分布式光伏電源接入不同位置對10 kV饋線電壓的影響也不相同，分布式光伏電源接入位置越靠近本級線路末端，其對10 kV饋線電壓的提升作用越大。隨著分布式光伏電源出力功率的增加，10 kV饋線電壓較光伏發電接入前升高幅度增加，且呈現不同的變化趨勢，分布式光伏接入點可能是局部電壓的極大或極小值點。線路參數和負荷對大容量分布式光伏電源接入后電壓升高幅度有影響：電壓升高幅度與線路長度成正比，與10 kV饋線截面積成反比；10 kV饋線上所帶負荷越小，電壓升高幅度越大，此類情況下要關注線路電壓是否越限。

2.2 分布式光伏電源接入饋線引起電壓波動的解決措施

措施1：分布式光伏電源并網點加裝電抗補償器或者動態電壓恢復器（DVR），可以在進行無功功率補償的同時，提供瞬時有功功率補償，將DVR串聯接入大容量分布式光伏電源接入點與后載欲補償的重要負荷之間，通過對直流側電源的逆變產生交流電壓，再通過變償裝置調節系統的電壓跌落或抵消系統因有功功率不穩定電壓上下的小幅度波動。

措施2：將分布式光伏電源與蓄電池、超級電容器、飛輪等形式的儲能項目相結合，吸收分布式光伏電源后載盈余時的電能，并在分布式光伏電源出力不足或10 kV饋線電壓偏低時放出電能，削峰填谷。

措施3：調整分布式光伏并網逆變器的控制方式。根據理論分析，由于分布式光伏并網接入點可能是局部電壓的極大或極小值點，故可采用中央主控+逆變器電壓無功控制的方式，使得并網的10 kV饋線電壓的并網點電壓始終不超過線路運行電壓的最大值。也可通過改變分布式光伏電源發電單元的PQ指令值，根據每個電源并網點需要消耗的無功功率調節無功指令，改變運行功率因數，從而達到控制并網點電壓的目的。

3 結語

針對分布式光伏電源接入系統對電能質量的影響，本文先給出兩相旋轉dq坐標系下的分布式光伏電源輸出特性曲線與典型的PQ控制方式，再理論分析含分布式光伏電源的配電網電壓分布與波動，根據理論結果闡述了三種電壓波動的原因與關鍵影響因素，并結合理論分析結果提出了分布式光伏電源接入饋線引起電壓波動的三種有效解決措施，對實際的光伏工程項目運行具有一定的參考價值。