分布式光伏電站并網對配電網影響及接入方式分析

內蒙古潤蒙能源有限公司 張 前 唐 劍 通 霏

1 引言

目前，分布式光伏電站的接入方式主要分為兩種，一種是直接并入配電網，另一種是通過安裝在電網側的光伏逆變器實現并網。對于不同的接入方式，需要選擇合適的逆變器類型和接口技術，并進行相應的電力調度和控制。基于此，相關研究人員立足于電網規劃目標，針對光伏電站接入大電網后，對于電網產生的影響進行分析。明確光伏電站并入大電網相關技術要求。

2 光伏電站并網對大電網產生的影響

2.1 光伏電池數學模型

研究人員基于光伏電池的工作原理，構建光伏電池等效模型，通過對等效模型的簡化處理，得到光伏電池工程模型，如圖1所示。構建模型過程中，研究人員考慮到陰影狀態下光伏電池工作特點，將陰影狀態下光伏電池特性曲線引入該模型，最終得到光伏電池數學模型[1]。

圖1 光伏電池單二極管等效電路

光伏電池數學模型中，等效輸出電流計算式為：

根據圖1對式（1）進行簡化，得到：

圖1中，流經二極管D的電流計算式為：

式（2）中的參量Ish的計算式為：

將Iph、Ish、ID三個參量代入式（1），可得：

為提高計算效率，研究人員在建模過程中嘗試忽略RS對于計算結果的影響，進而得到：

將式（1）～式（6）進行綜合，得到光伏電池輸出功率計算式：

2.2 對大電網的影響

光伏發電站并入大電網之后，對整個系統的潮流方向和規模將會產生直接影響。可能會導致一些新的問題出現，并影響電網的穩定運行和電能質量。應積極嘗試對傳統的單電源或多電源被輻射的配電網結構進行優化，將其轉變為多電源結構。通過這種方式實現并網潮流與模式大小的改變[2]。

2.3 對電能質量的影響

光伏電站并入大電網，會對大電網的電能利用質量產生負面影響。研究人員為了準確評估光伏電站并網對電能質量的影響，針對大電網電能質量指標進行量化分析。通過這種方式初步確定光伏電站并網前后電能質量變化趨勢，盡可能降低光伏電站并網對電能質量產生的影響。

2.3.1 電壓偏差

光伏電站并入大電網之后，會成為大電網新的發電源。此時，大量有功電流注入大電網，令大電網內的電壓急劇上升。與普通的有功電流相比，大型的有功并網電流對并網點的輸出電壓和電流的影響更加顯著[3]。光伏電站運行時，會持續產生有功驅動電流，包括內部的變壓器、逆變器、箱式變壓器等設備，以及集電箱或電纜上的非電容性有功驅動電流。

2.3.2 電壓波動與閃變

光伏發電在正常工作狀態下，輸出功率會隨著時間的推移逐漸發生改變，午間達到最大值后再逐步降低，形成正態分布功率曲線。然而，由于受到多種因素的影響，如天氣、云量和溫度等因素，其實際功率分布曲線也會發生不同程度的波動，從而導致電網在實際輸出電壓時也會產生較大的波動。

2.3.3 三相電壓不平衡

實際工作中，若光伏逆變器中出現了不對稱的三相光源電壓串聯，或者并聯網點出現光源缺相情況，將會導致光伏發電站串聯觸發并網系統出現技術故障，影響電網系統的穩定運行。三相電壓不平衡問題頻繁出現的原因包括：一是三相電壓不平衡會觸發負序繼電保護系統以及繼電保護設備的誤動作；二是發電機內部出現不平衡振動，振動產生的熱量無法及時散出導致發電機內部溫度升高，加快發電機損耗。嚴重情況下，還會造成發電機零件故障。

2.3.4 孤島效應

孤島效應是指在光伏發電系統與主電網斷開連接的情況下，仍然能夠為當地電力負載提供電力的現象。當光伏發電系統與主電網斷開連接時，光伏電池板仍然能夠將太陽能轉化為電能，為當地電力負載提供持續的電力供應。該現象會對大電網的供電穩定性造成一定的影響。

3 光伏電站并網及接入方式

在低壓配電網中，相關工作人員通常會根據饋線的分布情況分配功率。隨著分布式光伏在電網中所占的比例越來越高，其接入后對潮流分布的影響將變得越發明顯，令計算電網潮流難度上升。傳統潮流計算方法可能會出現潮流計算無法收斂的問題[4]。

3.1 最優潮流計算方法

研究人員基于傳統潮流計算的各個節點具體參數，創建多個最優目標函數，其中包括無功分布最優、安全性最優等。在此基礎上對最優目標函數進行非線性規劃處理，其數據模型為：

式中：minf(u，x)為目標函數，g(u，x)、h(u，x)分別為等式約束條件與不等式約束條件。

基于該模型，研究人員推導出以電壓偏差最低為目標的潮流目標函數以及以電力損耗最少為目標的潮流目標函數，分別為：

式中:j為節點編號；Gij為節點i與節點j之間的電導；Ui為節點處i的電壓；Uj為節點處j的電壓；θij為節點i與節點j之間的相位差；UN為電壓額定值。

電力系統是一個復雜的網絡，其中包含大量的節點和非線性模型。傳統的優化方法在處理這種模型時面臨著很大的挑戰，其原因在于傳統優化方式難以對眾多的節點進行求解。然而，隨著人工智能算法的發展，一些新型的優化算法已經出現，不僅能夠更快地處理大量節點，而且能夠獲得更高質量的優化結果。

3.2 接入技術要求

3.2.1 接入容量

光伏電站實際運行過程中，其并入大電網的位置以及接入容量，會對電網損耗產生直接影響。研究人員基于光伏電站并網實際需求以及并網容量，靈活控制電壓等級。綜合考慮并網線路損耗、供電可靠性以及建設成本等因素，對分布式光伏發電站并網運營成本進行精確計算：一是若分布式光伏電站的容量≤8kW，則可以直接為普通用戶接入220V 電壓。二是若分布式光伏電站容量為8kW～0.4MW，其接入大電網的電壓等級為380V。三是若分布式光伏電站容量為0.4～6MW，其并入大電網的電壓等級為10kV。四是若分布式光伏電容量為6～30MW，其并入大電網的電壓等級至少為35kV。四種電壓等級劃分方式僅用于參考，實際工作中要根據分布式光伏電站的運行情況進行針對性調整。

3.2.2 接入方式

對于電壓等級在35kV 及以上的大型分布式光伏發電站而言，由于其發電功率較大，相關工作人員為了確保電力運行安全，采用更為安全可靠的并網方式，即選擇專線接入電網。這種方式可以保證電能的高效輸送，同時也可以保證電網的安全穩定運行。

而對于并網電壓等級為10kV 的小型分布式光伏電站而言，考慮到運營成本以及線路損耗等因素，可以采用專線的方式接入變電站10kV 母線[5]。條件允許的情況下，也可以使用T 形接線方式并入大電網，但需要滿足電網的安全可靠運行條件，以保證電網的安全穩定運行。

一是專線并網法。在經濟開發區和園區等用電緊張的區域，變電站和開關站母線間隔的數量較少。這種情況下，想要使用專線并網模式，相關工作人員需要人為增加變電站與開關站母線之間的間隔，要投入更多的資金以及更高的時間成本。由于專線接入方式需要配置相應的升壓變壓器、專用電纜等設備，其投資規模較大，因此一般不適用于中小型的光伏發電站。該方式主要應用于光伏容量較大、接入位置較遠的大型分布式光伏發電站。專線并網方式如圖2所示。

圖2 專線并網方式

二是分散接入法。針對容量較小的光伏發電站，可以選擇接入原理更為簡單的分散接入法。分散接入法如圖3所示。

圖3 分散接入法

分布式光伏電站直接并入電網變壓器400V 側，向低壓負荷供電，此時變壓器電壓等級為380V。實際運行過程中，工作人員需要在配電器的低壓一側安裝逆功率保護器，防止分布式光伏發電站向大電網反向輸送功率。

4 結語

分布式光伏電站并網會對電網的安全穩定運行帶來一定的壓力，同時也可能會導致電網的電壓波動。因此，在分布式光伏電站并網時，需要充分考慮電力系統的穩定性和安全性，以避免可能的電力事故，確保電網的安全、可靠、高效運行。分布式光伏電站的接入方式有兩種：分散式接入和專線式接入。在分散式接入中，光伏電站通過并入變電站或開閉所的10kV 母線來實現并網。而在專線式接入中，光伏電站通過專用電纜接入電網，可根據需要選擇35kV 及以上的電壓等級進行接入。分布式光伏電站的并網對配電網影響較大，需要采用科學合理的接入方式，同時還需要對電網進行必要的升級和改造，以確保電網的安全穩定運行。