分布式光伏接入對臺區電壓的影響及治理研究

南京易司拓電力科技股份有限公司 緱來兵

光伏發電是利用太陽能進行發電，其發電效率受到溫度、光照等因素影響，白天因溫度、光照有較大差異，導致發電量不同，晚間因溫度低，無陽光不發電，從而造成光伏并網發電功率變化較大，臺區電壓也隨之發生較大的變化，對電網造成較大的沖擊。通過分析分布式光伏接入后對臺區電壓的影響，制定相應的措施可以有效減少分布式光伏并網對電力系統造成的不良影響，保證電力系統的穩定運行。

根據國家能源局發布的2022年全國電力工業統計數據顯示，截至2022年12月底，全國累計發電裝機容量約25.6億kW，同比增長7.8%。其中，太陽能發電裝機容量約3.9億kW，同比增長28.1%。2023年太陽能發電裝機規模將達到4.9億kW。以某地區光伏數據接入為例，整體光伏用戶發電功率呈現明顯的正態分布，夏季發電周期基本在6時至18時，持續12小時；在中午12時發電達到高峰，在9時至15時發電效率較高，持續時間達到50%。因此，對于部分高滲透率的臺區，在中午發電高峰時，臺區電壓會出現首端越下限，末端越下限的雙向越限情況。

1 分布式光伏接入存在的問題及對臺區電壓的影響

1.1 分布式光伏接入存在的問題

一是整體接入不平衡。電網規劃和分布式新能源規劃的主體單位不同，各主體之間缺乏有效的溝通，信息交互不協同，以及造成配電網規劃資源的浪費。分布式電源無序接入配電網，某公司分布式光伏用戶安裝數量呈現明顯的地域分布，分布極不平衡。據統計，單位1、單位2、單位3安裝比較集中，分布式光伏用戶占比達到62.43%；單位6和單位7安裝較少，占比僅為16.41%。

二是部分臺區光伏滲透率過高。某縣公司作為整縣光伏示范縣，共計2620個配電臺區，存在245個臺區分布式光伏，滲透率大于80%，占比9.35%，高滲透率會造成配變臺區電壓兩級越限，配變首端越上限，配變末端越下限；此外，分布式光伏造成高電壓問題缺乏治理經驗。隨著整縣光伏接入工作推進，光伏用戶數量迅速增長，臺區電壓普遍抬升，會產生高電壓投訴及其他一系列高電壓問題，現階段對分布式光伏接入造成配變電壓越限問題缺少可推廣應用的經驗，及治理措施與技術手段。

1.2 光伏滲透率對臺區電壓的影響

數據選取某單位2022年典型負荷日（8月20日）的數據為基礎，經過統計分析，不同光伏滲透率下臺區電壓的變化情況見表1。

通過數據分析、挖掘，探究不同光伏滲透率情況下對臺區電壓的影響，取臺區A 相電壓數據進行對比：光伏接入比例較低時，電壓波動范圍較小，能夠有效保證負荷高峰時段抬升電壓，臺區電壓趨于平穩運行；隨著光伏接入比例增高，中午發電高峰時段電壓提升效果明顯增強，光伏接入比例達到70%左后，中午配變低壓側電壓值比負荷低谷時電壓值高9V，電壓波動幅度較大；當分布式光伏接入容量超過配變額定容量時，中午陽光充足時出現明顯的電壓峰值，且配變低壓側電壓值比負荷低谷時電壓值高12.7V，電壓波動幅度范圍最大。分布式光伏滲透率與臺區電壓的關系如圖1所示。

圖1 不同滲透率情況下8月20日電壓曲線圖

1.3 分布式光伏接入位置對臺區電壓的影響

通過不同時間、不同電表箱內用戶的電壓情況，獲取在不同時段，光伏接入臺區在各個位置的電壓情況。選取某單位2022年9月2日，9點、13點、17點三個不同時段的數據，對臺區不同位置的電壓進行觀測。甲臺區變壓器接入12個表箱，最遠表箱距離變壓器位置180m，具體拓撲如圖2所示。

圖2 甲臺區表箱位置示意圖

不同時段、不同位置的電壓情況見表2。

表2 甲臺區配變關口電壓統計表

針對不同時段，根據觀測點距離配電變壓器的地理位置，繪制電壓曲線如圖3所示，可看出甲臺區在不同觀測點的電壓均超242V，遠超規定的電壓上限235.4V，13時整體電壓均升高明顯，最高達到249V。

圖3 觀測點電壓情況

乙臺區變壓器接入10個表箱，最遠表箱距離變壓器位置160m，具體拓撲如圖4所示。

圖4 乙臺區表箱位置示意圖

不同時段、不同位置的電壓情況見表3。

表3 乙臺區配變關口電壓統計表

針對不同時段，根據觀測點距離臺區的地理位置，繪制電壓曲線，如圖5所示?？煽闯?，乙臺區不同觀測點的電壓均超239.5V，遠超規定的電壓上限235.4V，13點時整體電壓均升高明顯，最高達到251V。

分布式光伏接入距離配變越遠，電壓抬升效果越明顯，并且可能會高于配變首端電壓[1]；分布式光伏發電量越大，接入點電壓越高。

2 分布式光伏高電壓問題解決方案

2.1 管理方面

創新分布式光伏接入管理機制。按照《分布式電源接入電網承載力評估導則》和工作要求，在網格劃分的基礎上，細化每臺配電變壓器，通過評估配電網運行情況和配變消納能力，形成“三色九宮格”分布式光伏承載力評估模型，最大限度提高分布式光伏消納能力。通過梳理配電網承載能力，為光伏安裝企業提供引導，合理確定分布式光伏安裝的容量和位置，降低分布式光伏接入對配電網的影響，以此解決臺區重過載和低壓線路末端短時低電壓問題，配變承載能力見表4。

表4 “三色九宮格”配變承載能力統計情況

分布式光伏接入承載力情況評估等級劃分如表5所示。

表5 開放配變接入分布式電源情況評估等級劃分

應因地制宜，合理規劃分布式光伏接入。充分考慮地區發展、供電區域類型等要求，按照基于現狀，適度超前，分層分區的原則，提前做好配電網規劃，將電網規劃與政府結合，全面梳理各個地區的負荷特點，針對特定區域爭取電價政策支持，在白天設置低谷電壓，引導用戶負荷與光伏出力有效平衡，降低潮流流動。在部分用電負荷較大的區域增加光伏布局，從而降低電網供電壓力，提高光伏消納能力。

2.2 技術方面

2.2.1 通過逆變器參與調壓

按照國標《光伏發電并網逆變器要求》(GB/T37408-2019)，逆變器的無功容量及無功控制功能應滿足下列要求。

無功容量：逆變器穩態無功功率輸出范圍應滿足，A 類逆變器應在所示實線矩形框內動態可調，B 類逆變器應在所示陰影框內動態可調。具備電網無功支撐能力的A 類逆變器無功功率輸出范圍宜在虛線范圍內動態可調，逆變器的無功出力范圍如圖6所示。

圖6 逆變器無功出力范圍

無功控制：A 類逆變器應具有多種無功控制模式，包括電壓/無功控制、恒功率因數控制和恒無功功率控制等，具備接受功率控制系統指令并控制輸出無功功率的能力，具備多種控制模式在線切換的能力。逆變器無功功率控制誤差不應大于逆變器額定有功功率的1%，響應時間不應大于1s。B 類逆變器宜與A 類光伏逆變器的要求相同。

并網光伏逆變器最大無功容量和逆變器容量的關系為：

2.2.2 采用儲能設備削峰填谷

受光伏發電自身間歇性、波動性的影響，分布式光伏高比例滲透給電網消納、安全運行帶來挑戰。儲能能夠平抑光伏的間歇性、波動性。分布式儲能的主要目的是調節峰谷用電問題，有利于電力調度，避免供電容量不足，減小臺區電壓波動幅度，降低峰值負荷，從而提升電網的運行效率。

2.2.3 通過多組并聯電抗器減少電壓波動

對于分布式光伏接入造成的臺區電壓波動問題，可在臺區上裝設多組自動投切并聯電抗器補償裝置，從而達到“精細化補償”的效果[3]。通過優化無功補償方案，穩定臺區電壓，解決電壓波動問題，改善供電質量，保證電網系統的穩定運行。同時跟蹤運行時無功功率的變化，自動投切相應容量的電抗器，從而實現更加精細的電壓控制，減少能耗，控制策略如圖7所示。

圖7 并聯電抗器控制策略

分組自動投切并聯電抗器治理效果論證：以某臺區為例，配變容量為400kVA，接入分布式光伏容量238.6kW，光伏滲透率59.65%，經過對該臺區2022年9月電表后臺監測數據進行分析，發現該臺區存在電壓波動問題，波動范圍為221～244V，即0.45%～10.91%，已超出國標要求的電壓波動范圍。對多組自動投切并聯電抗器補償裝置投運后該臺區電壓壓降情況進行模擬試驗，試驗結果見表6。

表6 電壓壓降情況統計表

裝置投入前后臺區電壓對比，如圖8所示。

圖8 裝置投入前后臺區電壓對比

從實驗數據可以分析得出，采用多組自動投切并聯電抗器補償裝置可有效改善因分布式光伏接入造成的臺區電壓高電壓、波動大等情況，切實提高臺區電能質量，該裝置具有較強的可行性。

3 結語

在國家“雙碳”目標的政策支持和在高滲透率光伏接入配電網的背景下，本文從技術和管理的角度分別闡述了目前分布式光伏接入電力系統后存在的一系列問題，分析了因分布式光伏接入而產生臺區高電壓問題的根本原因，并提出了分布式光伏高電壓問題的解決方案，以此提升電網的運行穩定性，減少電網的損耗。