分布式光伏系統中電壓過高問題優化策略研究

國網河北省供電公司平山供電分公司 王曉龍 王環環

為積極響應國家“碳中和”政策，發展新型能源代替傳統的石化能源勢在必行；光伏發電具有可持續性高、分布廣泛、獲取方便等優點，成為當前重要的獲取能源方式；同時，居民安裝光伏還可以獲得額外收入，于是小規模的光伏發電廠和居民分散安裝光伏板成了較為普遍的現象。根據某供電所和調控中心的采集的大量數據觀察，分散接入的方式可以導致線路末端電壓升高。以某縣35kV古月站522古農線為例，線路末端接入了12臺400kVA的分布式光伏變壓器，導致線路末端電壓常在259～270V，最高可到279.9V，而國家規定的線路末端標準電壓在198～236V，可見522古農線線路末端電壓嚴重超標。

由此也引起了一系列的問題：持續高電壓運行，會加速電氣設備的絕緣老化，降低使用壽命；會使變壓器等設備空載損耗增大，增加線損；會增加配電網短路的沖擊、改變配電網的電壓分布，減小配電網的穩定性，使電能質量進一步變差；會燒毀電器等。截至目前，522古農線已燒壞3臺養雞場電機以及村民照明設備若干。為了將光伏大量接入到配電網中，同時保證配電網可靠穩定地運行，急切地需要引入新的概念和技術手段增加網絡的可控性。本文以某公司為例，經大量分析研究，提出以下幾種可行性改進方案，這些方案能達到降低電壓的效果，各地區可根據自己的實際情況進行選擇。

1 解決單線路末端電壓高的方案

1.1 調整逆變器保護值

要求光伏逆變器的廠家對電壓保護值進行重新設定。國家對逆變器要求的保護值范圍在195.5～253V，但由于國家電網水平參差不齊，部分地區線路過長或變壓器容量不足，就會導致電網電壓過高或過低，最高可達270V，最低則只有180V，為了適應這些地區的復雜情況，逆變器廠家會擴寬電壓保護的范圍。

針對以上光伏逆變器保護電壓不合格的情況，可進行抽查監測是否確實存在不合格的情況。若存在，要求逆變器廠家或者其他技術人員操作逆變器的面板改變電壓[1]。如果逆變器的電壓保護值在合格范圍內，電網的電壓仍然較高，可以要求在標準值范圍內適當降低電壓保護值，也可適當調節站內主變的分接頭，以降低線路電壓。

1.2 引進或興建其他項目

線路末端的分布式光伏發電是一種有效的電力供應方式，其容量相對較小，位置接近電力負荷，一般接入電壓等級較低的配電網或微電網，運行方式主要為就地接入，就地消納，實行“自發自用，余量上網”的模式，這樣既避免了大規模、長距離輸電所需較大資金的投入，也降低了電力損耗。

然而，在政府扶貧項目中，如一些較為貧困落后的山區，已投資建設了一些規模適中的光伏電站。由于當地相對落后，用戶少，就地消納能力有限，光伏發電的波動性和隨機性大，難以進行有效調度。解決這些電站的光伏電力消納問題，可與政府合作，進一步擴大分布式光伏發電的應用市場，興建或引入適合當地環境的其他項目，將這些項目作為光伏電力的消納點，減少光伏電力對電網的返送，從而解決線路末端電壓高的問題。這不僅有助于解決電力消納問題，也有利于促進當地的經濟社會發展，形成多贏局面[2]。

1.3 線路改造

對于存在電壓過高問題的線路，可通過線路改造的方式，比如更換部分老舊的、電阻較大的細線，采用新的、電阻較小的粗線，來降低線路的總體電阻，從而降低電壓。線路的電阻大小直接影響著電壓，根據歐姆定律U=IR，線路電阻R的降低在電流I不變的情況下，電壓U也會隨之降低。優質的線路不僅可以降低電阻，同時還可以降低線損，提高電力系統的運行效率。

在分布式光伏發電系統中，光伏發電的上網電壓只有在高于電網電壓的情況下，才能順利送至電網。通過降低線路電阻，可以降低電網的電壓，這樣就能夠達到降低光伏上網的電壓值，從而有效降低線路末端電壓。這樣的改造雖然需要一定的資金投入，但其收益卻是長久和顯著的，既能夠解決電壓過高的問題，還能提高電網的運行效率，最終有助于提升整個電力系統的穩定性和可靠性，推動可再生能源的更好利用。

1.4 加裝穩壓設備

對于分布式光伏發電系統，另一個可行的解決電壓過高問題的方法是在發電側（即光伏站側）加裝穩壓設備。穩壓設備具有智能檢測系統，可以根據實際需求，對發電側的上網電壓進行智能調節，從而維持穩定的電壓輸出。穩壓設備的工作原理是：用戶在設備內輸入標準的電壓值，設備會自動檢測當前電壓是否與標準值相符，如果有偏差，設備會自動調整，使上網電壓達到設定的標準值，這樣就能確保電網的電壓始終在一個合適的范圍內，避免了電壓過高的問題。

穩壓設備的價格因素多種多樣，包括光伏發電量、線路參數等，根據具體情況定制的穩壓設備，不僅能提高電力系統的穩定性，還能有效降低運營成本。加裝穩壓設備的方法雖然投入一定的成本，但長遠來看，可極大地提升光伏發電系統的運行效率和穩定性，從而保證電網的穩定運行，促進可再生能源的更好利用，對于推動綠色能源的發展，具有重要的實際意義。

1.5 安裝先進的逆變器

目前較為先進的逆變器除了可將光伏的直流電逆變成交流電輸送至電網，還自帶電容和電感元件，可直接發出無功和吸收無功。在電壓高的情況下，可直接降低無功的發出量甚至讓其吸收電網的無功來降低電壓。當電網電壓低時，可讓其多發無功，從而達到穩定電壓的作用。

以上述內容1.1章節和1.4章節效果較為明顯，資金投入相對較低，易改造；1.2章節根據當地的地理條件、基礎設施、政府決策等條件決定；1.3章節根據當地的實際情況和費用的計算來決定；1.5章節所述逆變器較為先進，價格高昂，目前沒有普及使用，也要根據實際情況和計劃費用來決定。

2 解決變電站與多饋線電壓高方案

2.1 安裝長距離配電網電壓分區協調控制系統

基于分層分區、就地平衡的思想，電壓協調控制體系主要由區域協調控制器和電壓就地自治控制器兩部分組成。底層電壓就地自治控制器對自治區域內光伏逆變器的無功和有功輸出功率進行直接控制，既可基于本地量測信息進行就地電壓控制，也可基于分布式通信網絡對相鄰自治區域提供電壓支撐或向相鄰自治區域請求無功支撐。上層的區域協調控制器分布于饋線上或變電站內，分別用于保證所在饋線上的電壓監測和控制、變電站內無功電壓設備的調控。

同一饋線上電壓就地自治控制器間的分布式通信鏈路是底層分布式多代理電壓控制的基礎；各電壓就地自治控制器與其所在饋線區域協調控制器互聯，滿足饋線上的電壓監測和調節需求；饋線區域協調控制器與變電站內的區域協調控制器互聯，用于實現變電站與多饋線之間的分布式電壓協同控制或變電站級全局優化調度。

如圖1所示，電路板布局共有6列3行，一共有6個燈泡和一個插座。每個燈泡都有箭頭指示方向，這些箭頭可能代表電流的流動方向。圖1電路板布局中，中間燈泡和右邊燈泡之間有一個插座，左邊燈泡和右邊燈泡之間也有一個插座。此外，兩個插座之間有3個燈泡，這些燈泡分布在兩個插座的兩側。這種電路板布局能夠實現不同的電路連接，使得電流可以在燈泡和插座之間流動，從而使燈泡發光。不同的布局可能會導致電流流動的方向和方式不同，從而影響燈泡的亮度和顏色等特性。

圖1 電路板布局

2.2 線路末端加裝儲能模塊

線路末端加裝儲能模塊簡單來說，就是利用儲能電池，在光伏發電高峰期將其電能儲存起來，在低谷期將電能釋放出來，發揮削峰填谷、改善電能質量、彌補電力供應不足等作用，進一步提高電網供電可靠性。下文以某縣營里虛擬站來分析該模式。

營里虛擬站是河北南網首座偏遠山區低壓側儲能微網，修建在石家莊平山縣楊家橋鄉蹅馬村。蹅馬村地處平山縣深山區，位置偏僻，共有20多戶人家，大多數為留守老人，用電量小。全村由35kV康莊變電站10kV 664踏馬線供電，線路全長約25km，蹅馬村位于線路供電最末端。線路長，末端消納能力不足，造成了線路電壓極其不穩定。

于是省南網在蹅馬村建設村級400V光儲微網系統作為試點工程。初步確定電池儲能系統20kW，該系統具備并網、離網兩種運行方式。并網運行時，優先使用光伏發電，光伏發電達到一定功率時開始給電池充電，電池充滿需要6h，正好吸納了中午光伏發電的高峰電量；太陽落山后，電網供給線路末端電壓低，電池開始放電，以保證線路末端電壓在合格范圍內；電網停電時，該系統還可自動切換為離網運行模式，微網獨立帶負荷運行，切換過程允許停電[3]（如圖2所示）。

圖2 光照條件較好時光伏出力標幺化曲線圖

圖3展示了一種數據或指標在一段時間內的變化趨勢。具體來說，在2021年3月1日至3月8日期間該數據在0.2到1之間波動；而在3月9日至3月22日期間該數據在1到1.2之間波動。這張折線圖呈現出上升趨勢，意味著隨著時間的推移，數據值在逐漸增加。接入該系統后，在負荷最大時刻、光伏出力最大時刻、僅由儲能供電時負荷最大時刻下臺區末端電壓差均相對較小，用戶電壓平穩了很多，沒有再出現燒壞設備現象，且將光伏的出力限制在剛好與負荷平衡的狀態。

圖3 儲能供電變化趨勢

3 結語

綜上所述，深入探討了多種應對分布式光伏并網引發線路末端電壓過高問題的有效策略。首先，提出了一種就地消納光伏電壓的方法，通過在線路末端引入或興建其他項目，解決了光伏電力的消納問題。這不僅可以減輕線路末端電壓過高的問題，還有助于促進當地社會經濟的發展。其次，研究了通過改造線路和更新老舊設施來減少電阻，從而降低線路末端電壓的策略。雖然需要一定的投資，但可以長期提高電網的運行效率和穩定性，減少線損。本文最后探討了加裝穩壓設備的方案，以確保光伏發電系統始終維持適當的電壓輸出，防止電壓過高。雖然成本較高，但從長遠來看，這可以優化電網運行，提高分布式光伏系統的穩定性和效率。