光伏并網系統中的電壓控制策略研究與優化設計

張人木

（中國昆侖工程有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110167）

0 引 言

隨著經濟的高速發展，居民用電量、生產用電量逐漸攀升，傳統燃煤發電引發的能源危機推進風能、光能等清潔能源的高效利用。國家能源局公布的數據顯示：2023 年，可再生能源總裝機量為14.5 億kW，其中光伏發電裝機容量約為5.6 億kW，同比增長49.9%。光伏發電屬于分布式電源，分散布置在電力負荷附近，擁有非集中、分散性、發電靈活、節能環保以及兼容性強的基本特征。但其在并網過程中太陽能的間歇性和波動性也會對電壓造成影響，因此需理清光伏并網系統中的電壓變化特點和原因，通過針對性策略的選擇提升電能質量，促進光伏發電的規模化、可持續化發展。

1 光伏并網中的電壓影響

太陽能是一種清潔、可再生的能源，光伏發電的過程是將其轉化為電能的過程。但太陽輻照度具有較強的波動性和隨機性，因此在發電的過程中會產生較大的波動[1]。光伏并網的等效電路如圖1 所示。

圖1 光伏并網的等效電路

等效電路中的U0表示配電網的端電壓；P表示配電網電源的有功功率；PL表示配電網負荷的有功功率；PPV表示光伏陣列的有功功率；Q表示配電網電源的無功功率；QL表示配電負荷的無功功率；QPV表示光伏陣列的無功功率；Z=R+jX表示饋線等效抗阻。

結合等效電路圖，主網系統中有功功率的計算公式為

有功功率的計算公式為

主網系統中提供的負荷功率計算公式為

U0與UPCC之間的電壓損耗計算公式為

若在光伏并網的過程中只對電壓損耗的大小進行關注，則U0以及UPCC之間的電壓損耗計算公式為

為進一步判斷光伏并網過程中對配電網電壓的影響，可以假設公式（5）中虛部為0，則可以計算出負荷節點的電壓為

若光伏并網未安裝無功補償設備，則此時QPV和QC為0，由此可以得出負荷節點的電壓為

線路抗阻和光伏發電過程中的功率參數決定著并網過程中負荷節點的電壓。在饋線等效抗阻Z=R+jX保持恒定的情況下，當QPV＞0 時，則光伏電源會發出無功功率進行電壓補償，此時UPCC升高；反之，當QPV＜0 時，UPCC降低。也就是說，光伏電源接入配電網系統時，隨著光伏電源發出的功率增大，整個系統的節點電壓也會隨之升高，進而對用電質量產生影響[2]。若光伏電源在接入的過程中能夠與地域的負載進行協調運行，則能夠有效抑制電網的波動幅度；若無法完成負載的協調，則會導致分布式電源與電網產生較大的差距，而該種現象會加劇電壓波動。

2 光伏并網接入方式

2.1 并聯接入

并聯接入是分布式電源接入配電網的主流方式之一，能夠保證配電網系統與分布式電源機組的負載相互連通。在正常供電的情況下，由配電網系統承擔負載，此時的光伏電源機組處于備用狀態，而一旦在供電的過程中發現配電網發生故障，就會迅速啟動分布式電源機組，保證其能夠在瞬間承擔供電的責任，彌補負載差值，整個電網并不會因為配電網的突發故障而造成停電。光伏并網的并聯接入直接與用戶連接，既能夠保證整個供電系統的穩定性，又能夠充分發揮光伏電源的經濟適用以及靈活性[3]。

2.2 聯絡開關切換接入

聯絡開關切換接入對設備和運行環境的要求不高，并不需要復雜的調節和回路控制，只要保持一個光伏電源或者是配電網電源與負荷相連即可，而另外一個需要在開關切換之后進行補充。在配電網的運行過程中，一旦主電源停止運行，須將系統電源通過聯絡開關切入到光伏電源機組，此時的光伏電源機組將會立即投入工作狀態。聯絡開關切換接入對整個配電網的影響較小，整個光伏電源機組可以根據需求完成運轉[4]。但聯絡開關切換入網方式有著較高的負載運行要求，若達不到負載運行要求，則會降低供電可靠性。

3 光伏并網系統中的電壓控制與優化策略

3.1 加強配電網規劃管控

影響配電網網架水平的因素包括網架結構模式、線路負荷情況以及系統抗災能力等，在對其進行規劃管控的過程中應予以重點考慮，同時結合分布式電源地域周邊的實際情況將經濟因素和環保因素納入其中，一一剖析主要影響因素。一方面，要保證全面掌握配電網中的總體負荷和區域負荷，綜合進行光伏并網中停發或者滿發時的影響評判，并將光伏電源模型納入其中[5]。另一方面，結合電網發展水平分別從網架結構、負載水平與抗災水平提升等方向入手，在合理措施的采取下，通過針對性措施的實施提升光伏電源接入配電網的可靠性。

3.2 加強光伏并網點電壓管理

光伏電源并網的過程中，線路潮流方向會發生變化，進而導致周圍電壓水平的抬高或壓低。若此時配電網所提供的負荷難以與應用需求相匹配，則電壓質量問題將更加嚴重[6]。因此，在光伏并網點電壓管理中還須結合配電系統的運行實際合理提出管理策略，具體如下。

第一，若配電系統無功有富余，則可以通過變壓器變比調壓的改變來進行調整。該種調壓方式包含無載調壓和有載調壓2 種，相比較而言，有載調壓更為靈活，適合最大負荷和最小負荷2 種極端情況。

第二，若配電系統無功不足，則需要對無功補償容量進行合理配置，以實現電力網無功潮流分布的改變，進而減少有功損耗和電壓損耗，實現電壓質量的改善。可以通過電容器并聯使用來進行無功補償，也可以通過串聯電容器、并聯電抗器以及線路電壓調節器的配置進行改善。

第三，光伏電源入網引發的電壓波動可以通過配置儲能裝置來進行抑制。電網電能過剩時，會將剩余電能儲存起來，一但光伏電源入網出現電能不足而引發電壓波動時，就可以利用電網儲存的電能進行及時的補充，在有效抑制負荷波動的同時起到削峰填谷的作用。

第四，配電系統最顯著的特點為閉環設計、開環運行。電網拓撲結構中分布有多個聯絡開關和分段開關，這些開關的存在能夠保證實現多條饋線的切換。因此，可通過調整分布式電源出力或者負荷出力，以保證最優網絡結構的構建，達到最優狀態并實現網絡損耗的降低。

3.3 強化光伏并網技術水平

一方面，應以新型高效太陽能電池、輕量化光伏組件等關鍵技術為出發點，拓寬資源開發范圍和應用場景，著力提升風電、光伏利用效率，降低發電成本；另一方面，隨著智能電網的發展，電網建設實現分布式、交互式供電模式的融入，因此應該加快智能電網建設，通過數字化技術、大數據技術、區塊鏈技術、“云大物移智”技術的應用需求，從配電自動化覆蓋率、分布式電源覆蓋率、帶電作業比例等方面入手，保證電網運行過程中可靠性的提升，并提高分布式電源的滲透率。

3.4 加強光伏并網運行管理

整個管理過程中，以計劃停電管理、搶修管理與綜合管理為出發點，在停電管理過程中，應明確主要的因素為計劃停電率和計劃停電時間等，通過合理的計劃，有效進行停電范圍的縮小以及停電次數的減少。在搶修管理過程中，要結合智能配電技術實時進行發電功率預測管理、監控管理、檢修計劃管理、調度管理以及風險預案管理等，保證形成一個完善的體系，通過有效的監控防止影響范圍的變大。當然，該過程中也可以通過合理的技術調配規范分布式電源現場檢修作業，同時要最大限度地保證分布式電源并網檢修過程中的安全性。在綜合管理方面，要最大限度地避免外力的破壞以及操作人員的失誤比率，通過定期的培訓以及先進設備的引進輔助完成分布式電源并網運行后的管理。

4 結 論

光伏發電是一種綠色的發電方式，有著十分廣闊的應用前景，避免傳統火力發電對環境造成的影響。針對光伏入網對電壓造成的影響，還須從技術以及管理上綜合入手，最大限度地減少其對電能質量的影響，發揮其分散性、發電靈活、節能環保以及兼容性強的優勢。