羅日騰

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司梅州平遠(yuǎn)供電局）

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來， 我國加大了對清潔能源的重視力度， 開始將光伏發(fā)電、 風(fēng)力發(fā)電、 水力發(fā)電等接入到配網(wǎng)中， 在一定程度上緩解了電能緊張的局面。尤其是在光伏并網(wǎng)過程中， 其適用范圍廣、 發(fā)電效率高、 成本投入小， 具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。如何科學(xué)規(guī)劃光伏接入方案， 合理配置光伏并網(wǎng)模式， 抑制過電壓及嚴(yán)重電壓波動， 保障配網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓分布， 已經(jīng)成為綠色配網(wǎng)建設(shè)的重中之重， 值得深入研究與拓展。

1 并網(wǎng)方式

光伏并網(wǎng)可通過逆變器、 光伏陣列、 控制系統(tǒng)、變壓器等， 將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?供用戶側(cè)生產(chǎn)生活使用?，F(xiàn)階段我國光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括純并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、 具有UPS 功能的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電混合系統(tǒng)三大類， 其均可從高/低壓饋線處接入， 實(shí)現(xiàn)供電差額的補(bǔ)償與外送， 其中：

（1） 集中式并網(wǎng)。我國配網(wǎng)主接線一般為單電源樹干式接線、 單電源輻射式接線和雙電源手拉手環(huán)網(wǎng)接線。雙電源在運(yùn)行過程中互為主備， 在一定程度上也可視為單電源輻射式接線。此時， 集中式光伏并網(wǎng)可將大型光伏電站與主接線連接， 進(jìn)行高壓遠(yuǎn)距離輸電。該并網(wǎng)發(fā)電時所有電能均輸送到配網(wǎng)后再統(tǒng)一調(diào)配， 起到了非常好的削峰填谷效果。

（2） 分布式并網(wǎng)。分布式光伏系統(tǒng)規(guī)模較小，先滿足用戶側(cè)用電后余電上網(wǎng)。分布式光伏并網(wǎng)可直接接入到主干線鏈路中， 就近上網(wǎng)， 如圖1 所示。

圖1 某10kV配網(wǎng)分布式光伏并網(wǎng)方案

上述并網(wǎng)過程中光伏電源靠近用戶側(cè)， 供電半徑大幅縮短， 減少了不必要的電能損耗。同時， 光伏電站與微電網(wǎng)靈活連接， 可在特殊條件下獨(dú)立運(yùn)行， 提升了用戶用電的可靠性， 在我國配網(wǎng)中已經(jīng)開始大規(guī)模推廣應(yīng)用。

2 作用機(jī)理

2.1 主要影響

受環(huán)境因素和技術(shù)因素的影響， 分布式光伏并網(wǎng)過程中很容易出現(xiàn)由光照強(qiáng)度差異、 接入位置差異造成的電壓波動、 震蕩諧波或出力不均衡等問題， 在一定程度上影響了配網(wǎng)運(yùn)行的安全性能和經(jīng)濟(jì)效益。其中：

（1） 電壓水平。分布式光伏并網(wǎng)可明顯改善配網(wǎng)的整體電壓水平， 增強(qiáng)配電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。通過光伏發(fā)電系統(tǒng)可在配網(wǎng)供需緊張的情況下， 滿足區(qū)域生產(chǎn)生活用電需求。同時， 還可避免配網(wǎng)故障引起的大面積斷電， 其對配網(wǎng)發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。

（2） 電壓波動。接入位置直接決定著光伏出力情況， 若接入位置過于靠近饋線末端， 此時接入點(diǎn)區(qū)域流通電流明顯加大， 線路損耗增加， 電壓波動明顯；光伏容量直接影響著光伏出力均衡程度， 其出力時的電壓值與光照強(qiáng)度由直接關(guān)系。若光照強(qiáng)度變化較大， 則光伏并網(wǎng)中的有功功率和無功功率差異較大，電壓波動明顯。

2.2 電壓計(jì)算

本次研究過程中主要以圖1 為例， 建立分布式光伏并網(wǎng)的恒功率靜態(tài)模型。此時， 配網(wǎng)中共含有n個節(jié)點(diǎn)， 其各接入點(diǎn)處光伏出力恒定、 三相對稱， 且工作于單位功率因數(shù)。

按照GB/T 12325-2008 中的要求， 220kⅤ及以下三相供電電壓偏差不可超過±7%， 0.22kⅤ單相供電電壓偏差不可超過+7%和-10%。計(jì)算過程中：

同時， GB/T 12325-2008 中規(guī)定， 35kⅤ及以下電壓波動限值如表1所示。

表1 電壓波動限值

可根據(jù)電壓偏差與標(biāo)稱電壓直接結(jié)算， 即：

2.2.1 未接入時的電壓情況

如圖1 所示， 低壓配網(wǎng)中N個用戶可等效為N 個負(fù)荷， 記系統(tǒng)低壓側(cè)電壓為UN， 各節(jié)點(diǎn)視在功率為PLn+jQLn（n= 1，2，3…N）， 各節(jié)點(diǎn)間線路阻抗為Rn+jXn（n= 1，2，3…N）。在無光伏接入時，流入負(fù)載的有功功率視為“+”值， 反之視為“-”值。

若配網(wǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)， 忽略線損時， 配網(wǎng)第 （i-1） 個節(jié)點(diǎn)和第i個節(jié)點(diǎn)間的電壓偏差為：

則矢量坐標(biāo)下， 配網(wǎng)正向鏈路的線電壓逐漸下降， 可將第i個節(jié)點(diǎn)處的電壓視為：

2.2.2 光伏并網(wǎng)后的電壓情況

在分布式光伏并網(wǎng)后， 配網(wǎng)主干線鏈路中接入光伏功率PVn， 此時， 第i個節(jié)點(diǎn)處光伏發(fā)電的有功功率與流入負(fù)載的有功功率方向相反， 會造成節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)明顯過電壓， 即：

整理后可視為：

對照光伏未接入時第i個節(jié)點(diǎn)的電壓負(fù)荷公式，可發(fā)現(xiàn)在分布式光伏并網(wǎng)后， 光伏電源可支撐正向上的饋線電壓。若接入位置靠近饋線末端， 節(jié)點(diǎn)過電壓問題明顯， 對配網(wǎng)線路安全運(yùn)行具有一定的影響， 在并網(wǎng)過程中應(yīng)全面重視。

同時， 根據(jù)光伏輸出功率和最大功率的波動關(guān)系， 將波動功率選取為最大功率的1/2， 可根據(jù)以上情景， 計(jì)算出分布式光伏并網(wǎng)時的不同容量引起的電壓波動為：

即分布式光伏并網(wǎng)總體容量一致時， 配網(wǎng)主干線鏈路中饋線末端的電壓偏差數(shù)值最大， 即分布式并網(wǎng)數(shù)量越多， 饋線末端電壓偏差越明顯； 分布式光伏并網(wǎng)容量越大， 配網(wǎng)主干線鏈路末端的電壓偏差數(shù)值越大， 電壓波動越明顯， 最大可達(dá)：

綜上所述， 分布式光伏并網(wǎng)可引起配網(wǎng)過電壓或電壓波動， 其接入位置與光伏容量與電壓偏差數(shù)值呈正相關(guān)。

3 仿真檢驗(yàn)

3.1 仿真操作

以某10kⅤ配網(wǎng)中的典型ⅠEEE-14 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)為例，對本次搭建的電壓偏差計(jì)算模型進(jìn)行檢驗(yàn)， 其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 某10kV配網(wǎng)中的IEEE-14節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)

上述網(wǎng)絡(luò)中共包括3 條饋線， 14 個節(jié)點(diǎn)。其中，節(jié)點(diǎn)1為電源節(jié)點(diǎn)， 饋線1中含節(jié)點(diǎn)2、 6、 5、 7； 饋線2中含節(jié)點(diǎn)3、 11、 8、 9、 10； 饋線3 中含節(jié)點(diǎn)4、 13、14、 12。

按照分布式光伏并網(wǎng)引起的配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差關(guān)系式， 在Matlab/Simulink 軟件中搭建仿真模型， 設(shè)置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中基準(zhǔn)電壓為23kⅤ， 基準(zhǔn)容量為100MⅤA，總負(fù)荷容量為28.7+j7.75MⅤA； 設(shè)置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的光伏陣列為CRM250S156P-60 型光伏電池， 其有功功率可達(dá)250W， 線電流為8.06A， 線電壓為31.0Ⅴ， 相電流為8.65A， 相電壓為37.8Ⅴ； 設(shè)置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)為同步PⅠ電流控制， 采用L 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)濾波器， 增強(qiáng)諧波抑制效果， 提升配網(wǎng)電壓偏差仿真的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2 檢驗(yàn)評估

（1） 未接入時的電壓檢驗(yàn)。在未接入分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)時， 饋線1、 2、 3中的各個節(jié)點(diǎn)電壓沿正向逐漸降低， 節(jié)點(diǎn)間存在明顯的電壓偏差， 仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致， 如圖3所示。

圖3 光伏未接入時各節(jié)點(diǎn)的電壓偏差

（2） 接入位置對電壓的影響檢驗(yàn)。在分布式光伏并網(wǎng)后， 根據(jù)接入位置的不同， 可發(fā)現(xiàn)在同一饋線上， 距離饋線末端的距離越近， 電壓偏差數(shù)值越大，如圖4所示。

圖4 不同接入位置時的電壓偏差

圖4 中， 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)分別從饋線1 的節(jié)點(diǎn)2、 5、 6、 7依次接入。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)2并網(wǎng)時， 此時節(jié)點(diǎn)2 處電壓偏差為2.12%， 節(jié)點(diǎn)5 處的電壓偏差為1.47%， 節(jié)點(diǎn)6 處的電壓偏差為2.25%， 節(jié)點(diǎn)7 處的電壓偏差為1.28%； 當(dāng)從節(jié)點(diǎn)5并網(wǎng)時， 節(jié)點(diǎn)2處電壓偏差為2.20%， 節(jié)點(diǎn)5處的電壓偏差為1.50%， 節(jié)點(diǎn)6處的電壓偏差為2.18%， 節(jié)點(diǎn)7處的電壓偏差為1.25%。對比觀察， 可確認(rèn)隨著并網(wǎng)位置遠(yuǎn)離線路首段， 電壓偏差逐漸增大， 并網(wǎng)點(diǎn)處電壓偏差受影響最明顯， 與計(jì)算結(jié)果一致。

（3） 接入容量對電壓的影響檢驗(yàn)。在分布式光伏并網(wǎng)后， 根據(jù)接入容量的不同， 可確定接入容量越大， 饋線末端電壓波動越大， 如圖5所示。

圖5 不同接入容量下的電壓偏差

圖5 中， 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)分別按照總有功負(fù)荷容量的25%、 35%、 45%、 55%接入。此時， 在不同光伏容量下節(jié)點(diǎn)2、 節(jié)點(diǎn)5、 節(jié)點(diǎn)6、 節(jié)點(diǎn)7的電壓偏差絕對值明顯上升， 電壓波動情況明顯， 尤其是靠近饋線末端的節(jié)點(diǎn)7電壓偏差幅度最大約6%， 其光伏容量與電壓偏差正相關(guān)， 與計(jì)算結(jié)果一致。

4 結(jié)束語

經(jīng)仿真結(jié)果驗(yàn)證： （1） 分布式光伏并網(wǎng)有助于提升配網(wǎng)的整體電壓水平； （2） 不同接入位置的電能質(zhì)量存在明顯差異， 尤其是在饋線末端接入后， 節(jié)點(diǎn)電壓波動較大， 配電穩(wěn)定性系數(shù)下降； （3） 光伏容量大時將直接引起各饋線節(jié)點(diǎn)電壓波動、 潮流諧振， 光伏容量越高， 電能質(zhì)量越差。

因此， 在分布式光伏并網(wǎng)過程中應(yīng)根據(jù)配網(wǎng)架構(gòu)、負(fù)荷容量等合理規(guī)劃， 充分考慮安全性、 可靠性、 穩(wěn)定性、 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)， 確定最佳接入點(diǎn)、 并網(wǎng)容量及運(yùn)行方式等。要重點(diǎn)關(guān)注分布式光伏并網(wǎng)后引起的電壓波動和諧波問題， 根據(jù)電壓偏差數(shù)值和潮流波動情況， 做好針對性并網(wǎng)防護(hù)。并配合智能監(jiān)測、 定期檢查等，及時發(fā)現(xiàn)分布式光伏并網(wǎng)運(yùn)行中的隱蔽風(fēng)險， 其具體方案如下：

（1） 合理規(guī)劃， 優(yōu)化接入位置。分布式光伏并網(wǎng)過程中要對接入位置進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算和分析， 充分考慮饋線結(jié)構(gòu)、 供電半徑、 負(fù)荷分布和出力情況， 合理協(xié)調(diào)供電半徑和饋線距離， 找出最佳接入點(diǎn)， 從而獲得最優(yōu)的并網(wǎng)場景。一般可按照某10kⅤ配網(wǎng)中的ⅠEEE-14 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格仿真驗(yàn)證的方法， 搭建分布式光伏并網(wǎng)模型， 在不同節(jié)點(diǎn)中輸入光伏負(fù)荷， 計(jì)算其對各節(jié)點(diǎn)電壓波動的影響， 通過橫向?qū)Ρ日业阶罴呀尤朦c(diǎn)即可。

（2） 調(diào)整容量， 保證出力均衡。為進(jìn)一步提升分布式光伏并網(wǎng)的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益， 在設(shè)置的過程中應(yīng)在滿足用戶側(cè)需求的基礎(chǔ)上盡量降低光伏容量，保證配網(wǎng)中火力發(fā)電、 光伏發(fā)電等均衡出力， 避免由光伏出力過高造成的電量冗余、 潮流波動等。除此之外， 在設(shè)置的過程中還需保留適當(dāng)余量， 必要時可設(shè)置調(diào)壓裝置， 使光伏并網(wǎng)時的電壓偏差在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)， 從而增強(qiáng)光伏接入的穩(wěn)定性和可靠性。

（3） 加強(qiáng)管理， 做好控制防護(hù)。分布式光伏并網(wǎng)時會對配網(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯沖擊， 造成配網(wǎng)電壓波動、過電壓等問題。在上述管理過程中， 應(yīng)做好保護(hù)裝置的設(shè)置， 如增加反饋調(diào)節(jié)裝置、 安裝諧波抑制裝置、設(shè)計(jì)自動監(jiān)測系統(tǒng)等， 從根本上改善配網(wǎng)運(yùn)行的安全性、 可靠性和穩(wěn)定性。如按照分布式光伏并網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)， “35kⅤ公共連接點(diǎn)電壓正、 負(fù)偏差的絕對值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%； 20kⅤ及220Ⅴ單相公共連接點(diǎn)電壓偏差不超過標(biāo)稱電壓的+7%、-10%”。在電壓偏差超過閾值后， 應(yīng)逐一進(jìn)行接入點(diǎn)、 接入容量、 開關(guān)裝置、 保護(hù)裝置的檢查， 確定接入方案、 保護(hù)裝置等是否存在異常， 及時進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整， 保證電壓偏差在正常范圍內(nèi)， 避免由異常波動造成的用電故障。