分布式光伏電源并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的分析

梁永超（廣東電網(wǎng)有限責任公司湛江供電局，廣東湛江524001）

分布式光伏電源并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的分析

梁永超（廣東電網(wǎng)有限責任公司湛江供電局，廣東湛江524001）

本文以光伏電站60MWp項目并入電網(wǎng)對接入點電能質(zhì)量干擾水平進行分析。通過仿真分析，對光伏電站并網(wǎng)后接入系統(tǒng)的無功、電壓分析，研究光伏電站對并網(wǎng)點電壓無功的影響，分析光伏電站引起的電壓偏差；提出合理的無功補償推薦方案和控制措施。

分布式光伏電源；并網(wǎng)；電能質(zhì)量；無功補償；控制措施

1 引言

光伏電站在并網(wǎng)運行中，在零或低出力方式下，大型光伏電站內(nèi)各類電纜和變壓器對并網(wǎng)點無功潮流和電壓水平有所影響；而隨著發(fā)電功率上升，其逆變器可以根據(jù)需要發(fā)出或吸收一定量的無功功率，從而使大型光伏電站對并網(wǎng)點無功潮流和電壓水平有一定調(diào)節(jié)能力；另一方面，光伏電站內(nèi)逆變器將直流變交流過程中，其換流環(huán)節(jié)會產(chǎn)生高次諧波注入電網(wǎng)；而天空云量的變化則會引起太陽能電池組件發(fā)出的電量變化導致電網(wǎng)電壓波動。上述因素會影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。

2 光伏電站對電能質(zhì)量影響

光伏電站作為新興能源發(fā)電的一種，光照、溫度等外部條件隨機性、間歇性、周期性的變化是光伏電站對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的最主要因素。光伏發(fā)電系統(tǒng)通過光伏逆變器并網(wǎng)，逆變器質(zhì)量的優(yōu)劣，也決定光伏電站輸送電能品質(zhì)的好壞。光伏電站并網(wǎng)運行時會產(chǎn)生諧波、電壓波動與閃變、三相電壓不對稱、功率因數(shù)低等問題，使電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，對電網(wǎng)造成不利影響，嚴重時會干擾供用電系統(tǒng)及光伏設備自身的安全穩(wěn)定運行。

2.1 諧波干擾及危害

光伏電站產(chǎn)生的諧波主要來源于光伏逆變器，其注入電網(wǎng)主要為較高次的諧波。諧波對電網(wǎng)及電氣設備的危害如下：①諧波對旋轉(zhuǎn)電機的主要影響是引起附加損耗，其次是產(chǎn)生機械振動、噪聲和諧波過電壓。②諧波電流不但引起變壓器繞組附加損耗、發(fā)熱。諧波使變壓器噪聲增大，諧波源造成的流經(jīng)變壓器的諧波電流在諧振條件下可能損害變壓器。③交流電網(wǎng)的電壓畸變可能引起常規(guī)變流器控制角的觸發(fā)脈沖間隔不等，并通過正反饋而放大系統(tǒng)的電壓畸變，使整流器的工作不穩(wěn)定，甚至損壞換相設備。④諧波對繼電保護和自動控制裝置產(chǎn)生干擾，造成誤動和拒動。

2.2 電壓波動和閃變

頻率在1～10Hz之間的電壓波動會引起照明白熾燈和電視畫面的閃爍，使人們感到煩躁，這類干擾稱之為“閃爍”或“閃變”（Flicker）。強烈的閃爍會造成電機轉(zhuǎn)動不穩(wěn)定，電子裝置誤動作甚至損壞，閃爍是對電網(wǎng)的一種公害。

2.3 三相電壓不平衡

光伏電站并網(wǎng)運行引起電網(wǎng)供電質(zhì)量變差的另一個問題是逆變器三相觸發(fā)不對稱及缺相導致并網(wǎng)點三相電壓的不對稱，這一問題主要在故障情況下發(fā)生。光伏電站輔助系統(tǒng)中單相負荷很小，其引起的三相電壓不平衡度可以忽略不計。負序?qū)╇娤到y(tǒng)及設備的危害如下：①造成電力系統(tǒng)繼電保護裝置中負序啟動元件的誤動；②造成發(fā)電機和工廠異步電動機發(fā)熱和振動。

3 模型建立及分析

3.1 光伏電站等值模型

該光伏電站實際發(fā)電容量60MWp，分為36個光伏發(fā)電子方陣。每個光伏發(fā)電子方陣安裝1臺升壓箱式變和8臺交流匯流箱，每臺匯流箱下設置6臺40kW組串逆變器。每個光伏發(fā)電子方陣升壓后由4路35kV集電線路電纜接入升壓站，共計36個集電點。對每個光伏發(fā)電子方陣進行整理后對其進行等值如表1。

表1 單個光伏發(fā)電子方陣等值一覽表

圖1 光伏電站等值網(wǎng)絡

圖2 光伏系統(tǒng)接入湛江電網(wǎng)地理接線圖

3.2 光伏電站無功特性分析

對京能光伏電站接入電網(wǎng)后的系統(tǒng)潮流進行計算分析，以分析光伏電站能否可靠并網(wǎng)，并驗證光伏電站并網(wǎng)運行是否引起系統(tǒng)電壓水平變化超出限值，以保證電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。仿真計算按照京能光伏電站等值網(wǎng)絡圖1進行。

得出結論如下：在并網(wǎng)點可能的電壓范圍內(nèi)，當光伏逆變器功率因數(shù)0.95（超前）時，光伏電站滿出力運行時發(fā)出的感性無功功率在24.942～26.580MVar之間；當光伏逆變器功率因數(shù)0.95（滯后）時，光伏電站滿出力運行時發(fā)出的容性無功功率在11.524～12.731MVar之間。

3.3 電能質(zhì)量計算及分析

就光伏電站并網(wǎng)運行對電能質(zhì)量的影響作計算分析，按國家電能質(zhì)量標準相關要求規(guī)定：進行上述計算分析應考慮京能光伏電站在電網(wǎng)小方式最小短路容量的運行方式，以掌握影響最嚴重時電網(wǎng)公共連接點（考核點）的電能質(zhì)量水平。

3.3.1 電壓偏差

該光伏電站并網(wǎng)點的額定電壓為110kV，設定光伏電站零出力時（并網(wǎng)開關跳開）并網(wǎng)點電壓為額定電壓（1.0pu）。當全部光伏逆變器零出力時，并網(wǎng)點電壓偏差為+0.03%，見表9-1。當全部光伏滿出力，逆變器功率因數(shù)在0.95（超前）至1.0至0.95（滯后）運行時，計算并網(wǎng)點潮流，結果見表2。

表2 光伏電站滿出力且功率因數(shù)在0.95（超前）～0.95（滯后）運行時并網(wǎng)點潮流數(shù)據(jù)

功率波動造成的電壓波動不可能疊加，但其引起的閃變值卻是其電壓波動在一段時間內(nèi)疊加的累計效果，與電壓波動值的大小和頻度相關。不同波動頻度的電壓波動引起的閃變值也不相同。根據(jù)國標《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》推薦的Pst=1曲線，可進行不同頻度電壓波動的閃變值估算，Pst=1曲線見圖3所示。

圖3 周期性矩形（或階躍波）電壓變動的單位閃變（Pst=1）曲線

該光伏電站在夏季額定出力時，最大出力變化21MW。根據(jù)潮流計算結果，在邁陳站110kV母線PCC點的無功功率變化量見表3，以此為最嚴重情況考慮計算京能光伏電站電壓波動和閃變理論值。

表3 110kV母線電壓波動和閃變計算一覽表

對比國標求得的電壓波動和閃變限值可知，該光伏電站在110kV1#母線PCC點引起的電壓波動值為3.26%，大于2.5%的國家標準限值；閃變值0.648，小于限值0.787，滿足國標要求。

3.3.2 諧波計算與分析

根據(jù)該光伏電站接入電網(wǎng)等值網(wǎng)絡仿真模型，仿真計算光伏電站可能注入電網(wǎng)的諧波電流和可能引起的電網(wǎng)各次諧波電壓含有率、電壓總諧波畸變率。

計算表明，光伏電站滿出力且光伏逆變器功率因數(shù)為1.00的工況下，光伏電站注入并網(wǎng)點的13、17、19、23、25次諧波電流大于國標限值；23、25次諧波電壓畸變率大于國標限值，諧波總畸變率達到3.48%，大于2.0%國標限值。

表4

3.3.3 三相不平衡度

依據(jù)國標《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》和能源行業(yè)標準《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術規(guī)范》（NB/T32004-2013）第7.7.3.2中規(guī)定，光伏逆變器應具備交流缺相保護的功能，即“逆變器交流輸出缺相時，逆變器自動保護，并停止工作，正確連接后逆變器應能正常運行”。由此可知，光伏電站各光伏發(fā)電子單元不可能出現(xiàn)缺相故障運行的狀態(tài)，即光伏電站為三相對稱運行，不會向電網(wǎng)注入負序電流。光伏電站輔助系統(tǒng)中單相負荷很小，其引起的三相電壓不平衡度可以忽略不計。因此，京能光伏電站運行過程中不會導致邁陳站110kV 1#母線的三相電壓不平衡。即京能光伏電站在考核點引起的三相電壓不平衡度在合格范圍內(nèi)。

3.4 仿真分析結果

該光伏電站接入湛江電網(wǎng)后的電能質(zhì)量進行了分析，得出如下結論：①京能光伏電站在邁陳站110kV母線并網(wǎng)點電壓正常范圍運行時，在不考慮無功補償措施情況下，光伏逆變器出力從0%出力至100%滿發(fā)，以及功率因數(shù)從0.95（超前）至0.95（滯后），京能光伏電站在并網(wǎng)點邁陳站110kV母線的電壓變化都在-1.20%～+2.48%范圍之內(nèi)運行，滿足國家標準對系統(tǒng)電壓允許偏差的要求。②京能光伏電站在邁陳站110kV母線并網(wǎng)點引起的電壓波動值為3.26%，大于2.5%的國家標準限值；閃變值0.648，小于限值0.787，滿足國標要求。③京能光伏電站在邁陳站110kV母線并網(wǎng)點的諧波狀況為：諧波電壓總畸變率3.48%，大于2%的國標限值，其中23、25次諧波電壓畸變率大于國標限值；注入電網(wǎng)的17、19、23、25次諧波電流幅值大于國標限值。④京能光伏電站在邁陳站110kV母線并網(wǎng)點的三相電壓不平衡度低于1.3%國標限值，滿足電能質(zhì)量國標要求。

4 電能質(zhì)量控制措施

綜上所述，京能光伏電站應采取適當補償措施，以減小電壓波動，抑制諧波，控制并網(wǎng)點的無功潮流，使得京能光伏電站運行滿足 《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》（GB/ T19964－2012）的要求。

無功補償裝置有兩種：TCR型動態(tài)無功補償裝置SVC、動態(tài)無功發(fā)生器SVG。針對光伏電站動態(tài)無功補償應配置的無功容量進行計算。

控制方案中 20MVar的 SVG其無功補償容量為± 20MVar，投入后動態(tài)無功補償范圍從感性20Mvar到容性20MVar。可完全滿足光伏電站（包括110kV出線）的無功需求，在保障最佳發(fā)電方式（光伏逆變器功率因數(shù)為1.00）下，提高光伏電站并網(wǎng)點無功電壓控制能力，并優(yōu)化光伏電站運行的電壓質(zhì)量，保證電網(wǎng)連接點的電壓波動滿足國標要求。

5 結論

經(jīng)分析，建議使用SVG作為電壓無功動態(tài)補償控制方式，在光伏電站110kV升壓站35kV母線上安裝20MVar的SVG裝置。該方案可以大大提高光伏電站并網(wǎng)點的電壓和無功控制能力，保證光伏電站在并網(wǎng)點 （110kV邁陳變電站1#母線）的電壓波動值小于國標限值2.5%，諧波電流和諧波電壓滿足國家標準的要求。并提供動態(tài)的電壓支撐，提高光伏電站低電壓功率穿越能力，改善系統(tǒng)的運行性能，提高光伏電站發(fā)電效率。

[1]廣東電網(wǎng)公司湛江供電局“十三五”電網(wǎng)規(guī)劃.

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TM711

A

2095-2066（2016）36-0066-03

2016-12-12

梁永超（1984-），男，電氣工程師，本科，主要從事變電運行工作。