光伏電站接網電壓調節(jié)研究

劉瀟

摘 要：徐大堡核電現(xiàn)場光伏采取自發(fā)自用余量上網的方式。在此種模式下，光伏電站并網可能會引起潮流改變，造成光伏發(fā)電站的并網點處電壓升高。本文以此為出發(fā)點，根據(jù)現(xiàn)場供電方式建立了等效電路模型，推導出并網點電壓與光伏電站輸出功率、現(xiàn)場負荷、無功補償容量之間的關系，以此結合實際情況選擇靜止無功發(fā)生器進行調壓，驗證了有效性的同時，計算出在極限情況下光伏系統(tǒng)輸出功率的大小，為評估不同負荷下并網點電壓偏移情況提供了參考。

關鍵詞：電能質量 電壓偏移 調壓措施

中圖分類號：TM93 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（b）-0043-03

隨著大規(guī)模光伏電站并網運行，光伏發(fā)電容量所占系統(tǒng)總容量有所提高，對電力系統(tǒng)的影響也越來越大。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)輸配電電網設計為從發(fā)電單元到負荷的單向輸電系統(tǒng)，大規(guī)模光伏電站并網運行，有可能引起潮流逆流等問題，導致光伏并網點電壓升高或過電壓[1]。電壓升高會影響對負荷供電的電能質量，減少設備的使用壽命、造成損壞，甚至引起電力系統(tǒng)崩潰，造成大面積停電。因此，通過采取電壓調節(jié)方法盡量減小電壓升高，使其電壓盡量接近額定電壓，就顯得尤為重要。

1 電壓升高建模分析

1.1 現(xiàn)場運行模式

徐大堡10kV臨時施工電源（核電線）于2010年12月正式投入運行，接入興城市東辛莊變電站。電源線路總長度為13.022km，其中電纜長度為0.345km，架空線路長為12.677km，線路導線采用LJ-240鋁絞線，單回供電。現(xiàn)場初期僅由這一條10kV核電線對主廠區(qū)及廠前區(qū)進行供電，后廠區(qū)內建設220kV電源及光伏電源，現(xiàn)場供電方式經過歷次變遷，目前供電方式為：由220kV開關站向3個電氣施工環(huán)網供電，保證主廠區(qū)施工活動用電；光伏發(fā)電一部分供應廠前區(qū)調試檢修樓、檢修食堂、檢修公寓、宣展中心等用負荷用電，其余部分輸送至電網。即光伏發(fā)電在保證滿足廠前區(qū)用電需求的前提下，采取發(fā)電余量上網的方式。具體運行方式為：在白天，光伏發(fā)出的直流電經逆變器轉換為315V交流電，后經過升壓變壓器送至10kV核電Ⅰ段母線，由10kV核電線Ⅱ段母線經#258號桿將電能送至電網，經#259號桿將電能送至動力站10kV母線，由此供應廠前區(qū)用電；夜晚，電網經過10kV核電線Ⅱ段母線反向送電至10kV動力站，供應廠前區(qū)負荷用電。供電情況如圖1所示。

1.2 線路建模計算

對圖1進行簡化，可以得到現(xiàn)場光伏并未運行的戴維南等效電路，如圖2所示。

圖2中為電網電壓，可以認為電網是一個無窮大系統(tǒng)，其電壓幅值||基本恒定不變；為從并網點至東辛莊站10kV線路總阻抗，其中R為電阻分量，X為電抗分量，架空線路阻抗偏感性，P表示電網向負載方向傳輸?shù)挠泄β?，Q為電網向負載輸出的無功功率；為光伏接入電網點（point of common coupling，PCC點）的電壓，PG及QG表示光伏電站向PCC點輸送的功率[2]；PL與QL分別為廠前區(qū)負載的有功與無功功率；TC為在PCC點接入的無功補償裝置。根據(jù)圖2可知，電網向PCC點方向傳輸?shù)墓β蕿椋?/p>

根據(jù)公式（5）可以看出，由于線路阻抗的存在，當光伏電站向電網輸送有功功率時會引起并網點電壓U2值增加。在負荷較輕的情況下，電壓升高的情況尤為嚴重，當其值超過我國GB 12325-2008《電能質量-供電電壓允許偏差》中10kV系統(tǒng)電壓偏差在額定值的±7%這一要求[3]，造成輸配電線路和變壓器等設備過載、加快老化，較少使用壽命，降低系統(tǒng)供電可靠性。

2 電壓調節(jié)策略選擇

2.1 調壓方式

由于逆變器一般運行在恒定功率因數(shù)的情況下，目前電力系統(tǒng)主要的調壓措施有改變變壓器變比調壓、利用無功補償設備調壓等。

改變變壓器變比調壓是根據(jù)改變變壓器分接頭的檔位從而改變輸出電壓的一種方式，有無載調壓變壓器與有載調壓變壓器兩種。利用無功補償設備進行調壓，是通過向電網提供無功電源，從而改變系統(tǒng)中無功功率分部的方式進行調壓，可作為無功電源的有電容器、調相機、靜止無功補償器、靜止無功發(fā)生器等。

2.2 比較與選擇

無載調壓價格便宜，但必須在變壓器斷開電源的情況下進行操作；有載調壓可以在變壓器帶有負載時進行調壓，調壓范圍較無載調壓范圍大，但價格較高，經濟性差。以上兩種方式根據(jù)分接頭檔位調節(jié)電壓大小，不能連續(xù)調壓，且當在系統(tǒng)電源無功不充足時，會造成系統(tǒng)無功缺額加大，造成系統(tǒng)電壓水平進一步降低。因光伏發(fā)電是直流電源，不提供無功，盡量不采用以上調壓方式。

無功補償設備調壓中，并聯(lián)電容器通過減小傳輸?shù)臒o功功率來提高負荷端電壓，需要根據(jù)負荷的變化進行頻繁的分組投入或切除操作，且因并聯(lián)電容輸出量與電壓平方成正比[4]，電網電壓降低，此種方式的調節(jié)能力也降低。與并聯(lián)相對應的串聯(lián)電容器，利用其自身電壓降與線路壓降相互抵償，其優(yōu)勢在于調壓作用隨著負荷變化可以自動連續(xù)調整，但這種方式未改變輸電線路上的無功輸送容量，只提高了末端電壓，提高了負荷的電壓而造成負荷消耗無功增加，使線損增加，同時還會產生如鐵磁諧振等異常現(xiàn)象，對設備造成損害，因此目前應用較少。

靜止無功補償器（SVC）是利用電容器和各類電抗器進行無功補償?shù)难b置，可控的電抗器吸收感性無功，電容器發(fā)出容性無功。通過對電抗器進行調節(jié)，使整個裝置平滑地從發(fā)出無功功率改變到吸收無功功率，并快速反應[5]。但補償器自身會產生諧波，需要有配套的濾波器，增加了投入。靜止無功發(fā)生器（SVG），采用可關斷的IGBT組成橋式電路，經過電抗器并聯(lián)至電網，通過調節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，迅速吸收或發(fā)出所需的無功，實現(xiàn)快速動態(tài)調節(jié)。相較于SVC無功補償裝置，SVG具有運行范圍大、諧波量小、連接電抗小、可控性好、調節(jié)速度快，這也是目前現(xiàn)場實際配置的無功補償裝置。

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)推導

根據(jù)《光伏發(fā)電站無功補償技術規(guī)范要求》中規(guī)定光伏逆變器功率因數(shù)應在超前或滯后0.95范圍內，由公式（5）（6）可以分析得出當現(xiàn)場負荷為0，光伏逆變器功率因數(shù)為0.95，SVG不提供補償容量時，可以計算得出此時若向電網輸送功率2374kW，PCC點電壓此時為10.7kV，處于電壓允許偏差的邊緣。現(xiàn)場SVG容量為1000kVar，當其補償780kVar時，PCC點電壓為10.4kV，可見，通過SVG補償部分無功，可有效調節(jié)PCC點的電壓，改善電壓質量。

4 結語

本文從光伏系統(tǒng)輸送功率引起并網點電壓升高這點出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)場的供電方式建立了相應的等效電路模型，并以此推導出了并網點電壓與光伏系統(tǒng)輸送功率、現(xiàn)場負荷、無功補償容量之間的數(shù)學關系，并根據(jù)現(xiàn)場情況進行了計算分析，結果表明，通過SVG裝置進行無功補償，可有效調節(jié)PCC點電壓，改善電壓質量。

參考文獻

[1] 黃欣科，王環(huán)，王一波，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)并網點電壓升高調節(jié)原理及策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2014（3）：112-117.

[2] 唐輝.大型光伏電站電能質量分析與治理方案研究[D].長沙：湖南大學，2013.

[3] GB/T 12325-2008，電能質量 供電電壓允許偏差[S].

[4] 王金峰.淺談油田電網無功補償技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國化工貿易，2015（34）：257.

[5] 楊志剛.配電網中無功補償技術的探討[J].知識經濟，2014（11）：91.endprint