陳云鋒 丁 寧

（1.云南省電力建設(shè)公司，昆明 650041；2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 100192）

近年來，中國光伏發(fā)電工程呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢，大力促進(jìn)以光伏發(fā)電為代表的新能源的開發(fā)和利用是解決當(dāng)前面臨的能源短缺危機(jī)和緩解環(huán)保壓力的有效措施[1-2]。2002年，原國家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)啟動(dòng)了大規(guī)模的邊遠(yuǎn)地區(qū)電氣化“送電到鄉(xiāng)”工程，在西部七省區(qū)共建成了721座光伏和風(fēng)光互補(bǔ)電站，裝機(jī)容量約1.5萬kW，解決了大約130萬人口的基本生活用電問題[3]。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國的太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)已具備相當(dāng)?shù)囊?guī)模，技術(shù)條件已趨于成熟，太陽能利用將是我國能源變革可行的解決方案。

我國某地區(qū)太陽能資源豐富，省內(nèi)各地區(qū)全年平均日照時(shí)數(shù)在960～2840h之間、太陽輻射總量在3620～6682MJ/m2之間；全省年平均太陽能輻射總量大于5000MJ/m2的地域約占全省總面積的90%。有 59個(gè)縣的年太陽總輻射在 5500MJ/m2以上，有12個(gè)縣在6000MJ/m2.a以上[4]。

由于太陽能光伏發(fā)電屬于能量密度低、穩(wěn)定差，調(diào)節(jié)能力差的能源，發(fā)電量受天氣及地域的影響較大，并網(wǎng)發(fā)電后會(huì)對電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成一定影響，因此需在規(guī)劃階段進(jìn)行充分詳實(shí)的分析計(jì)算，以便確定有利于系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)劃方案。本文以某光伏電站接入系統(tǒng)為例，開展了對光伏電站接入對區(qū)域電網(wǎng)影響的專題研究，以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 光伏電站模型

光伏電池等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池的等效電路

Iph為光生電流，其值正比于光伏電池的面積和入射光的光照強(qiáng)度；IL為光伏電池輸出的負(fù)載電流；U為負(fù)載兩端的電壓；無光照情況下，光伏電池的基本行為特性類似于一個(gè)普通二極管，UD表示等效二極管的端電壓，ID為流經(jīng)二極管的電流；RL為電池的外負(fù)載電阻；電路中等效串聯(lián)電阻Rs由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻、電極與硅表面間接觸電阻和金屬導(dǎo)體電阻等組成；等效并聯(lián)電阻Rsh由電池表面污濁和半導(dǎo)體晶體缺陷引起的漏電流所對應(yīng)的P-N結(jié)漏泄電阻和電池邊緣的漏泄電阻等組成。

在特定的太陽光照強(qiáng)度和溫度下，當(dāng)負(fù)載RL從0變化到無窮大時(shí)，輸出電壓U范圍在0到Uoc之間變化，同時(shí)輸出電流范圍在Uoc到 0之間變化，由此得到電池的輸出特性曲線，如圖2所示?？梢钥闯?，在一定的光照強(qiáng)度和溫度下，光伏電池輸出的電壓、電流在一條曲線上移動(dòng)，輸出的功率P也在變化。光伏電池工作環(huán)境的多種外部因素，如光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、粒子輻射等都會(huì)影響電池的性能指標(biāo)，而且溫度的影響和光照強(qiáng)度的影響還常常同時(shí)存在。

圖2 光伏電池的輸出特性

2 光伏電站接入系統(tǒng)方案

該光伏電站總的規(guī)劃場址面積為8570畝，一期電站規(guī)模為 50MW，25年總發(fā)電量為 177448萬kW·h，年平均發(fā)電量約為7097萬kW·h，最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為1419h。

光伏電站工程設(shè)計(jì)了50個(gè)1000kWp單晶硅光伏發(fā)電單元系統(tǒng)，采用180Wp固定式單晶硅太陽電池組件配置 500kW 并網(wǎng)逆變器。每 2個(gè) 500kWp光伏發(fā)電單元系統(tǒng)組成 1個(gè) 1MWp光伏發(fā)電分系統(tǒng)，以此形成一個(gè)1MWp光伏發(fā)電分系統(tǒng)方陣。項(xiàng)目內(nèi) 50MWp光伏發(fā)電系統(tǒng)電能匯至一組 10kV配電裝置后經(jīng)一臺容量為 50MVA主變壓器升壓至110kV。

該光伏電站并網(wǎng)方案為：以1回110kV線路“T”接至地區(qū)110kV線路上，線路長度約7km，導(dǎo)線截面選擇 240mm2。光伏電站接入系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 光伏電站接入系統(tǒng)示意圖

3 對區(qū)域電網(wǎng)的影響分析

3.1 無功電壓分析

一般電網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，電壓沿饋線潮流方向逐漸降低。接入光伏電源后，由于饋線上傳輸功率減少，各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓被抬高，可能導(dǎo)致電壓偏移超標(biāo)。午間陽光充足的情況下，光伏電站出力較大，若線路輕載，光伏電站接入點(diǎn)的電壓會(huì)被明顯抬高[4]。

本節(jié)將從光伏電站接入對電網(wǎng)的潮流分布和無功電壓影響方面著手，對光伏電站出力變化引起的系統(tǒng)潮流變化進(jìn)行計(jì)算分析，得到其并網(wǎng)運(yùn)行對電網(wǎng)潮流和節(jié)點(diǎn)電壓的影響。

豐小方式下，隨著光伏電站出力的增加，電網(wǎng)相關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓、線路負(fù)載率及光伏電站吸收無功的變化如圖4所示。

圖4 豐小方式下隨光伏電站出力增加相關(guān)參量變化曲線

圖中電壓基準(zhǔn)值分別為115kV和230kV。從圖中可以看出，隨著光伏電站出力的增加，電網(wǎng)內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)變電站的母線電壓呈現(xiàn)下降的趨勢，光伏電站出口110kV母線為略有上升。同時(shí)，光伏電站滿發(fā)時(shí)從系統(tǒng)中吸收的無功功率約為9.2Mvar。

3.2 穩(wěn)定性分析

光伏電站作為分布式電源，其出力水平由所處環(huán)境的光照強(qiáng)度和溫度等決定，不同季節(jié)不同時(shí)段光伏電站出力都在變化，這種間歇式電源接入電網(wǎng)將會(huì)對電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。光伏電站接入大電網(wǎng)后，由于電站容量相對較小，其接入不會(huì)對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性造成大的影響[5]。

本節(jié)分析了光伏電站滿發(fā)情況下，電網(wǎng)發(fā)生輸電線路三相短路、單相瞬時(shí)短路、單相永久短路、母線故障、光伏電站出力驟降等故障后的暫態(tài)過程，得到該光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，如故障點(diǎn)與光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電氣距離較近（例如節(jié)點(diǎn)3的110kV母線—T接點(diǎn)線路三相短路、節(jié)點(diǎn)2的110kV母線和節(jié)點(diǎn) 3的 110kV母線故障等），并網(wǎng)點(diǎn)電壓在故障發(fā)生后降至低于0.2pu，從而超出低電壓穿越能力而使得光伏電站退出運(yùn)行。其他情況下，光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響不大。圖5給出了光伏電站出力驟降相關(guān)參量變化曲線。

圖5 光伏電站出力驟降相關(guān)參量變化曲線

3.3 電能質(zhì)量影響分析

1）光伏電站可能引起的電能質(zhì)量問題

并網(wǎng)光伏電站由于存在DC-AC變換環(huán)節(jié)，需要采用大功率電力電子變換器件進(jìn)行光伏并網(wǎng)控制，故其性能參數(shù)直接關(guān)系到光伏發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。光伏發(fā)電有以下特點(diǎn)：

（1）現(xiàn)有主要的光伏并網(wǎng)逆變器的控制方式為電壓源電流控制，即輸入側(cè)為電壓源，輸出為電流源控制，通過控制輸出電流以跟蹤并網(wǎng)點(diǎn)電壓。一般輸出為純有功功率，即功率因數(shù)為 1，不提供無功支持。

（2）為有效利用太陽能，并網(wǎng)逆變器輸出功率控制策略為最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），不具備功率調(diào)節(jié)能力。

（3）光伏發(fā)電輸出受天氣影響很大，尤其在多云天氣，發(fā)電功率會(huì)出現(xiàn)快速劇烈變化，發(fā)電功率的最大變化率超過10%額定出力/秒（%Pn/s）,其變化頻率為數(shù)次到數(shù)十次/小時(shí)。

（4）逆變器輸出輕載時(shí)，諧波含量會(huì)明顯變大，在10%額定出力以下時(shí)，電流THD甚至?xí)_(dá)到20%以上。

2）電能質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算

本節(jié)將根據(jù)文獻(xiàn)[6-9]對主要電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

（1）電壓偏差

光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行，出力隨時(shí)發(fā)生變化，功率經(jīng)過線路和變壓器傳輸時(shí)造成線路和變壓器首末端電壓出現(xiàn)差值，引起系統(tǒng)電壓偏差，同時(shí)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)隨著運(yùn)行方式發(fā)生改變也會(huì)影響電壓偏差。光伏電站功率和電壓降的關(guān)系如圖6所示。

圖6 光伏電站接入系統(tǒng)簡化模型

得出送電線路上的電壓降

式中，P、Q為送電線路出口送出的有功功率、無功功率；R、X為送電線路的電阻、電抗；U1為送電線路出口的實(shí)際運(yùn)行電壓；ΔU為送電線路上的電壓降。

在系統(tǒng)四種運(yùn)行方式下，光伏電站從零到滿發(fā)狀態(tài)下，電網(wǎng)主要節(jié)點(diǎn)電壓偏差見表1?？梢钥闯?，該光伏電站的出力變化引起的各節(jié)點(diǎn)電壓正、負(fù)偏差的絕對值之和均不超過 5%，最大電壓偏差為0.9%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 系統(tǒng)四種運(yùn)行方式下主要節(jié)點(diǎn)的電壓偏差

（2）諧波

根據(jù)國標(biāo)對諧波電流限值進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)光伏電站采用的逆變器的檢驗(yàn)報(bào)告中諧波電流含量對光伏電站可能發(fā)射的諧波含量進(jìn)行計(jì)算，并通過電力系統(tǒng)諧波分析軟件計(jì)算得到了相應(yīng)公共連接點(diǎn)的諧波電壓值，結(jié)果見表2和表3（只給出含量較大的諧波次數(shù)）。

表2 光伏電站注入諧波電流含量（A）

表3 光伏電站注入諧波電壓含有率（%）

4 結(jié)論

1）考慮到光伏電站應(yīng)具備一定的無功電壓調(diào)節(jié)能力，為了減小光伏電站出力對電網(wǎng)電壓的影響、增加無功電壓調(diào)節(jié)能力，建議在光伏電站升壓變低壓側(cè)安裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

2）在光伏電站接入電網(wǎng)后，系統(tǒng)電壓偏差最大為0.9%，電壓總諧波畸變率為0.17%，不會(huì)對區(qū)域電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生大的影響，而且在光伏電站異常切除時(shí)，電網(wǎng)能切除故障保持各節(jié)點(diǎn)母線電壓恢復(fù)穩(wěn)定。

[1]CARRASCO J M, FRANQUELO L G, BIALASIEWICZJ T, et a1.Power electronics systems for the grid integration of renewable energy sources： a survey[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006,53(4)： l002-1016.

[2]李乃永,梁軍,趙義術(shù).并網(wǎng)光伏電站的動(dòng)態(tài)建模與穩(wěn)定性研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011, 31 (10)：12-18.

[3]高虎,趙勇強(qiáng).“送電到鄉(xiāng)”項(xiàng)目用戶電力消費(fèi)和需求調(diào)查分析[J].可再生能源.2006(3)：6-8.

[4]云南省太陽能資源評價(jià)報(bào)告[R].昆明：云南省氣候中心.

[5]趙波.大量分布式光伏電源接入對配電網(wǎng)的影響研究[J].浙江電力.2010(6)： 5-8.

[5]許曉艷.并網(wǎng)光伏電站模型及其運(yùn)行特性研究[D].中國電力科學(xué)研究院碩士論文, 2009.

[6]GB/T 12325—2008,電能質(zhì)量供電電壓允許偏差[s].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.

[7]GB/T 14549—1993,電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[s].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1993.

[8]GB/T 19939—2005,光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求[s].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2005.

[9]GB/Z 19964—2005,光伏電站接入電力系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)定[s].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2005.