梁永超（廣東電網(wǎng)有限責(zé)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(zé)任公司湛江供電局，廣東湛江524001）

本文以光伏電站60MWp項(xiàng)目并入電網(wǎng)對接入點(diǎn)電能質(zhì)量干擾水平進(jìn)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(diǎn)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(bǔ)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(bǔ)償；控制措施

1 引言

光伏電站在并網(wǎng)運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)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(huì)產(chǎn)生高次諧波注入電網(wǎng)；而天空云量的變化則會(huì)引起太陽能電池組件發(fā)出的電量變化導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)。上述因素會(huì)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(jī)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(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波、電壓波動(dòng)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(yán)重時(shí)會(huì)干擾供用電系統(tǒng)及光伏設(shè)備自身的安全穩(wěn)定運(yùn)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(shè)備的危害如下：①諧波對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的主要影響是引起附加損耗，其次是產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、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(shè)備。④諧波對繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生干擾，造成誤動(dòng)和拒動(dòng)。

2.2 電壓波動(dòng)和閃變

頻率在1～10Hz之間的電壓波動(dòng)會(huì)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(qiáng)烈的閃爍會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定，電子裝置誤動(dòng)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(yùn)行引起電網(wǎng)供電質(zhì)量變差的另一個(gè)問題是逆變器三相觸發(fā)不對稱及缺相導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)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(fù)荷很小，其引起的三相電壓不平衡度可以忽略不計(jì)。負(fù)序?qū)╇娤到y(tǒng)及設(shè)備的危害如下：①造成電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置中負(fù)序啟動(dòng)元件的誤動(dòng)；②造成發(fā)電機(jī)和工廠異步電動(dòng)機(jī)發(fā)熱和振動(dòng)。

3 模型建立及分析

3.1 光伏電站等值模型

該光伏電站實(shí)際發(fā)電容量60MWp，分為36個(gè)光伏發(fā)電子方陣。每個(gè)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(shè)置6臺40kW組串逆變器。每個(gè)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(jì)36個(gè)集電點(diǎn)。對每個(gè)光伏發(fā)電子方陣進(jìn)行整理后對其進(jìn)行等值如表1。

表1 單個(gè)光伏發(fā)電子方陣等值一覽表

圖1 光伏電站等值網(wǎng)絡(luò)

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(jìn)行計(jì)算分析，以分析光伏電站能否可靠并網(wǎng)，并驗(yàn)證光伏電站并網(wǎng)運(yùn)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(jì)算按照京能光伏電站等值網(wǎng)絡(luò)圖1進(jìn)行。

得出結(jié)論如下：在并網(wǎng)點(diǎn)可能的電壓范圍內(nèi)，當(dāng)光伏逆變器功率因數(shù)0.95（超前）時(shí)，光伏電站滿出力運(yùn)行時(shí)發(fā)出的感性無功功率在24.942～26.580MVar之間；當(dāng)光伏逆變器功率因數(shù)0.95（滯后）時(shí)，光伏電站滿出力運(yùn)行時(shí)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(jì)算及分析

就光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行對電能質(zhì)量的影響作計(jì)算分析，按國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求規(guī)定：進(jìn)行上述計(jì)算分析應(yīng)考慮京能光伏電站在電網(wǎng)小方式最小短路容量的運(yùn)行方式，以掌握影響最嚴(yán)重時(shí)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)（考核點(diǎn)）的電能質(zhì)量水平。

3.3.1 電壓偏差

該光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的額定電壓為110kV，設(shè)定光伏電站零出力時(shí)（并網(wǎng)開關(guān)跳開）并網(wǎng)點(diǎn)電壓為額定電壓（1.0pu）。當(dāng)全部光伏逆變器零出力時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差為+0.03%，見表9-1。當(dāng)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(yùn)行時(shí)，計(jì)算并網(wǎng)點(diǎn)潮流，結(jié)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(yùn)行時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)潮流數(shù)據(jù)

功率波動(dòng)造成的電壓波動(dòng)不可能疊加，但其引起的閃變值卻是其電壓波動(dòng)在一段時(shí)間內(nèi)疊加的累計(jì)效果，與電壓波動(dòng)值的大小和頻度相關(guān)。不同波動(dòng)頻度的電壓波動(dòng)引起的閃變值也不相同。根據(jù)國標(biāo)《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》推薦的Pst=1曲線，可進(jìn)行不同頻度電壓波動(dòng)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(dòng)的單位閃變（Pst=1）曲線

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

表3 110kV母線電壓波動(dòng)和閃變計(jì)算一覽表

對比國標(biāo)求得的電壓波動(dòng)和閃變限值可知，該光伏電站在110kV1#母線PCC點(diǎn)引起的電壓波動(dòng)值為3.26%，大于2.5%的國家標(biāo)準(zhǔn)限值；閃變值0.648，小于限值0.787，滿足國標(biāo)要求。

3.3.2 諧波計(jì)算與分析

根據(jù)該光伏電站接入電網(wǎng)等值網(wǎng)絡(luò)仿真模型，仿真計(jì)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(jì)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(diǎn)的13、17、19、23、25次諧波電流大于國標(biāo)限值；23、25次諧波電壓畸變率大于國標(biāo)限值，諧波總畸變率達(dá)到3.48%，大于2.0%國標(biāo)限值。

表4

3.3.3 三相不平衡度

依據(jù)國標(biāo)《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》和能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》（NB/T32004-2013）第7.7.3.2中規(guī)定，光伏逆變器應(yīng)具備交流缺相保護(hù)的功能，即“逆變器交流輸出缺相時(shí)，逆變器自動(dòng)保護(hù)，并停止工作，正確連接后逆變器應(yīng)能正常運(yùn)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(yùn)行的狀態(tài)，即光伏電站為三相對稱運(yùn)行，不會(huì)向電網(wǎng)注入負(fù)序電流。光伏電站輔助系統(tǒng)中單相負(fù)荷很小，其引起的三相電壓不平衡度可以忽略不計(jì)。因此，京能光伏電站運(yùn)行過程中不會(huì)導(dǎo)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(diǎn)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(jié)果

該光伏電站接入湛江電網(wǎng)后的電能質(zhì)量進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：①京能光伏電站在邁陳站110kV母線并網(wǎng)點(diǎn)電壓正常范圍運(yùn)行時(shí)，在不考慮無功補(bǔ)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(diǎn)邁陳站110kV母線的電壓變化都在-1.20%～+2.48%范圍之內(nèi)運(yùn)行，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)引起的電壓波動(dòng)值為3.26%，大于2.5%的國家標(biāo)準(zhǔn)限值；閃變值0.648，小于限值0.787，滿足國標(biāo)要求。③京能光伏電站在邁陳站110kV母線并網(wǎng)點(diǎn)的諧波狀況為：諧波電壓總畸變率3.48%，大于2%的國標(biāo)限值，其中23、25次諧波電壓畸變率大于國標(biāo)限值；注入電網(wǎng)的17、19、23、25次諧波電流幅值大于國標(biāo)限值。④京能光伏電站在邁陳站110kV母線并網(wǎng)點(diǎn)的三相電壓不平衡度低于1.3%國標(biāo)限值，滿足電能質(zhì)量國標(biāo)要求。

4 電能質(zhì)量控制措施

綜上所述，京能光伏電站應(yīng)采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以減小電壓波動(dòng)，抑制諧波，控制并網(wǎng)點(diǎn)的無功潮流，使得京能光伏電站運(yùn)行滿足 《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/ T19964－2012）的要求。

無功補(bǔ)償裝置有兩種：TCR型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVC、動(dòng)態(tài)無功發(fā)生器SVG。針對光伏電站動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償應(yīng)配置的無功容量進(jìn)行計(jì)算。

控制方案中 20MVar的 SVG其無功補(bǔ)償容量為± 20MVar，投入后動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償范圍從感性20Mvar到容性20MVar?？赏耆珴M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(diǎn)無功電壓控制能力，并優(yōu)化光伏電站運(yùn)行的電壓質(zhì)量，保證電網(wǎng)連接點(diǎn)的電壓波動(dòng)滿足國標(biāo)要求。

5 結(jié)論

經(jīng)分析，建議使用SVG作為電壓無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(diǎn)的電壓和無功控制能力，保證光伏電站在并網(wǎng)點(diǎn) （110kV邁陳變電站1#母線）的電壓波動(dòng)值小于國標(biāo)限值2.5%，諧波電流和諧波電壓滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。并提供動(dòng)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(yùn)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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[4]孔祥平，張 哲，尹項(xiàng)根，王 菲，何茂慧.含逆變型分布式電源的電網(wǎng)故障電流特性與故障分析方法研究.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013（34）.

TM711

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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(yùn)行工作。