胡 斌，胡羽川，錢一民

（國網湖北省電力公司電力科學研究院,湖北 武漢 430077）

0 引言

在全球氣候變暖的背景下，發(fā)展低碳經濟、推動節(jié)能減排成當務之急，太陽能光伏發(fā)電以其可靠性、安全性、長壽命、環(huán)保性、資源充足性等顯著優(yōu)勢，有望成為未來電力供應的主要支柱。在中國光伏政策引導下，中國光伏產業(yè)得到空前發(fā)展，西部地區(qū)以集中式大型光伏電站為主，中東部地區(qū)以分布式中小型電站為主，形成光伏發(fā)電優(yōu)勢互補局面。目前中國光伏總裝機容量處全球第一，截止2016年，中國光伏發(fā)電新增裝機容量3 454萬kW，累計裝機容量7 742萬kW，分布式累計裝機容量1 032萬kW。湖北地區(qū)光伏電站裝機容量為187萬kW。

光伏發(fā)電通過逆變器并網，并發(fā)電功率受光照影響大，由此會產生諧波電流和功率的波動，影響公共連接點的電壓諧波、閃變、電壓偏差等電能質量指標。為減少光伏發(fā)電對電網電能質量影響，國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局與標準化管理委員會共同出版了GB/T29319-2012《光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網技術規(guī)定》，規(guī)定了光伏發(fā)電的電能質量允許值及電能質量入網檢測項目。根據這項國標對湖北境內光伏電站開展了一系列的并網檢測工作，從中選取幾個不同容量的光伏電站作為代表，對光伏電站并網的電能質量水平進行分析研究。

1 光伏電站帶來的電能質量問題

光伏發(fā)電帶來的電能質量問題主要有3個方面：電壓波動、電壓偏差、諧波。

1.1 電壓波動和閃變

三相平衡負荷引起的電壓波動計算方法如式（1）[1]

式（1）中：DP、DQ負荷為有功、無功的變化；RL、XL為電網阻抗的電阻、電抗分量。從式（1）中可以看出，電壓波動主要由有功、無功的變化帶來的。

光伏出力變化周期為1次/d，早上07∶00到中午12∶00，出力上升；中午12∶00到下午18∶00點出力下降；19∶00以后出力為0,變化曲線見圖1。

圖1 光伏電站出力變化曲線Fig.1 The output curve of photovoltaic power station

白天正常情況太陽光照度變化相對緩慢，光伏電站有功、無功出力變化有限，造成的電壓波動不大。當遇到多云天時，光照度變化大，導致光伏電站發(fā)電出力隨著變化大，繼而引起電壓波動。圖2為湖北鄖縣臥龍光伏電站110 kV公共連接點現場連續(xù)監(jiān)測2.5 d的實測出力曲線。

圖2 光伏電站出力實測變化曲線Fig.2 The measured output curves of photovoltaic power station

第一天測試時間段為6月15日的10:00～18:00，這天時晴時陰，光照變化大，造成光伏電站輸出電流（代表功率）變化大。16日為晴天，光伏電站輸出電流類似正弦波上半周，光滑變化有規(guī)律。

當線路發(fā)生故障情況，光伏電站斷開聯網，繼電保護又重合，光伏電站出力從最大值降到0，又從0回到最大值，這時光伏電站會造成對電網電壓最嚴重的波動影響。這種情況測試時難以遇到，但在設計評估時會進行模擬計算，其變化情況控制在允許范圍。

電壓波動的危害會造成電氣設備不能正常工作，還會帶來照明燈光的閃爍即閃變，8到10 Hz的低頻波動給人視覺的影響最大，這一指標為電壓閃變。

1.2 電壓偏差影響

電力系統(tǒng)中負荷和發(fā)電機出力隨時都在變化，網絡參數隨運行方式的改變也在變化，系統(tǒng)故障等因素都將引起電力系統(tǒng)功率的不平衡。一般情況輸電線路的X》R，線路兩端電壓相位差也較小，電壓降的橫分量可以忽略，這樣輸電線路的電壓降落可以用式（2）表示[2]。

從（2）式中可以看出，無功功率的不平衡是電壓偏差的根本原因。系統(tǒng)無功功率的不平衡意味著將有大量的無功功率流經供電線路、變壓器及其他一次設備，由于線路、變壓器等設備中存在電抗，造成電壓降落，帶來了電壓偏差。

光伏電站主要設備有光伏板、逆變器、集電線路、箱變、升壓主變。逆變器輸出交流功率因數接近1，基本不輸出無功，而集電線路和升壓變壓器都是無功負載，需要從電網吸收無功，因此會帶來電壓偏差。光伏電站一般配有動態(tài)無功補償裝置，以快速地平衡無功，減少電壓偏差[3]。湖北鄖縣臥龍光伏電站額定出力40 MWp,在35 kV側裝有±10 Mvar的SVG，用于補償無功，SVG響應速度很快，但仍存在無功的短暫不平衡，電壓偏差的存在是不可避免的，關鍵問題是將電壓偏差控制在允許范圍內。

1.3 諧波的影響

所有非線性設備運行都會產生諧波，目前主要諧波源負荷分3類[4]：

（1）鐵芯型：主要指具有鐵芯的電氣設備，如變壓器、電抗器、互感器等，鐵芯飽和后的非線性產生諧波。

（2）半導體型：變頻器、交流變直流、直流逆變成交流或直流變直流等都屬于這類諧波源，家用電器、計算機控制設備、冶金、化工、電力、電鐵等廣泛使用這些設備，它是可控硅元件的非線性產生的諧波電流。

（3）電弧型：電弧通常是空氣擊穿后形成，是一個非線性導體，因此會產生諧波。常見的有工業(yè)上用的交、直流電弧爐、電焊機等。

光伏電站中產生諧波的設備主要是逆變器，屬于半導體型諧波源。

目前國內許多中等容量（50 MVA左右）的光伏電站單臺逆變器容量為500 kW，湖北鄖縣臥龍光伏電站單臺逆變器容量為500 kW。對于500 kW逆變器廠方提供的各次諧波電流含有率見表1。

表1 500 kW逆變器產生的各次諧波電流含有率Tab.1 The harmonic current generated by the inverter with 500 kW

從表1數據可以看出，逆變器產生的主要諧波電流為2、3、5、7次。

諧波的危害主要是對一、二次設備產生干擾、發(fā)熱、過壓、諧振、噪音等。

2 湖北省3座光伏電站電能質量檢測情況

2.1 3座電站基本情況

（1）光伏電站1

湖北十堰鄖縣臥龍光伏電站,裝機容量40 MWp，單臺逆變器容量500 kW,110 kV并網，2015年8月并網發(fā)電，2016年6月進行并網電能質量檢測。光伏電站35 kV裝有一組±10 Mvar SVG，用于無功電壓調節(jié)。

（2）光伏電站2

湖北宜城同景光伏電站,裝機容量20 MWp，單臺逆變器容400 kW，35 kV并網，2016年7月并網發(fā)電，2017年3月進行并網電能質量檢測。光伏電站35 kV裝有一組±2 Mvar SVG，用于無功電壓調節(jié)。

（3）光伏電站3

湖北巴東譚家灣光伏電站（光伏扶貧項目）,裝機容量3 MWp，單臺逆變器容量50 kW,10 kV并網，2016年8月并網發(fā)電，2017年3月進行并網電能質量檢測。光伏電站未裝無功電壓調節(jié)裝置。

2.2 3座光伏電站電能質量實測情況

按照GB/T29319-2012《光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網技術規(guī)定》，要求對公共連接點進行長時間連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測的電能質量指標測試95值見表2、3、4，表中允許值為相應電能質量國家標準中數據。

諧波電流允許值計算參照國標GB/T14549-93中附錄B、C的方法計算。

從測試的數據可以歸納出以下幾點：

（1）3座光伏電站公共連接點的諧波電壓、頻率偏差、電壓閃變、三相電壓不平衡度均合格，反映出光伏電站在電能質量影響方面幾項指標偏弱；

（2）有1座電站公共連接點處5次諧波電流超標，反映了有部分光伏電站產生的特征諧波電流會超標；

（3）有2座光伏電站公共連接點處的電壓偏差超標，電壓偏差超標不完全由光伏電站造成的，一定程度與公共連接點背景電壓偏高有關，參見圖3譚家灣光伏電站現場24 h 10 kV電壓記錄曲線。從記錄曲線中可以看出，電壓有效值最高點有兩處，一處發(fā)生在凌晨的 03∶00～04∶00，電壓達 11.08 kV，超過7%的上偏差，而此時光伏電站未運行；另一處發(fā)生在第2天中午12∶00～13∶00，這時光伏發(fā)電接近1天中最大值。兩處電壓最大時間段均發(fā)生在電網輕負荷時,表明光伏電站的存在使相關線路的功率波動加大，從而使電網相關變壓器分接頭的選擇增加了難度，間接地造成電壓偏差超標。

表2 各光伏電站主要諧波電壓測試值、允許值數據Tab.2 The every photovoltaic power station main harmonic voltage test valueallowable value

表3 主要諧波電流數據Tab.3 The main harmonic current data

表4 其它電能質量指標數據Tab.4 Other power quality index data

圖3 譚家灣光伏電站24 h三相電壓有效值記錄曲線Fig.3 Tanjiawan photovoltaic power station 24 hours three phase voltage RMS curve

所測的這3座光伏電站裝機容量不同，逆變器容量不同，入網電壓等級不同,其對公共連接點的電能質量影響情況應具有一定的代表性。綜合來說，光伏發(fā)電對電網的頻率偏差、電壓閃變、三相電壓不平衡度幾項電能質量指標的影響相對較弱，而在諧波方面影響相對較大，尤其是逆變器的特征諧波電流會有超標情況；對電壓偏差有一定影響，光伏電站接入使相關線路的功率波動加大，增加變壓器分接頭選擇難度，間接造成電壓偏差超標。

3 電能質量檢測數據異常分析

光伏電站上網的公共連接點許多是35 kV、10 kV電壓等級，35 kV和10 kV電網為不接地系統(tǒng)，光伏電站為避免母線PT的鐵磁諧振，通常在PT中性點接有消諧器，這樣PT中性點未直接接地。由此會造成測母線相電壓諧波測試時3次諧波異常情況，這是由于PT一次側無零序回路（極端情況），造成磁路非線性得不到補償，從而使二次側電壓產生畸變[5]。這個3次諧波電壓含有率不是真實的，表5是在湖北巴東譚家灣光伏電站10 kV公共連接點針對PT中性點是否接有消諧器所測試的3次諧波電壓含有率數據比較。

表5 譚家灣光伏電站10 kV相電壓3次諧波測試數據比較Tab.5 Tanjiawan photovoltaic power station 110 kV phase voltage comparison of 3 harmonic test data

從表5中數據可以看出，PT中性點消諧器短接后，所測的3次諧波電壓含有率只有0.70%，而未短接測試的數據位4.02%，已超標，這個數據明顯失真，不能真實反映10 kV一次側3次諧波含量。

現在有些在線諧波監(jiān)測裝置及便攜式分析儀所進行的光伏電站諧波監(jiān)測的報告中，不少反映3次諧波電壓超標情況，應該有相當成份是忽略了PT中性點消諧器帶來的失真。

4 結語

光伏電站發(fā)電受自然光照影響較大，同時并網又使用了大量的逆變器，因此光伏發(fā)電對電能質量中的諧波、電壓偏差指標存在不可回避的影響。本文在測試分析的基礎上給出了這種影響的程度及側重面，對于了解中東部分布式中小型光伏電站的電能質量水平具有一定的代表性。