王 振，吳繼宗，郝 楊，李 陽

(中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，天津 300120)

自2020年“雙碳”目標(biāo)提出以來，光伏、風(fēng)電等新能源確立了未來主體能源的地位，其在能源使用中的占比不斷增加。煤礦企業(yè)屬于耗能較大的企業(yè)，年生產(chǎn)能力為800萬t的礦井，其年用電量將近2億kW·h。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般以直接接入企業(yè)內(nèi)部配電網(wǎng)的方式運(yùn)行，是有效降低企業(yè)能源消費(fèi)總量的途徑。煤礦企業(yè)擁有廠房屋頂、排矸場(chǎng)、蓄水池、鐵路專用線等大量可用于分布式光伏建設(shè)的閑置土地資源，具有較好開發(fā)建設(shè)條件。

光伏發(fā)電系統(tǒng)具有間歇性和波動(dòng)性，并且系統(tǒng)內(nèi)具有以電力電子設(shè)備為代表的諧波源，會(huì)引起配電網(wǎng)電壓波動(dòng)、諧波含量超標(biāo)等問題[1]，煤礦生產(chǎn)用電負(fù)荷中一部分負(fù)荷為一級(jí)負(fù)荷，對(duì)供電的可靠性要求較高，上述問題對(duì)供電的可靠性具有一定的影響。煤礦企業(yè)配電網(wǎng)一般為單端電源放射式供電網(wǎng)絡(luò)，接入分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)后，不僅會(huì)引起短路電流的增加，還有可能引起潮流逆流，相繼帶來繼電保護(hù)調(diào)整、電壓越限、線路功率越限等問題[10]。因此，合理設(shè)計(jì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入煤礦配電網(wǎng)的并網(wǎng)方案是保證接入后供電可靠性與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。本文從分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入煤礦配電網(wǎng)的影響分析入手，結(jié)合煤礦配電網(wǎng)特點(diǎn)，闡述其接入煤礦配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)原則。

1 運(yùn)行方式

根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50052—2009)中相關(guān)規(guī)定，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于自備電源的一種。對(duì)于具備發(fā)展分布式電源條件的煤礦，《礦山電力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50070—2020)提出可以將其做為自備電源予以應(yīng)用。從國(guó)家規(guī)范中的定位來看，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以以自備電源的形式接入煤礦配電網(wǎng)運(yùn)行。

煤礦中主要通風(fēng)機(jī)、井下主要排水泵、升降人員的立井提升機(jī)等電力負(fù)荷為一級(jí)負(fù)荷，其配電系統(tǒng)具備兩回獨(dú)立的電源，兩回獨(dú)立電源間設(shè)有備自投裝置，保證一回電源故障后，一級(jí)負(fù)荷不停電。考慮到光伏發(fā)電系統(tǒng)受氣象因素影響較大，具有隨機(jī)、間歇和波動(dòng)的特點(diǎn)，其接入煤礦配電網(wǎng)后，不作為單獨(dú)的供電電源使用，其與工作電源并列運(yùn)行，作為工作電源的補(bǔ)充。當(dāng)光伏電源故障時(shí)，光伏電源立即退出運(yùn)行，負(fù)荷由工作電源供電；當(dāng)工作電源故障后，并列運(yùn)行的光伏電源隨之退出運(yùn)行，避免形成非計(jì)劃孤島，一級(jí)負(fù)荷轉(zhuǎn)由備用電源供電。

2 影響分析

2.1 潮流分布改變引起的影響

圖1 兩端供電網(wǎng)絡(luò)等效電路圖

由式(1)可以看出，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后，減少了供電線路上的有功功率的需求，線路末端電壓升高，對(duì)末端電壓起到支持提升的作用，對(duì)配電系統(tǒng)而言是有益的。

由式(2)可知，此時(shí)線路末端電壓將超過首端電壓。若原供電線路設(shè)計(jì)選型合理，在PL

2.2 短路電流增加引起的影響

理論上而言，在系統(tǒng)中接入電源系統(tǒng)，均會(huì)造成各支路短路電流的增加。按照《光伏發(fā)電系統(tǒng)建模導(dǎo)則》(GB/T 32826—2016)提供的短路計(jì)算模型，交流側(cè)短路故障時(shí)，逆變器宜等效為一個(gè)電流源，其最大輸出電流為電流飽和限值Is，Is=kIN，IN為逆變器額定電流，k為逆變器電流飽和系數(shù)(典型值取1.2～1.5)。當(dāng)接入光伏發(fā)電系統(tǒng)后，煤礦配電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)短路電流值為電力系統(tǒng)提供的短路電流+1.5倍光伏發(fā)電系統(tǒng)額定工作電流[11]。對(duì)于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，受可利用土地面積及電網(wǎng)接入政策限制，其安裝容量不會(huì)太大，本文選取幾個(gè)典型容量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見表1。

由表1計(jì)算結(jié)果可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)短路點(diǎn)貢獻(xiàn)的短路電流不大，最大值在2kA左右，疊加上系統(tǒng)短路電流后，一般也不會(huì)超過設(shè)備的短路水平。隨著并網(wǎng)電壓等級(jí)的升高，短路電流的貢獻(xiàn)值更小。對(duì)于繼電保護(hù)整定值而言，通過互感器變比及相關(guān)系數(shù)的影響作用，通常情況，2kA級(jí)別的擾動(dòng)不會(huì)影響其動(dòng)作的可靠性與靈敏性。

2.3 光伏功率波動(dòng)與諧波源注入的影響

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)功率的波動(dòng)是引起配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的根本原因。電壓波動(dòng)的大小要綜合考慮光伏功率波動(dòng)大小、并網(wǎng)點(diǎn)短路容量、系統(tǒng)等效阻抗比、光伏功率因數(shù)等因素[1]。文獻(xiàn)[1]提供了分布式光伏功率波動(dòng)引起配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)的公式：

由式(4)可知，并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)隨著光伏功率波動(dòng)量的增大而增大，其與并網(wǎng)點(diǎn)短路容量成反比。

光伏電源可等效為內(nèi)阻無窮大的諧波電流源，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)會(huì)向電網(wǎng)注入諧波，造成電網(wǎng)的諧波污染[1]。根據(jù)文獻(xiàn)[1]提供的方法，繪制圖1電路所對(duì)應(yīng)的諧波等效電路，如圖2所示。圖中角標(biāo)h代表h次諧波對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

圖2 諧波等效電路

當(dāng)分布式光伏接入配電網(wǎng)時(shí)，光伏并網(wǎng)點(diǎn)的諧波電壓最高[1]。并網(wǎng)點(diǎn)諧波電壓公式為：

由式(5)可知，并網(wǎng)點(diǎn)諧波電壓與負(fù)荷阻抗、系統(tǒng)阻抗均成正比關(guān)系。

3 設(shè)計(jì)原則

本文通過對(duì)接入模型的定性分析可知，雖然光伏系統(tǒng)接入后會(huì)引起短路電流增加，但其影響較小。潮流分布改變、光伏功率的波動(dòng)及諧波源的注入是光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后對(duì)既有配電網(wǎng)產(chǎn)生影響的主要因素。充分利用煤礦配電網(wǎng)既有特性，合理地設(shè)計(jì)接入并網(wǎng)方案，不僅可以避免或減少接入后的不利影響，也可以避免既有配電網(wǎng)的大范圍改造。結(jié)合煤礦配電網(wǎng)特點(diǎn)及光伏接入后的影響，接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則如下：

3.1 保證并網(wǎng)點(diǎn)具有足夠的消納能力

潮流分布的改變與既有負(fù)荷大小密切相關(guān)。煤礦企業(yè)用電負(fù)荷較大，分布式光伏的安裝容量較小，整體上看，煤礦負(fù)荷具備完全消納光伏電量的能力，但從局部上看，也存在無法完全消納的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。根據(jù)此特點(diǎn)可以看出，在煤礦配電網(wǎng)中至少有一個(gè)可以完全消納光伏電量的節(jié)點(diǎn)。利用此節(jié)點(diǎn)作為并網(wǎng)點(diǎn)，可以保證潮流的分布不發(fā)生改變，進(jìn)而避免產(chǎn)生線路功率越限、電壓越限。

文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[10]針對(duì)分布式光伏接入公用配電網(wǎng)進(jìn)行了分析，提出了分布式電源總?cè)萘吭瓌t上不宜超過上一級(jí)變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大負(fù)荷的25%的原則性接入條件。通過文獻(xiàn)6提供的分析算例可看出，此結(jié)論建立在電網(wǎng)負(fù)荷變化較大的基礎(chǔ)上，輕載狀態(tài)接入光伏容量可達(dá)到變壓器額定容量，重載狀態(tài)下接入光伏容量超過25%則會(huì)出現(xiàn)電壓越限[6]。煤礦配電網(wǎng)中負(fù)荷運(yùn)行較為穩(wěn)定，通過典型日負(fù)荷運(yùn)行情況可以便利地判斷光伏功率消納比例，因此，可以突破25%變壓器最大負(fù)荷的限制。

分布式光伏一般依托于建筑物屋頂安裝，布局分散，單點(diǎn)并網(wǎng)物理連接困難，會(huì)采用多點(diǎn)并網(wǎng)的方式，此情況下，潮流分布更加復(fù)雜，引起的線路功率越限、電壓越限情況難以準(zhǔn)確計(jì)算與預(yù)測(cè)[6]。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)的消納比例控制在100%時(shí)，則可以避免多點(diǎn)接入的復(fù)雜影響，依托煤礦用電負(fù)荷較大的特點(diǎn)，完全消納的并網(wǎng)點(diǎn)是較為容易尋找的。礦井配電接線形式以放射式為主，負(fù)荷側(cè)至電源側(cè)一般分為建筑內(nèi)380V配電室、區(qū)域10/0.4kV變電所、110(或35)/10kV總降站三個(gè)層級(jí)的配電點(diǎn)，并網(wǎng)點(diǎn)選擇可按照“就近消納、逐級(jí)上溯”的方法，由光伏安裝位置的負(fù)荷側(cè)向電源側(cè)逆潮流方向選擇，這樣可兼顧技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性。

3.2 合理控制短路比

從前面分析可以看出，電壓波動(dòng)與光伏功率波動(dòng)量、等效阻抗比和短路容量有關(guān)，光伏功率波動(dòng)量與天氣狀況、天體運(yùn)動(dòng)、污染情況密切相關(guān)，很難做到人為干預(yù)；等效阻抗比與光伏組件、逆變器、電纜的固有參數(shù)有關(guān)，也難以做到有效控制；短路容量與既有配電網(wǎng)的參數(shù)相關(guān)，通過并網(wǎng)點(diǎn)的選擇可以進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于諧波電壓，其與負(fù)荷阻抗、系統(tǒng)阻抗有關(guān)，既有負(fù)荷阻抗與設(shè)備參數(shù)有關(guān)難以調(diào)整，系統(tǒng)阻抗與短路容量相同，通過并網(wǎng)點(diǎn)的選擇同樣可以進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié) 論

1)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)不作為單獨(dú)的電源使用，其與工作電源并列運(yùn)行，作為工作電源的補(bǔ)充。

2)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入煤礦配電網(wǎng)后，潮流分布的改變、光伏功率的波動(dòng)及諧波源的注入是產(chǎn)生不利影響的主要因素。

3)通過合理設(shè)計(jì)接入系統(tǒng)方案，利用煤礦配電網(wǎng)內(nèi)既有負(fù)荷與短路電流進(jìn)行限制，可以有效避免接入后產(chǎn)生的不利影響。

4)接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則：采用“就近消納、逐級(jí)上溯”的原則選擇接入方案，實(shí)現(xiàn)光伏電量在并網(wǎng)點(diǎn)100%消納，避免潮流逆流；采用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)額定電流與并網(wǎng)點(diǎn)最小三相短路電流之比低于10%的原則校驗(yàn)接入方案，以保證電壓波動(dòng)與諧波含量不超標(biāo)。