方 謙
(長(zhǎng)江水利水電開(kāi)發(fā)集團(tuán)(湖北)有限公司,湖北武漢 430000)
隨著近幾年經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,用電總量迅速增加。傳統(tǒng)的集中式電站由于面積大、投資高,大多位于偏遠(yuǎn)地區(qū),不僅成本高,輸送距離遠(yuǎn),而且很容易出現(xiàn)棄光等現(xiàn)象。而分布式能源通常分配在用戶附近,主要在用戶側(cè)運(yùn)行并把多余的電能輸送到電網(wǎng)。傳統(tǒng)式電網(wǎng)由于規(guī)模龐大,往往建設(shè)在空曠地段,遠(yuǎn)距離輸電增加了電能損耗,為了就地實(shí)現(xiàn)能源的開(kāi)發(fā)和利用,減小電能損耗,分布式電源不失為一種最好的選擇[1-2]。
但是,太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式易受天氣等自然因素的影響,具有不確定性,導(dǎo)致分布式系統(tǒng)的輸出功率不穩(wěn)定,嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。同時(shí),光伏發(fā)電系統(tǒng)中有許多非線性電力電子器件,導(dǎo)致配電網(wǎng)有很多高次諧波分量注入[3-4],從而導(dǎo)致電網(wǎng)的諧波污染。因此,研究分布式電源并網(wǎng)后對(duì)電能質(zhì)量的影響是必不可少的。本文基于這種背景,對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了建模分析,并根據(jù)仿真結(jié)果提出了合理、經(jīng)濟(jì)的治理方法。
國(guó)家發(fā)改委在《分布式生產(chǎn)管理暫行辦法》中對(duì)分布式生產(chǎn)的定義進(jìn)行了界定,但該定義并不是嚴(yán)格的技術(shù)定義,難以按定義編制我國(guó)分布式生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。目前,據(jù)中國(guó)供電企業(yè)不完全統(tǒng)計(jì),從2018年起,中國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到174 GW,其中集中發(fā)電廠123.8 GW,分布式光伏發(fā)電廠50.6 GW,占全部發(fā)電量的29.08%,占水電、核能等清潔能源消費(fèi)總量的22.1%[5]。
歐洲裝機(jī)容量的擴(kuò)大內(nèi)容主要是可再生能源,其擴(kuò)大內(nèi)容的最終目標(biāo)是大力發(fā)展分布式電源生產(chǎn),而不是大規(guī)模集中生產(chǎn)。德國(guó)在世界上擁有4 000多萬(wàn)kW的分布式電源發(fā)電量,其2/3的發(fā)電廠都建設(shè)成了分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),近年來(lái),分布式系統(tǒng)已成為德國(guó)可再生能源開(kāi)發(fā)和利用的最重要途徑[6]。
雖然分布式電源有很多優(yōu)勢(shì),被很多國(guó)家優(yōu)先考慮,但是分布式發(fā)電技術(shù)仍然處于萌芽階段,還需要國(guó)家和相關(guān)技術(shù)人員的大力支持,為分布式電源的快速發(fā)展提供保障。
光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由把光能轉(zhuǎn)換為電能的光伏列陣、用于信號(hào)輸送的控制器、儲(chǔ)蓄多余電能的蓄電池組、將直流逆變成交流的逆變器等裝置組成[7],其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由于環(huán)境光照強(qiáng)度的不穩(wěn)定使得入射到光伏列陣的光照強(qiáng)度發(fā)生變化,從而導(dǎo)致功率點(diǎn)的電壓不斷變化。為了提高發(fā)電量,并保證太陽(yáng)能電池板在任何光照強(qiáng)度下都能工作在最大功率點(diǎn)處,國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家采用了目前世界上最先進(jìn)的MPPT最大功率追蹤技術(shù),大大提升了發(fā)電效率,用戶的收益得到保障。
光伏電池包含許多用于光電轉(zhuǎn)換的P-N結(jié)。在足夠的光照下,光照射到N區(qū)域的表面,激發(fā)價(jià)電子向正極移動(dòng),在P-N結(jié)兩側(cè)累積足夠的正負(fù)電荷,產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),即所謂的“光伏效應(yīng)”[8]。
圖2為光伏列陣等效電路圖[9]。圖中Isc為光感應(yīng)電流,其大小與光伏列陣的光伏電池個(gè)數(shù)、光照面積及強(qiáng)度有關(guān),與外部電路無(wú)關(guān);Rsh為旁路電阻,表示光伏電池的并聯(lián)電阻,與泄漏電流成反比關(guān)系,通常為幾千歐姆;Rs為串聯(lián)電阻,代表對(duì)電流的阻礙作用,通常小于1 Ω;V和I分別是光伏組件模塊的輸出電壓和電流;Ish為太陽(yáng)能電池自身的泄漏電流;Id是暗電流,暗電流是單向電流,當(dāng)太陽(yáng)能電池不暴露在光照下時(shí),它會(huì)在外部電壓下流經(jīng)P-N結(jié)。
由圖2可以得到,當(dāng)光伏電池處于發(fā)電過(guò)程中時(shí),輸出電流表達(dá)式為:
將式(2)和式(3)與式(1)聯(lián)立,便可得到分布式光伏發(fā)電過(guò)程中光伏電池的I-V輸出特性,其表達(dá)式為:
式中:Isc為光伏電流;Io為二極管飽和電流,約為10-4A;A為二極管系數(shù);K為玻耳茲曼常數(shù),約為1.38×10-23J/K;T為實(shí)際電池溫度;q為電子電荷常數(shù),約為1.6×10-19C;V為輸出電壓;I為輸出電流;Rs為串聯(lián)電阻;Rsh為并聯(lián)電阻。
顯然,式(4)已經(jīng)反映出了光伏電池的工作原理,但考慮到該公式的一些參數(shù)不僅僅與太陽(yáng)能光伏電池自身溫度和太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度有關(guān),還與各個(gè)生產(chǎn)太陽(yáng)能光伏電池的廠商所使用的材料材質(zhì)有關(guān),因此對(duì)式(4)進(jìn)行一定程度的改進(jìn)后,得到光伏電池的實(shí)用型物理模型[10],如式(5)所示:
式中:Iph為光伏電池中的光生電流;Voc為光伏電池中的開(kāi)路電壓;C1和C2為光伏電池出力的修正系數(shù)。
當(dāng)功率位于運(yùn)行狀態(tài)的最大點(diǎn)時(shí),可以得到式(6)所示的修正系數(shù)C1;當(dāng)處于開(kāi)路狀態(tài)時(shí),可以得到式(7)所示的修正系數(shù)C2。
式中:Im為峰值電流;Vm為峰值電壓。
當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí),Im、Vm、Iph和Voc這四個(gè)參數(shù)值會(huì)按照一定的規(guī)律發(fā)生變化,此時(shí)若想得到光伏電池的準(zhǔn)確出力數(shù)據(jù)就需要變化相應(yīng)的修正系數(shù),進(jìn)而得到在不同光照強(qiáng)度S以及溫度T下的Iph′、Voc′、Im′和Vm′,表達(dá)式如式(8)所示:
式中:ΔT為環(huán)境溫度與標(biāo)稱溫度差值;T為環(huán)境溫度;Tr為標(biāo)稱溫度,Tr=25 ℃;ΔS為環(huán)境光照強(qiáng)度與標(biāo)稱光照強(qiáng)度差值;S為環(huán)境光照強(qiáng)度;Sr為標(biāo)稱光照強(qiáng)度,Sr=1 000 W/m2;α為電流-溫度修正系數(shù),α=0.003;β為電壓-溫度修正系數(shù),β=0.004;γ為光照強(qiáng)度修正系數(shù),γ=0.5。
太陽(yáng)能光伏電池的運(yùn)行特性受光照強(qiáng)度和溫度的影響較大,結(jié)合上述數(shù)學(xué)表達(dá)式,得到光伏陣列的輸出特性,如圖3、圖4所示。
圖3 不同溫度、光照強(qiáng)度下太陽(yáng)能光伏電池的I-U特性曲線
圖4 不同溫度、光照強(qiáng)度下太陽(yáng)能光伏電池的P-U特性曲線
由圖3可知,在同一光照強(qiáng)度下,保持輸出電壓不變,光伏電池的輸出電流隨著外界溫度的增強(qiáng)而增大,保持輸出電流不變,光伏電池的輸出電壓隨著溫度的增大而減小,根據(jù)分析得出其輸出功率必然有一個(gè)最大值。同理,在同一溫度下,光伏電池的輸出電流隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大,輸出電壓隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而降低。由圖3還可以看出,當(dāng)電壓值偏小時(shí),可以把光伏電池看作是一個(gè)恒定電流源[11]。
由圖4可知,在外界溫度一定的情況下,光照強(qiáng)度越強(qiáng),光伏電池輸出功率越大,而光伏電池電壓也逐漸增大。在光照強(qiáng)度一定的情況下,光伏電池的最大輸出功率不隨溫度的變化而變化,即在任何溫度下,只要光照強(qiáng)度確定了,光伏電池的最大輸出功率就確定了[12]。
本文設(shè)計(jì)配電網(wǎng)電壓等級(jí)為10 kV,線路采用LGJ-150 mm型架空線,設(shè)置相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離為1 km,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,負(fù)荷用三相對(duì)稱的恒定功率靜態(tài)模型,且不考慮三相之間的互感作用。搭建的光伏并網(wǎng)仿真系統(tǒng)如圖5所示。
圖5 含光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)仿真模型
3.1.1 改變光伏并網(wǎng)位置
光伏發(fā)電系統(tǒng)容量大小設(shè)置為6 MW,光照強(qiáng)度設(shè)置為1 000 W/m2,溫度設(shè)置為25 ℃,將光伏電源分別接入1~6號(hào)節(jié)點(diǎn),即改變光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)位置,然后測(cè)量光伏電源不同并網(wǎng)位置下各節(jié)點(diǎn)電壓值的波動(dòng)與諧波電壓畸變率。具體數(shù)據(jù)如表1、表2所示。
表1 并網(wǎng)位置不同時(shí)各節(jié)點(diǎn)電壓值 單位:kV
表2 并網(wǎng)位置不同時(shí)各節(jié)點(diǎn)THD%
3.1.2 改變光伏容量并網(wǎng)
設(shè)置每個(gè)光伏列陣的工作溫度為25 ℃,光照強(qiáng)度1 000 W/m2,光伏容量為0.047 MW,在無(wú)功功率很小的情況下,可以通過(guò)增大光伏系統(tǒng)的輸出功率來(lái)實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的不同容量。分別測(cè)量容量大小為1~6 MW的光伏系統(tǒng)接入節(jié)點(diǎn)4后,對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓值的影響以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)的諧波電壓畸變率。數(shù)據(jù)記錄如表3、表4所示。
表3 并網(wǎng)容量不同時(shí)各節(jié)點(diǎn)電壓值 單位:kV
3.1.3 影響分析
由圖6可知,光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的不同位置時(shí),公共接點(diǎn)處的電壓幾乎不變,而光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)末端時(shí),各節(jié)點(diǎn)電壓提升最明顯??梢?jiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入對(duì)線路末端和中段的節(jié)點(diǎn)提供了電壓支撐,從而改善了配電網(wǎng)電壓質(zhì)量。
圖6 光伏并網(wǎng)位置不同各節(jié)點(diǎn)ΔU
由圖7可知,對(duì)于節(jié)點(diǎn)1位置接入光伏發(fā)電系統(tǒng)的情況,配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的諧波畸變率幾乎沒(méi)有變化,注入系統(tǒng)的諧波分量對(duì)電網(wǎng)造成的影響最小。光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)位置越靠近線路末端,節(jié)點(diǎn)的諧波畸變率變化越明顯。
由圖8可知,光伏系統(tǒng)的容量對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的大小有重要的影響,接入配電網(wǎng)的光伏系統(tǒng)容量越大,對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓大小的影響越明顯,并網(wǎng)點(diǎn)的位置越靠近配電網(wǎng)支路末端,各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的波動(dòng)越大??傊夥到y(tǒng)容量越大,并網(wǎng)位置越靠近支路末端,對(duì)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓影響越明顯。并網(wǎng)位置和分布式電源容量的大小決定了電壓升降的程度。
綜上所述,光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響有以下幾點(diǎn):
1)分布式電源的并網(wǎng)位置越接近支路末端節(jié)點(diǎn),配電網(wǎng)線路各節(jié)點(diǎn)電壓被抬高的程度越大。
2)配電網(wǎng)線路各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的波動(dòng)量與光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)容量呈正相關(guān)。
3)光伏并網(wǎng)給配電網(wǎng)帶來(lái)的諧波量隨著光伏并網(wǎng)容量的增加而增大。
4)光伏發(fā)電系統(tǒng)引入的諧波量大小與并網(wǎng)位置有關(guān)。光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)位置越接近支路末端,所引入的諧波量大小對(duì)配電網(wǎng)的影響就越大,且在公共接點(diǎn)處接入分布式電源對(duì)配電線路的影響最小。
因此,控制好分布式電源的并網(wǎng)位置和并網(wǎng)容量是平衡系統(tǒng)電壓的有效途徑。設(shè)置好相關(guān)參數(shù),建立精準(zhǔn)可靠的分布式發(fā)電系統(tǒng),分布式電源并網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)造成的電壓波動(dòng)量和諧波畸變率都能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,從而有效改善線路末端的電壓水平。
對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量的治理主要包含電壓質(zhì)量和諧波兩個(gè)方面:
1)電壓質(zhì)量方面。系統(tǒng)電壓質(zhì)量治理的主要方式是優(yōu)化配電網(wǎng)結(jié)構(gòu),合理規(guī)劃布置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)架,預(yù)留未來(lái)可能增加的容量。分布式電源并網(wǎng)最適合的位置是線路中間偏前的節(jié)點(diǎn),但是綜合諧波影響考慮,分布式電網(wǎng)并網(wǎng)位置最好選用公共節(jié)點(diǎn),這樣既不會(huì)引入大量的諧波電流,又能夠提升電能質(zhì)量。
2)諧波方面。通過(guò)分析可知,在含分布式電源的配電網(wǎng)中,諧波含量的大小與分布式電源并網(wǎng)位置有極大的關(guān)系,并網(wǎng)位置越靠近公共母線,配電網(wǎng)受到諧波帶來(lái)的影響越?。幌喾?,并網(wǎng)位置越靠近支路末端,配電網(wǎng)受到諧波帶來(lái)的影響越大。綜上所述,單從諧波考慮,光伏發(fā)電系統(tǒng)適合在線路靠近公共母線的節(jié)點(diǎn)處并入配電網(wǎng)。實(shí)際上,系統(tǒng)諧波治理的主要方式就是通過(guò)改變變壓器接線組別來(lái)抑制用戶的輸入諧波。
本文對(duì)光伏分布式電源及其對(duì)配電網(wǎng)性能的影響進(jìn)行了仿真分析,但是由于筆者自身能力不足以及知識(shí)面限制,對(duì)分布式電源并網(wǎng)時(shí)的性能質(zhì)量分析仍然存在許多不足,例如涉及的分布式電源類型僅限于光伏發(fā)電系統(tǒng),僅對(duì)光伏分布式能源并網(wǎng)時(shí)對(duì)配電網(wǎng)的影響進(jìn)行了建模和仿真。實(shí)際上,多種分布式電源可以同時(shí)并網(wǎng),在此基礎(chǔ)上,需要考慮如微型渦輪機(jī)和燃料電池等多種類型的分布式電源,考慮各種類型的分布式電源交叉接入配電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響。針對(duì)多種分布式電源同時(shí)并網(wǎng)如何選擇控制策略以及它們之間如何相互配合才能使得對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響程度最低等相關(guān)問(wèn)題,仍需進(jìn)一步開(kāi)展深入研究。