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）

0 引言

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。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

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。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的建立

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

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。

2.2 光伏電池等效電路結(jié)構(gòu)

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)。

2.3 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型的建立

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]。

3 光伏并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量影響仿真分析及治理對(duì)策

3.1 光伏并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量影響的仿真分析

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。

3.2 光伏并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量影響的治理對(duì)策

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。

4 總結(jié)及展望

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。