南京易司拓電力科技股份有限公司 緱來兵

光伏發(fā)電是利用太陽能進(jìn)行發(fā)電，其發(fā)電效率受到溫度、光照等因素影響，白天因溫度、光照有較大差異，導(dǎo)致發(fā)電量不同，晚間因溫度低，無陽光不發(fā)電，從而造成光伏并網(wǎng)發(fā)電功率變化較大，臺(tái)區(qū)電壓也隨之發(fā)生較大的變化，對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊。通過分析分布式光伏接入后對(duì)臺(tái)區(qū)電壓的影響，制定相應(yīng)的措施可以有效減少分布式光伏并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)造成的不良影響，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的2022年全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2022年12月底，全國(guó)累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約25.6億kW，同比增長(zhǎng)7.8%。其中，太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約3.9億kW，同比增長(zhǎng)28.1%。2023年太陽能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到4.9億kW。以某地區(qū)光伏數(shù)據(jù)接入為例，整體光伏用戶發(fā)電功率呈現(xiàn)明顯的正態(tài)分布，夏季發(fā)電周期基本在6時(shí)至18時(shí)，持續(xù)12小時(shí)；在中午12時(shí)發(fā)電達(dá)到高峰，在9時(shí)至15時(shí)發(fā)電效率較高，持續(xù)時(shí)間達(dá)到50%。因此，對(duì)于部分高滲透率的臺(tái)區(qū)，在中午發(fā)電高峰時(shí)，臺(tái)區(qū)電壓會(huì)出現(xiàn)首端越下限，末端越下限的雙向越限情況。

1 分布式光伏接入存在的問題及對(duì)臺(tái)區(qū)電壓的影響

1.1 分布式光伏接入存在的問題

一是整體接入不平衡。電網(wǎng)規(guī)劃和分布式新能源規(guī)劃的主體單位不同，各主體之間缺乏有效的溝通，信息交互不協(xié)同，以及造成配電網(wǎng)規(guī)劃資源的浪費(fèi)。分布式電源無序接入配電網(wǎng)，某公司分布式光伏用戶安裝數(shù)量呈現(xiàn)明顯的地域分布，分布極不平衡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，單位1、單位2、單位3安裝比較集中，分布式光伏用戶占比達(dá)到62.43%；單位6和單位7安裝較少，占比僅為16.41%。

二是部分臺(tái)區(qū)光伏滲透率過高。某縣公司作為整縣光伏示范縣，共計(jì)2620個(gè)配電臺(tái)區(qū)，存在245個(gè)臺(tái)區(qū)分布式光伏，滲透率大于80%，占比9.35%，高滲透率會(huì)造成配變臺(tái)區(qū)電壓兩級(jí)越限，配變首端越上限，配變末端越下限；此外，分布式光伏造成高電壓?jiǎn)栴}缺乏治理經(jīng)驗(yàn)。隨著整縣光伏接入工作推進(jìn)，光伏用戶數(shù)量迅速增長(zhǎng)，臺(tái)區(qū)電壓普遍抬升，會(huì)產(chǎn)生高電壓投訴及其他一系列高電壓?jiǎn)栴}，現(xiàn)階段對(duì)分布式光伏接入造成配變電壓越限問題缺少可推廣應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，及治理措施與技術(shù)手段。

1.2 光伏滲透率對(duì)臺(tái)區(qū)電壓的影響

數(shù)據(jù)選取某單位2022年典型負(fù)荷日（8月20日）的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，不同光伏滲透率下臺(tái)區(qū)電壓的變化情況見表1。

通過數(shù)據(jù)分析、挖掘，探究不同光伏滲透率情況下對(duì)臺(tái)區(qū)電壓的影響，取臺(tái)區(qū)A 相電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比：光伏接入比例較低時(shí)，電壓波動(dòng)范圍較小，能夠有效保證負(fù)荷高峰時(shí)段抬升電壓，臺(tái)區(qū)電壓趨于平穩(wěn)運(yùn)行；隨著光伏接入比例增高，中午發(fā)電高峰時(shí)段電壓提升效果明顯增強(qiáng)，光伏接入比例達(dá)到70%左后，中午配變低壓側(cè)電壓值比負(fù)荷低谷時(shí)電壓值高9V，電壓波動(dòng)幅度較大；當(dāng)分布式光伏接入容量超過配變額定容量時(shí)，中午陽光充足時(shí)出現(xiàn)明顯的電壓峰值，且配變低壓側(cè)電壓值比負(fù)荷低谷時(shí)電壓值高12.7V，電壓波動(dòng)幅度范圍最大。分布式光伏滲透率與臺(tái)區(qū)電壓的關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同滲透率情況下8月20日電壓曲線圖

1.3 分布式光伏接入位置對(duì)臺(tái)區(qū)電壓的影響

通過不同時(shí)間、不同電表箱內(nèi)用戶的電壓情況，獲取在不同時(shí)段，光伏接入臺(tái)區(qū)在各個(gè)位置的電壓情況。選取某單位2022年9月2日，9點(diǎn)、13點(diǎn)、17點(diǎn)三個(gè)不同時(shí)段的數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)區(qū)不同位置的電壓進(jìn)行觀測(cè)。甲臺(tái)區(qū)變壓器接入12個(gè)表箱，最遠(yuǎn)表箱距離變壓器位置180m，具體拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 甲臺(tái)區(qū)表箱位置示意圖

不同時(shí)段、不同位置的電壓情況見表2。

表2 甲臺(tái)區(qū)配變關(guān)口電壓統(tǒng)計(jì)表

針對(duì)不同時(shí)段，根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)距離配電變壓器的地理位置，繪制電壓曲線如圖3所示，可看出甲臺(tái)區(qū)在不同觀測(cè)點(diǎn)的電壓均超242V，遠(yuǎn)超規(guī)定的電壓上限235.4V，13時(shí)整體電壓均升高明顯，最高達(dá)到249V。

圖3 觀測(cè)點(diǎn)電壓情況

乙臺(tái)區(qū)變壓器接入10個(gè)表箱，最遠(yuǎn)表箱距離變壓器位置160m，具體拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 乙臺(tái)區(qū)表箱位置示意圖

不同時(shí)段、不同位置的電壓情況見表3。

表3 乙臺(tái)區(qū)配變關(guān)口電壓統(tǒng)計(jì)表

針對(duì)不同時(shí)段，根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)距離臺(tái)區(qū)的地理位置，繪制電壓曲線，如圖5所示?？煽闯?，乙臺(tái)區(qū)不同觀測(cè)點(diǎn)的電壓均超239.5V，遠(yuǎn)超規(guī)定的電壓上限235.4V，13點(diǎn)時(shí)整體電壓均升高明顯，最高達(dá)到251V。

分布式光伏接入距離配變?cè)竭h(yuǎn)，電壓抬升效果越明顯，并且可能會(huì)高于配變首端電壓[1]；分布式光伏發(fā)電量越大，接入點(diǎn)電壓越高。

2 分布式光伏高電壓?jiǎn)栴}解決方案

2.1 管理方面

創(chuàng)新分布式光伏接入管理機(jī)制。按照《分布式電源接入電網(wǎng)承載力評(píng)估導(dǎo)則》和工作要求，在網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，細(xì)化每臺(tái)配電變壓器，通過評(píng)估配電網(wǎng)運(yùn)行情況和配變消納能力，形成“三色九宮格”分布式光伏承載力評(píng)估模型，最大限度提高分布式光伏消納能力。通過梳理配電網(wǎng)承載能力，為光伏安裝企業(yè)提供引導(dǎo)，合理確定分布式光伏安裝的容量和位置，降低分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)的影響，以此解決臺(tái)區(qū)重過載和低壓線路末端短時(shí)低電壓?jiǎn)栴}，配變承載能力見表4。

表4 “三色九宮格”配變承載能力統(tǒng)計(jì)情況

分布式光伏接入承載力情況評(píng)估等級(jí)劃分如表5所示。

表5 開放配變接入分布式電源情況評(píng)估等級(jí)劃分

應(yīng)因地制宜，合理規(guī)劃分布式光伏接入。充分考慮地區(qū)發(fā)展、供電區(qū)域類型等要求，按照基于現(xiàn)狀，適度超前，分層分區(qū)的原則，提前做好配電網(wǎng)規(guī)劃，將電網(wǎng)規(guī)劃與政府結(jié)合，全面梳理各個(gè)地區(qū)的負(fù)荷特點(diǎn)，針對(duì)特定區(qū)域爭(zhēng)取電價(jià)政策支持，在白天設(shè)置低谷電壓，引導(dǎo)用戶負(fù)荷與光伏出力有效平衡，降低潮流流動(dòng)。在部分用電負(fù)荷較大的區(qū)域增加光伏布局，從而降低電網(wǎng)供電壓力，提高光伏消納能力。

2.2 技術(shù)方面

2.2.1 通過逆變器參與調(diào)壓

按照國(guó)標(biāo)《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器要求》(GB/T37408-2019)，逆變器的無功容量及無功控制功能應(yīng)滿足下列要求。

無功容量：逆變器穩(wěn)態(tài)無功功率輸出范圍應(yīng)滿足，A 類逆變器應(yīng)在所示實(shí)線矩形框內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)，B 類逆變器應(yīng)在所示陰影框內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)。具備電網(wǎng)無功支撐能力的A 類逆變器無功功率輸出范圍宜在虛線范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)，逆變器的無功出力范圍如圖6所示。

圖6 逆變器無功出力范圍

無功控制：A 類逆變器應(yīng)具有多種無功控制模式，包括電壓/無功控制、恒功率因數(shù)控制和恒無功功率控制等，具備接受功率控制系統(tǒng)指令并控制輸出無功功率的能力，具備多種控制模式在線切換的能力。逆變器無功功率控制誤差不應(yīng)大于逆變器額定有功功率的1%，響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)大于1s。B 類逆變器宜與A 類光伏逆變器的要求相同。

并網(wǎng)光伏逆變器最大無功容量和逆變器容量的關(guān)系為：

2.2.2 采用儲(chǔ)能設(shè)備削峰填谷

受光伏發(fā)電自身間歇性、波動(dòng)性的影響，分布式光伏高比例滲透給電網(wǎng)消納、安全運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能能夠平抑光伏的間歇性、波動(dòng)性。分布式儲(chǔ)能的主要目的是調(diào)節(jié)峰谷用電問題，有利于電力調(diào)度，避免供電容量不足，減小臺(tái)區(qū)電壓波動(dòng)幅度，降低峰值負(fù)荷，從而提升電網(wǎng)的運(yùn)行效率。

2.2.3 通過多組并聯(lián)電抗器減少電壓波動(dòng)

對(duì)于分布式光伏接入造成的臺(tái)區(qū)電壓波動(dòng)問題，可在臺(tái)區(qū)上裝設(shè)多組自動(dòng)投切并聯(lián)電抗器補(bǔ)償裝置，從而達(dá)到“精細(xì)化補(bǔ)償”的效果[3]。通過優(yōu)化無功補(bǔ)償方案，穩(wěn)定臺(tái)區(qū)電壓，解決電壓波動(dòng)問題，改善供電質(zhì)量，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)跟蹤運(yùn)行時(shí)無功功率的變化，自動(dòng)投切相應(yīng)容量的電抗器，從而實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的電壓控制，減少能耗，控制策略如圖7所示。

圖7 并聯(lián)電抗器控制策略

分組自動(dòng)投切并聯(lián)電抗器治理效果論證：以某臺(tái)區(qū)為例，配變?nèi)萘繛?00kVA，接入分布式光伏容量238.6kW，光伏滲透率59.65%，經(jīng)過對(duì)該臺(tái)區(qū)2022年9月電表后臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該臺(tái)區(qū)存在電壓波動(dòng)問題，波動(dòng)范圍為221～244V，即0.45%～10.91%，已超出國(guó)標(biāo)要求的電壓波動(dòng)范圍。對(duì)多組自動(dòng)投切并聯(lián)電抗器補(bǔ)償裝置投運(yùn)后該臺(tái)區(qū)電壓壓降情況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 電壓壓降情況統(tǒng)計(jì)表

裝置投入前后臺(tái)區(qū)電壓對(duì)比，如圖8所示。

圖8 裝置投入前后臺(tái)區(qū)電壓對(duì)比

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析得出，采用多組自動(dòng)投切并聯(lián)電抗器補(bǔ)償裝置可有效改善因分布式光伏接入造成的臺(tái)區(qū)電壓高電壓、波動(dòng)大等情況，切實(shí)提高臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量，該裝置具有較強(qiáng)的可行性。

3 結(jié)語

在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的政策支持和在高滲透率光伏接入配電網(wǎng)的背景下，本文從技術(shù)和管理的角度分別闡述了目前分布式光伏接入電力系統(tǒng)后存在的一系列問題，分析了因分布式光伏接入而產(chǎn)生臺(tái)區(qū)高電壓?jiǎn)栴}的根本原因，并提出了分布式光伏高電壓?jiǎn)栴}的解決方案，以此提升電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，減少電網(wǎng)的損耗。