溫 鑫 姚文瑩 何圣川 馮興興

（廣東電網(wǎng)廣州供電局，廣東 廣州 510000）

0 引言

當(dāng)今世界，由于人口過度增長，石油、煤炭等常規(guī)不可再生化石能源日益枯竭，能源危機(jī)已成為世界各國發(fā)展面臨的首要問題，國家已將發(fā)展清潔能源作為應(yīng)對能源危機(jī)與環(huán)境惡化的有效手段之一，其中太陽能的合理利用成為國內(nèi)外各機(jī)構(gòu)的研究重點。分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為未來能源形勢發(fā)展的必然選擇，但其也帶來很多問題亟需解決[1]：一方面，分布式光伏電源的出力間歇性、波動性、不確定性對配電網(wǎng)饋線電壓有影響；另一方面，分布式光伏組件中逆變器等非線性特征元件是諧波污染的主要來源。由于配電網(wǎng)中分布式光伏電源的接入容量相對較小，對并網(wǎng)饋線電壓三相不平衡度、并網(wǎng)大電網(wǎng)的頻率偏差、暫時過電壓及瞬態(tài)過電壓影響較小，所以本文暫不考慮分布式光伏電源在三相不平衡度、頻率、暫瞬時過電壓方面對系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響，主要對饋線電壓偏差和電壓波動進(jìn)行分析。

1 分布式光伏電源模型

分布式光伏電源可分為低壓分布式光伏與中壓分布式光伏。低壓分布式光伏大多數(shù)為屋頂小型電源，主要由光伏組件、匯流箱、光伏并網(wǎng)逆變器及低壓智能雙向計量裝置組成，一般當(dāng)上網(wǎng)電價小于售電電價時，自發(fā)自用的比率越高，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益越大。中壓分布式光伏在容量、數(shù)量上明顯區(qū)別于低壓分布式光伏，可看作是多個光伏逆變器并聯(lián)再由升壓變壓器統(tǒng)一將電能輸入網(wǎng)架。分布式光伏電源并網(wǎng)類型主要有逆流型、非逆流型和切換型三種，本文主要研究對象為配網(wǎng)中常見的逆流型分布式光伏電源。如圖1所示，在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，將旋轉(zhuǎn)的三相交流量變成直流分量，以此為基礎(chǔ)，采用常規(guī)的恒有功無功控制方式（PQ控制）對逆變器的電流指令進(jìn)行調(diào)節(jié)，鎖相環(huán)（PLL）實時追蹤電網(wǎng)的相角，內(nèi)環(huán)電流控制環(huán)節(jié)實時追蹤并網(wǎng)電流跟蹤控制，電壓外環(huán)實時追蹤直流側(cè)電容電壓并將其反饋至控制器，輸出電壓和電流再經(jīng)濾波元件并網(wǎng)，既確保產(chǎn)生的電能質(zhì)量符合要求，又保證輸出的有功功率和無功功率能夠穩(wěn)定在給定參考值的附近，其中無功的參考值指令為0，正常運行在單位功率下不向電網(wǎng)提供無功功率。

圖1 逆流型分布式光伏電源PQ控制策略原理圖

圖2是根據(jù)電池的外特性擬合電壓與電流的光伏電池外特性模型并進(jìn)行仿真的輸出特性曲線圖[2]，在實際配網(wǎng)中分布式光伏并網(wǎng)運行時，可利用光伏發(fā)電單元的輸出特性曲線所具有的單峰特性，即在最大功率點附近，光伏發(fā)電單元的輸出電壓增大或減少，都將使光伏輸出的功率降低，利用該輸出特性有利于光伏并網(wǎng)逆變器正常并網(wǎng)運行模式中的最大功率追蹤（MPPT算法），能提高發(fā)電效率。

圖2 分布式光伏電源輸出特性曲線

2 分布式光伏接入對電壓的影響與措施

2.1 分布式光伏接入饋線電壓分布與波動理論分析

圖3為10 kV配電網(wǎng)饋線上接入分布式光伏與用戶排布的典型接線圖，分布式光伏電源接入電網(wǎng)后強(qiáng)迫10 kV配電網(wǎng)饋線的有功功率傳輸大小和方向發(fā)生變化，從而影響正常穩(wěn)態(tài)運行時饋線上各接入點的電壓分布。文獻(xiàn)[3]指出，分布式光伏電源接入系統(tǒng)后所導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題與所并入的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、等效阻抗、負(fù)荷滲透率、并網(wǎng)電壓等級、上一級變壓器短路容量、并網(wǎng)的逆變器參數(shù)及其控制方法和出力大小等密切相關(guān)，以上均是影響分布式電源接入配電網(wǎng)電能質(zhì)量的關(guān)鍵因素，也是進(jìn)行定量分析的基礎(chǔ)。

圖3 含分布式光伏電源的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與負(fù)荷分布示意圖

由于10 kV配電網(wǎng)饋線中所接入的分布式光伏生產(chǎn)形式各異，本文暫不考慮逆變器設(shè)備參數(shù)、控制方式不同等內(nèi)部因素的影響，將同一10 kV饋線上的分布式光伏電源看作是無旋轉(zhuǎn)慣量、出力不定的電源，假定10 kV饋線上n個節(jié)點共接入n個分布式光伏電源，第n個光伏電源的有功出力為PDGn，無功出力為QDGn，接入節(jié)點處流向第n個用戶的視在功率為PLn+jQLn，10 kV饋線的初始電壓U0不變，節(jié)點n處電壓為Un，第n-1個節(jié)點至第n個節(jié)點的線路阻抗為RLn+jXLn，在分布式光伏電源未接入前，按照圖1假定有功功率與無功功率以10 kV母線流向饋線負(fù)載末端為正方向，不計線路損耗，假定用戶都為第一類用戶，消耗的有功功率和無功功率均大于0，即PLn+jQLn≥0，導(dǎo)致10 kV饋線的電壓損耗均為正，線路某個節(jié)點m處的電壓與至線路初始節(jié)點的距離成反比。線路上第m個節(jié)點的電壓Um為：

當(dāng)分布式光伏電源接入饋線后，相當(dāng)于在節(jié)點處增加新的有功或無功出力，節(jié)點不再是單純的負(fù)荷節(jié)點，其等效為潮流網(wǎng)絡(luò)中的PQ節(jié)點。所以，在n個光伏電源接入之后線路上第m個節(jié)點的電壓Um為：

實際分布式光伏電源一般因最大功率追蹤（MPPT算法）會運行在單位功率因數(shù)，即QDGn=0，所以饋線的無功功率均由電網(wǎng)供給，又線路的電抗比較小，可以忽略其對電壓分布的影響，故線路上第m個節(jié)點的電壓Um又可以表示為：

第m個節(jié)點的電壓與第m-1個節(jié)點的電壓差可表示為：

由式（4）可以發(fā)現(xiàn)，假如節(jié)點m后所有負(fù)載消耗的有功功率小于等于光伏的有功功率總出力，即，說明光伏出力后載盈余，會導(dǎo)致節(jié)點m的電壓局部上升至極大值；反之，節(jié)點m后所有負(fù)載消耗的有功功率大于等于光伏的有功功率總出力，即說明光伏出力后載完全消納，節(jié)點m的電壓局部下降至極小值。因此，理論上可以分析出分布式光伏電源接入系統(tǒng)中，其有功出力的間歇性、波動性、不確定性引起的有功功率快速波動是導(dǎo)致10 kV饋線電壓波動的主要原因。不同容量分布式光伏電源接入不同位置對10 kV饋線電壓的影響也不相同，分布式光伏電源接入位置越靠近本級線路末端，其對10 kV饋線電壓的提升作用越大。隨著分布式光伏電源出力功率的增加，10 kV饋線電壓較光伏發(fā)電接入前升高幅度增加，且呈現(xiàn)不同的變化趨勢，分布式光伏接入點可能是局部電壓的極大或極小值點。線路參數(shù)和負(fù)荷對大容量分布式光伏電源接入后電壓升高幅度有影響：電壓升高幅度與線路長度成正比，與10 kV饋線截面積成反比；10 kV饋線上所帶負(fù)荷越小，電壓升高幅度越大，此類情況下要關(guān)注線路電壓是否越限。

2.2 分布式光伏電源接入饋線引起電壓波動的解決措施

措施1：分布式光伏電源并網(wǎng)點加裝電抗補償器或者動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR），可以在進(jìn)行無功功率補償?shù)耐瑫r，提供瞬時有功功率補償，將DVR串聯(lián)接入大容量分布式光伏電源接入點與后載欲補償?shù)闹匾?fù)荷之間，通過對直流側(cè)電源的逆變產(chǎn)生交流電壓，再通過變償裝置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓跌落或抵消系統(tǒng)因有功功率不穩(wěn)定電壓上下的小幅度波動。

措施2：將分布式光伏電源與蓄電池、超級電容器、飛輪等形式的儲能項目相結(jié)合，吸收分布式光伏電源后載盈余時的電能，并在分布式光伏電源出力不足或10 kV饋線電壓偏低時放出電能，削峰填谷。

措施3：調(diào)整分布式光伏并網(wǎng)逆變器的控制方式。根據(jù)理論分析，由于分布式光伏并網(wǎng)接入點可能是局部電壓的極大或極小值點，故可采用中央主控+逆變器電壓無功控制的方式，使得并網(wǎng)的10 kV饋線電壓的并網(wǎng)點電壓始終不超過線路運行電壓的最大值。也可通過改變分布式光伏電源發(fā)電單元的PQ指令值，根據(jù)每個電源并網(wǎng)點需要消耗的無功功率調(diào)節(jié)無功指令，改變運行功率因數(shù)，從而達(dá)到控制并網(wǎng)點電壓的目的。

3 結(jié)語

針對分布式光伏電源接入系統(tǒng)對電能質(zhì)量的影響，本文先給出兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的分布式光伏電源輸出特性曲線與典型的PQ控制方式，再理論分析含分布式光伏電源的配電網(wǎng)電壓分布與波動，根據(jù)理論結(jié)果闡述了三種電壓波動的原因與關(guān)鍵影響因素，并結(jié)合理論分析結(jié)果提出了分布式光伏電源接入饋線引起電壓波動的三種有效解決措施，對實際的光伏工程項目運行具有一定的參考價值。