基于电压波动的并网光伏系统对电能质量的影响

张丁，王颂凯，安源，王浩，丁航

（西安理工大学，陕西西安 721048）

基于电压波动的并网光伏系统对电能质量的影响

张丁，王颂凯，安源，王浩，丁航

（西安理工大学，陕西西安 721048）

为了分析并网光伏发电系统接入电网后对用电质量所产生的影响，以系统电压波动为目标进行研究。在理论分析的基础上，基于电力系统分析综合程序（power system analysis software package PSASP）建立光伏电站输电网络模型，针对光照强度、光伏并网容量、光伏无功补偿等3方面的影响，对光伏发电并网系统对电能质量的影响进行仿真。仿真结果表明，光照扰动、接入电网的光伏容量、无功不足均会对系统电压产生一定影响，需要以相应的措施降低电压波动，从而提升系统电能质量。

光伏并网；电能质量；无功补偿

近年来，能源危机、环境保护逐渐成为全球关注的热点问题。随着以煤炭、石油等为代表的传统能源面临枯竭，能源短缺以及温室效应、雾霾等严重的环境污染日益制约着社会经济的发展。以风能、太阳能为代表的可再生能源的开发及利用越来越受到国际社会的重视。太阳能具有可再生、分布广、无污染以及蕴藏量丰富等优势，光伏发电是其主要的利用形式。随着光伏系统成本的不断降低及光伏并网技术的日趋成熟，光伏发电技术已从独立发电逐步走向并网发电，且发电规模不断增大。在政府的大力引导与光伏技术的支撑下，我国已在全国范围内建成多个兆瓦级光伏电站。

随着大型光伏电站的迅速发展，光伏电站并网所产生的电能质量问题越来越突出，目前国内外有一定的研究。文献[1]用微分方程建立了光伏电站的整体动态数学模型，并提出了光伏电站在MPPT和定功率控制模式下的稳定性判据；文献[2]建立了一种不包含高频开关元件的光伏发电系统的通用性机电暂态模型，将机电暂态模型结果与电磁暂态模型的仿真结果进行了对比分析；文献[3]通过对谐波的检测与分析，研究了光伏并网后对电网带来的影响；文献[4]通过仿真，研究了大规模光伏电站接入电网后，在光伏电站出力变化和电网负荷突变的2种情况下，光伏电站对电网稳定性产生的影响；文献[5]在实测数据的基础上，建立大规模光伏电站通用仿真模型，分析大型光伏电站的外特性以及并网后给电网带来的电能质量问题。

高质量的电能对于保证电网和电气设备的安全、经济正常运行，提高产品质量和保证居民正常生活有着十分重要的意义。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电，同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差120°，但随着光伏电源的应用，用电负载越来越多样化，系统拓扑结构越来越复杂，引起的电能质量问题己越来越受到人们的重视[6]。

1 光伏电站对用电质量的影响

与传统输电网络相比，光伏发电并网系统的电能质量问题主要由光伏电源本身的结构特性、储能设备、网络运行特点和负荷性质决定[7]。其对电能质量的不利影响主要由以下几个方面：

1）光伏电源并网导致大量的电力电子转换器应用到系统中，其开关器件频繁的开通和关断易产生开关频率附近的谐波分量，对电网造成谐波污染。事实上，不论发电机组是直接与电力系统相连还是通过电力电子接口装置和电力系统相连，光伏电源都会带来波形畸变的问题。另外，为了提高感应发电机的功率因数，往往安装并联电容器，这无疑会导致系统出现谐振。而且对于光伏电源中的最大功率跟踪技术MPPT的扰动观察法，也会在电网中引入谐波。

2）光伏阵列是产生电能的部件，是整个系统的重要组成部分，但它很容易受外界环境的影响，比如光照、温度、湿度等外界条件，当外界环境发生较大改变时，光伏电池的出力就会出现间歇性和随机性，从而会影响整个系统的输出，导致并入电网的电压及其频率发生波动。

3）当电力公司供电因故障、事故或停电维修而跳脱时，光伏并网发电系统有可能和周围的负载构成一个自给供电的孤岛，即所谓的孤岛效应。当光伏切换成孤岛方式运行时，如果没有储能元件或其能量太小，容易导致电压波动与闪变。对于单相光伏电池，当其脱离原有的电网后，原来的单相供电模式可能造成其他电网内出现三相负载不对称的情形，还有可能影响到其他用户的电压质量[8]。

虽然光伏电源的并网给传统的电力系统带来了许多问题，但同时也存在着改善电能质量的诸多优势：首先，当系统中关联负载较大时，光伏电源能够及时快速地提供电能，使系统尽可能减少故障，从而提高电网的稳定性。光伏电源的接入提高了接入点的短路容量水平，增加电网强度，降低电压波动与闪变。光伏电源接入减少了馈线中的传输功率，同时加上光伏电源无功出力的支持，对负荷节点起到电压支撑的作用[9]。

了解光伏并网所带来的优点与缺点，就可以更好地分析光伏发电对于电能质量的影响。

2 光伏电站电压波动理论分析

电网的潮流决定了电网的电压分布情况，所以电网中负荷消耗和电源注入功率的变化都会引起电网各母线节点的电压波动，因此，光伏电源接入电网引起电压波动根本原因是分布式电源输出功率的波动。引起光伏电源功率波动的因素很多，自然条件的变化是主要原因。如太阳光照度的改变影响到光伏电池输出功率的大小[10]。为了提高光伏电源的发电效率，很多机组采用了最大功率追踪控制，所以当外界条件发生变化时其输出功率必然随之变动，从而引起电压波动。

下面，将具体分析并网式光伏电源输出功率波动对系统电压波动的影响。

图1为光伏并网的等效示意图，将光伏电源视为供电电源，利用戴维南等效将原电网等效为负载。其中，U1为光伏出口的电压相量；U2为原电网电压相量；Z为线路阻抗；P、Q为光伏电源向系统输送的有功功率和无功功率。

图1 光伏并网等效示意图Fig.1 Equivalent diagram of grid-connected photovoltaic system

由图1可知，线路上的电压满足以下关系：

其中

一般，线路两端电压的相角差δ较小，可忽略电压降横分量对电压损失的影响，得

设光伏电源的有功和无功变化量分别为ΔP，ΔQ，则

假设U2=UN，则并网节点相对电压波动值为

由上可知，光伏电池光照度的随机变化引起注入系统的有功功率P和无功功率Q的变化，造成电压的波动与闪变[11]。线路电阻和电抗值是影响电压波动变化量的重要因素，合适的线路电抗与电阻比可以使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉，从而使总的平均波动与闪变值有所降低。在电抗X中有相当大的比重是系统等值电抗，系统等值电抗与短路容量成反比，系统短路容量越大，电源等值阻抗越小，造成的电压波动就越小。

输线路参数特点的不同会对线路上电压的波动会产生不同的影响[12]，在电压等级较低的配电网络中，R≫X，因此电压波动的幅值主要取决于有功功率的变化，而在电压等级较高的输电网络中，X≫R，所以电压波动的幅值将主要取决于光伏电源无功的变化。

为进一步简化计算结果可以对将要连接到供电系统中的光伏电源对公共连接点（PCC）的电压反作用进行预估[13]。

对于平衡的三相负荷，PCC处的短路容量为：

式中，Z0为系统等值阻抗；Id表示PCC处的短路电流。

当系统阻抗电压降相对于系统标称电压很小时，供电电流的变化量可以用接入的负荷容量的变化量来表示：

光伏接入后的电压波动值为

相对电压波动值为

以上为忽略线路阻抗角和功率因数角的推导过程。

若考虑电网的线路阻抗角和功率因数角，则可以进行如下分析。图2给出了含有光伏电站并网的电力系统的戴维南等效电路图[14]，Sk表示光伏电站并网与电力系统的公共连接点的短路容量；Z=Z1+Zpv表示光伏电站及并网输电线路的等效阻抗；Ipv表示光伏电站输电线路上的电流；Zs=R+jX表示系统的等效内阻抗，当光伏电站出力变化时，Ipv也会发生变化。

图2 戴维南等效电路图Fig.2 The Thevenin equivalent circuit diagram

据瞬时无功功率理论，可将光伏并网线路上的电流表示为：

并网点电压变化量可以表示为

式中：Φ为从光伏接入点看，电网系统的阻抗角；θ是光伏电站的功率因数角；ΔP是光伏出力的变化量；Us是电网系统的电压；Upv是光伏电站的电压；Un是PCC的电压。

若忽略电网系统内阻抗，光伏并网输电线距离较近，有Upv≈Un，Us≈Un，则：

所以电压相对变化率为

由此可以根据光伏接入电网节点的短路容量和电网中所能引起的电压波动阈值确定接入电网的光伏容量。由于这一推导仅仅考虑了电压波动值，光伏容量的确定还与无功波动，有功需求及渗透率有关[15]，所以本节推导出的光伏容量约束性小，数值较大，只能作为光伏电站的容量上限使用。

3 光伏电站的电压波动仿真分析

本节所有仿真都是在（PSASP）中进行，本文所采用的输电网模型为7节点输电网络模型，在此模型上进行光伏发电并网系统对电能质量影响的仿真。输电网络模型如图3所示，图中G1母线接光伏发电机，为PQ结点；G2母线接一般同步发电机，为PV节点；S1为平衡节点；母线都为220 kV母线；B4-220母线上接有一个并联电抗器。该系统中光伏发电所占比重比较小，较符合实际电网的情况。模型内部全采用标幺值计算，SB=100 MVA。要进行以下3方面内容的仿真：1）光照扰动对电压波动的影响；2）光伏并网容量对电压波动的影响；3）光伏无功补偿对于电网电压的支撑作用。

图3 7节点输电网络模型Fig.3 7 node transmission network model

3.1 光照扰动对电压波动的影响

G1的容量为60 MVA，G2的有功功率为2 500 MW，电压为1.03（p.u.）负荷为3 000+300j MVA。改变G1的光照强度，使其在5 s时跌落一半，在15 s时回升回原光照强度，光照强度示意图及光伏模型G1出口处的电压波动分别如图4、图5所示。

图4 光照强度示意图Fig.4 Schematic diagram of light intensity

图5 G1出口处的电压波动图Fig.5 Voltage fluctuation at G1 exit

可以发现，光伏模型G1出口处的电压和光照强度有一样的变化趋势，这是由于随着光照的变化，光伏的无功出力在变化，因此会导致电压波动。但是电压下降的不是特别明显，这是因为光伏的容量比较小，对电压的影响力不是很大，而且光伏本身对电压就有一些支撑作用，所以G1出口处电压波动不大。此外在G1出口处的电压波动图的一些转折点上，可以看出光伏模型的调制过程，这是PWM逆变器的调制过程的体现。

3.2 光伏并网容量对电压波动的影响

改变G1的并网容量分别问0 MW、20 MW、40 MW、60MW，使其发出10%的无功功率，G2的有功分量为2 500 MW，电压为1.03（p.u.），负荷为3000+300j MVA。观察G1出口处的电压水平，结果如表1所示。

表1 G1出口处的电压值Tab.1 The voltage at the G1 exit

由表1可知，随着光伏容量的增加，光伏电站无功出力增加，可抬高电网节点的电压水平，这和第2节中的推导相符合，因此，随着并网光伏容量的增加，将会改善电网节点的电压质量。

3.3 光伏无功补偿对于电网电压的支撑作用

本仿真做了4组数据，G1的容量为60 MV·A，在方案一与方案三中，全发有功；在方案二与方案四中，发10%的无功分量。G2的有功功率在方案一与方案二中为2 500 MW，在方案三与方案四中为80 MW，每一组方案的负荷数据分别为30+300 jMV·A和30+800 jMV·A。这样就得到了以下四组数据（见表2）。

表2 四组数据结果Tab.2 Four sets of data

由Case1可知，随着负荷无功需求的增加，光伏出口处的电压将下降，这是由于在输电网络中，线路所传输的无功功率与线路的电压损耗近似成正比，这样可能导致节点电压低于电压标准，降低了电能质量。

比较Case1和Case2或Case3和Case4，可以发现，光伏输出了10%的无功分量后，相应的电压会升高，这也和前文推导的无功功率对电压有一定的支撑作用相吻合，但是由于光伏容量有限，无功分量含量较少，对电压的支撑作用很小，所以在光伏电网中调节电压主要还得依靠无功补偿设备。

4 结论

对于电能质量分析，可以得到以下结论：

1）光照扰动会造成电压的波动，但由于所仿真的光伏容量较小，电压波动不大，但是在实际系统中，若光伏容量较大，则需要配备一定的储能来降低电压的波动。

2）接入电网的光伏容量对电压波动有一定的影响，随着光伏容量的增加，光伏电站无功出力增加，可抬高电网节点的电压水平，改善电网节点的电压质量。

3）无功不足将导致电压跌落，光伏电站发出一定的无功可以对电压起到支撑作用，但是支撑作用很小，仍需要在光伏电站中配备无功补偿措施。

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（编辑 张晓娟）

Impacts of Voltage Fluctuation of Grid-connected Photovoltaic Systems on Power Quality

ZHANG Ding，WANG Songkai，AN Yuan，WANG Hao，DING Hang
（Xi’an University of Technology，Xi’an 721048，Shaanxi，China）

To analyze impacts of the grid-connected photovoltaic power generation system on the power quality，system voltage fluctuations should be studied.Based on the theoretical analysis，a photovoltaic power plant transmission network model is built in this paper based on Power System Analysis Software Package（PSASP），and considering the light intensity，PV grid capacity and PV reactive power compensation，impacts of the grid-connected photovoltaic power generation system on the power quality are simulated.The simulation results show that light disturbances，PV capacity connected to the grid and the insufficient of reactive power all have certain impacts on the system voltage，and appropriate measures are needed to reduce voltage fluctuations，so as to improve the system power quality.

PV grid；power quality；reactive power compensation

2017-01-22。

张 丁（1988—），男，硕士研究生，主要研究方向为新能源并网稳定性、电力市场；

王颂凯（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向为为新能源电力系统、电力系统测量和控制与保护；

安 源（1968—），男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为新能源电力系统、电力系统保护与自动化；

丁 航（1991—），男，硕士研究生，主要研究方向为新能源电力系统、电力系统测量和控制与保护；

王 浩（1991—），男，硕士研究生，主要研究方向为为新能源电力系统、电力系统测量和控制与保护。

国家自然科学基金重大项目（5119003）；黄河上游水电开发有限责任公司项目-龙羊峡水光互补协调运行理论与方法研究。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（5119003）；The Yellow River Upstream Hydropower Development Co.Ltd.TechnologyProject-ResearchonTheoryandMethodfor Longyangxia Hydro-Solar Power Complementary Coordinated Operation.

1674-3814（2017）04-0119-06

TM615

A