分布式光伏对局部电网安全运行影响研究及开发应用

邹兆东

国网湖北省电力有限公司十堰供电公司 湖北 十堰442000

1 引言

当今社会，随着生产力的发展，传统化石能源对环境造成了巨大的影响而且出现短缺。为了缓解能源短缺和环境污染造成的压力，人们正在积极寻找可再生、清洁的能源作为化石能源的替代品。其中，太阳能和传统能源相比具有储量丰富、无需运输、清洁无污染、可再生四大方面的优点，受到人们广泛关注。加强对分布式光伏发电系统的研究对于提高能源效率有着至关重要的意义。

2 分布式光伏系概述

分布式光伏系统接入电网时，一般是建立在电力电子技术基础之上的。大量的电力电子转换器的接入对电网来说，相当于增加了大量的非线性负载，势必会引起电网电流、电压波形发生畸变，即引起电网的谐波污染。同时由于电源出力受自然条件的影响，其输出呈现间歇性的特点，接入主网时会对其电压，频率的稳定性造成影响。

为适应我国分布式光伏发电的发展，保证光伏系统接入情况下电网的电能质量水平，就必须开发一种针对光伏电站的综合监测及评估系统，实现光伏电站的电能质量准确测量及电能质量问题源定位；分析光伏电站的故障及对继电保护动作的影响；跟踪系统内的功率波动情况，对分布式光伏电站进行综合监测及评估分析。

3 介绍国内研究机构对本项目的研究情况

3.1 针对光伏电站的数据高精度采集技术 由于光伏系统的接入，系统的电能质量问题较多，装置应能准确反应测量点的各项电气指标信息(包括谐波、间谐波、电压波动和闪变等)，特别是能提取光伏电站接入引起的暂态电能质量问题信息，同时高效的实时数据处理不应对装置硬件造成负担。

3.2 基于太阳能光伏电站监测数据的综合分析技术 应具备一种综合分析技术，构建光伏电站的综合分析模型，实现对光伏电站中的电能质量稳态数据及暂态故障数据进行综合分析，以便客户掌握全面的系统信息用于分析光伏电站接入对系统运行的影响。

3.3 精确的谐波及间谐波分析 监测装置能够准确记录光伏电站的电力电子设备产生的谐波及间谐波信息，针对光伏电站的特点，谐波分辨率高于一般的电能质量装置，并能分析谐波及间谐波对电网的影响。

3.4 光伏电站现场测试功能 监测装置能够实现电能质量测试、功率特性测试、电压异常(扰动)响应特性测试、低电压耐受能力测试、频率异常(扰动)响应特性测试等测试的数据准确记录功能，以便利用相关数据分析光伏电站接入对系统稳定性的综合影响。

3.5 电能质量及故障记录复合功能 装置应在同一硬件平台上实现电能质量和故障记录的复合功能，能分析同一时刻电能质量事件与电力系统故障事故之间的关联关系，同时需要有完善的数据对齐及分析技术对电能质量稳态数据及故障暂态数据进行统一综合分析。

4 分布式光伏发电系统开发设计方案

4.1 项目研究内容的原理 项目通过采集光伏电站各测量点的谐波、间谐波、电压波动和闪变等信息，对这些实时数据进行综合分析，同时，能够对同一时刻电能质量事件与电力系统故障事故之间的关联进行分析，并根据分析结果制定合理的治理解决方案，减轻光伏等新能源产业给电网运行带来的一系列问题。

4.2 分布式光伏发电系统的理论依据

4.2.1 分布式并网光伏发电系统 光伏发电分为2种并网形式：一是通过中高线路接入输电网；二是经过低压线路接入配电网。其中第2种多是农村屋顶光伏电或城市小规模建筑光伏电源，即分布式光伏电源(PV)。PV并网系统主要由光伏阵列、逆变器、变压器和控制系统等组成，其结构如图所示

由于对分布式光伏电源性能要求不同，能量传输与变换的控制方式也有多种。从输入角度看，光伏逆变系统可以等效为2种形式：电流源型和电压源型。前者，在直流侧串联大电感以储存无功功率，并提供稳定的直流输入，但串入大电感会影响系统动态响应的速度，实际中应用很少；后者采用电容作为储能元件缓冲无功功率，在世界范围内应用广泛。

从输出角度看，并网逆变器的输出控制模式同样有电压型和电流型2种。在电压型模式中，并网逆变器对电网呈现低阻抗特性，其输出的是标准正弦脉宽调制信号，并网电流和输出电源的质量完全取决于电网电压；而在电流型模式中，并网逆变器呈现出高阻抗特性，输出电流是受控量，它的质量受到电网电压的影响较少，采用这种模式，可以减小电网电压的扰动对输出电流的影响，改善输出电流的质量，应用较多。

4.2.3 电压、电流有效值计算 电力系统中，理想的电流电压应该只有频率为工频这一种电量，但由于非线性负载的加入，电压电流波形产生了畸变，产生了频率为工频整数倍的谐波电量。根据有效值的定义，我们采用离散傅里叶变换和均方根算法进行电压电流有效值计算。

4.2.4 光纤通信技术 光纤通信系统性能良好，在我国的高压输电网中已有大量使用。光纤通信具有如下特点：

信道容量大，输送距离远，能耗低；不同型号之间互相干扰小，保密性好；对电磁干扰不敏感，通信质量好；光缆体积小，密度小，利于运输和施工，对环境危害小能适应各种环境，耐久性好。

4.3 系统设计方案 光伏电站电能质量及故障记录综合监测装置主CPU 采用了当前国际上最为流行的32位超低功耗ARM处理机，具有强大的运算能力和通信能力；采用高速高精度同步AD 技术；双以太网，10 M/100 M 自适应。串口支持RS232/RS485/RS422等方式。遥信输入、遥测输入都有2层隔离，保证了硬件系统的安全、可靠。

光伏电站电能质量及故障记录综合分析平台采用了Lab VIEW作为开发环境。Lab VIEW是一种基于C语言的图形化编程语言和开发环境，是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，采用这种方式进行编程非常方便，并且具有友好的人机交互界面和强大的数据处理能力，同时在查错、调试和网络通信等方面也有着独特的优势。用户通过Lab VIEW丰富的集成模块进行图形化编程，可以方便地获得想要的各种测量功能。平台实现了对并网光伏电站电能质量三项稳态指标的监测，利用LabSQL模块和数据库技术实现数据存储以及基于C/S模式、B/S模式和RemotePanels技术的信息远程发布方案，使监控中心可通过Internet直接查看即时和历史电能质量数据，实现信息共享。

项目开展针对光伏电站的数据高精度采集技术研究，采集测量点的各项电气指标信息，提取光伏电站接入引起的暂态电能质量问题信息；项目开展基于太阳能光伏电站监测数据的综合分析技术研究，实现对光伏电站中的电能质量稳态数据及暂态故障数据进行综合分析；项目开展精确的谐波及间谐波分析研究，分析谐波及间谐波对电网的影响；项目开展光伏电站现场测试功能研究，实现测试数据的准确记录功能，分析分析光伏电站接入对系统稳定性的综合影响；项目开展电能质量及故障记录复合功能研究，实现电能质量稳态数据及故障暂态数据进行统一综合分析。

5 结束语

通过项目的实施，能够对丹江地区电网的光伏发电等新能源产业带来的电能质量问题及系统稳定性问题进行及时跟踪和分析；弥补避免单一的谐波监测或电能质量监测由于监测不全带来的分析偏差；并能够根据监测结果制定合理的治理解决方案；根据现场情况选择便携或在线监测，减轻现场操作人员的工作强度和压力；完善的光伏试验分析模块可分析光伏电站接入后各项特性对系统稳定性的影响。通过全面精确的监测和深入分析后解决方案的制定，能够减轻光伏等新能源产业给电网运行带来的一系列问题，全面提高广西电网运行的可靠性和安全稳定性。