湖北省分布式光伏电压和频率耐受能力分析

蔡德福，汪 鹏，闫秉科，万 黎，曹 侃，叶 畅，饶渝泽，王 莹

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉430077；2.国网湖北省电力有限公司，湖北 武汉430077）

0 引言

近年来，湖北省以风、光为主的新能源开发利用增速较快［1-3］。截至2019年底，湖北风电、光伏发电累计装机容量10 267.1 MW，主要接入110 kV及以下电网，其中接入110 kV 电网6 782 MW，占比66.1%；接入35 kV及以下电网3 303 MW，占比32.2%。同时全省风光资源分布不均，优质资源相对集中，使得风光资源开发热点地区黄冈、孝感、随州等局部区域接入较为集中。部分地区新能源无法在配电网就地消纳，出现向主网倒送功率现象，甚至发生潮流和电压越限等问题，影响到配电网的安全运行［4-7］。

受光照资源时间分布不均衡和气象变化的影响，分布式光伏的输出具有随机性、波动性、间歇性的特点，其可调可控性较差。随着分布式光伏装机容量的不断增加，分布式光伏发电呈现“点多面广、局部高密度并网”的特点［8］，分布式光伏与配电网之间的交互影响日益明显，包括分布式光伏对配电网的影响和配电网对分布式光伏的影响两方面［9-17］。分布式光伏大规模高密度并网将影响配电网的无功调节［18-20］、电能质量［21-23］、保护配置［24-26］、发电规划［27-29］等规划设计和调度运行的各个方面；同时，对电网运行的影响呈现“局部向全局发展、配电网向主网延伸”的趋势。

国家强制标准规定新能源场站以及分布式电源的电压和频率耐受能力原则上与同步发电机组的电压和频率耐受能力一致［30］。本文首先介绍了分布式光伏涉网技术要求，对湖北省接入35 kV和10 kV电压等级的分布式光伏项目的电压和频率耐受能力进行了多维度分析，着重分析了不满足频率响应要求和不满足电压保护动作时间要求的分布式光伏项目情况，并提出了相应的整改建议。

1 分布式光伏涉网技术要求

分布式电源是指接入35 kV 及以下电压等级电网、位于用户附近，在35 kV及以下电压等级就地消纳为主的电源，包括同步发电机、异步发电机、变流器等类型电源。分布式光伏为变流器类型电源，其涉网技术要求如下［31］：

1）当分布式光伏并网点频率在49.5 Hz～50.2 Hz范围之内时，分布式光伏应能正常运行。

2）分布式光伏应具备一定的耐受系统频率异常的能力，能够在表1 所示的电网频率范围内按规定运行，并应按表1要求进行频率保护配置。

表1 分布式光伏的频率响应时间要求Table 1 Frequency response time requirements of distributed photovoltaic

3）当分布式光伏并网点稳态电压在标称电压的85%～110%时，分布式光伏应能正常运行。

4）当分布式光伏并网点处电压超出表2规定的电压范围时，应在相应的时间内停止向电网线路送电。

表2 电压保护动作时间要求Table 2 Voltage protection action time requirements

表2 中UN为分布式光伏并网点的电网额定电压；最大分闸时间是指异常状态发生到电源停止向电网送电的时间。

分布式光伏的频率响应时间和电压保护动作时间一般可通过对逆变器的参数进行设置来满足相关标准要求，但有时受制于逆变器的过流和绝缘水平，无法通过调整逆变器的参数设置使其满足电压保护动作时间要求。

2 湖北省分布式光伏电压和频率耐受能力

本次共核查分布式光伏项目703 个，容量共计1 052.48 MW，其中接入10 kV 的701 个，接入35 kV 的2 个；直接接入公共电网的693 个，接入用户侧的10个；涉及逆变器数量共12 215 个。各地市公司分布式光伏项目情况如表3所示。其中十堰地区分布式光伏项目数量最多、容量最大、逆变器数量最多。

表3 各地市公司分布式光伏项目Table 3 Distributed photovoltaic of different power supply companies

通过核查，共查出62个分布式光伏项目不满足涉网技术要求，占核查分布式光伏项目的8.8%；涉及容量共计212.51 MW，占总容量的20.2%；涉及逆变器1 523个，占逆变器总数的12.5%。

共有20 个分布式光伏项目不满足频率响应时间要求，占核查分布式光伏项目的2.8%，占不满足涉网技术要求分布式光伏项目的33.3%；涉及容量共计77.77 MW，占不满足涉网技术要求分布式光伏项目总容量的38.8%；涉及逆变器519 个，占逆变器总数的4.2%，占不满足涉网技术要求逆变器总数的34.3%。

共有61 个分布式光伏项目不满足电压保护动作时间要求（其中19个分布式光伏项目既不满足频率响应时间要求也不满足电压保护动作时间要求），占核查分布式光伏项目的8.7%，占不满足涉网技术要求分布式光伏项目的98.4%；涉及容量共计210.11 MW；涉及逆变器1 432个，占逆变器总数的11.7%。不满足涉网技术要求的分布式光伏项目共涉及8 家地市公司，其中黄冈公司最多，为17个。

不满足涉网技术要求的主要逆变器厂家分布情况如表4 所示，其中不满足涉网技术要求的逆变器数量排名前3 的厂家为华为（476 个逆变器，占比31.5%）、科士达（408 个逆变器，占比26.8%）、阳光电源（157 个逆变器，占比10.4%）。

表4 不满足涉网技术要求的主要逆变器厂家Table 4 Major inverter manufacturers that do not meet grid-related technical requirements

3 不满足频率响应时间要求的分布式光伏

不满足48 Hz ≤f ＜49.5 Hz应能运行10 min要求的分布式光伏项目7个，涉及逆变器260个，涉及容量总计25.25 MW，其中咸宁地区3 个，涉及容量为15.6 MW，荆州地区4 个，涉及容量为9.65 MW。不满足50.2 Hz＜f ≤50.5 Hz应能运行2 min要求的分布式光伏项目18 个（其中5 个分布式光伏项目同时不满足48 Hz ≤f ＜49.5 Hz 和50.2 Hz＜f ≤50.5 Hz 应能运行的时间要求），涉及容量总计60 MW，涉及逆变器269个。不满足频率响应时间要求的20 个分布式光伏项目在各地市公司分布情况如图1所示，涉及4家地市公司，其中黄冈地区最多，均为不满足50.2 Hz＜f ≤50.5 Hz应能运行2 min的要求。

图1 不满足频率响应要求的分布式光伏项目Fig.1 Distributed photovoltaic projects that do not meet frequency response time requirements

不满足频率响应时间要求的20 个分布式光伏项目中，主要以不满足50.2 Hz＜f ≤50.5 Hz 应能运行2 min 要求为主。只有7 个项目不满足48 Hz ≤f ＜49.5 Hz应能运行10 min要求，在该频率范围内只能运行5 min，涉及容量总共为25.25 MW，分布在咸宁和荆州地区。

4 不满足电压保护动作时间要求的分布式光伏

不满足电压保护动作时间要求的分布式光伏项目如表5 所示，其中不满足U＜50%UN最大分闸时间不超过0.2 s 要求的分布式光伏项目数量最多，为44 个；不满足110%UN＜U＜135%最大分闸时间不超过2.0 s要求的分布式光伏逆变器数量最多，为792个。

表5 不满足电压保护动作时间要求的分布式光伏项目Table 5 Distributed photovoltaic projects that do not meet voltage protection action time requirements

部分同一分布式光伏项目的不同逆变器所不满足的电压保护动作时间要求不同，如咸宁地区的西湖光伏电站1 号逆变器的U＜50%UN最大分闸时间实际为0.5 s，不满足0.2 s 的要求，2 号～32 号逆变器的110%UN＜U＜135%UN最大分闸时间实际为3 s，不满足2.0 s 的要求。部分分布式光伏项目同一逆变器同时不满足多个电压范围的保护动作时间要求，如荆门地区寅泰万华家居光伏（一期）逆变器的U＜50%UN最大分闸时间实际为1.25 s，不满足0.2 s 的要求，110%UN＜U＜135%UN最大分闸时间实际为15 s，不满足2.0 s 的要求。不满足电压保护动作时间要求的61 个分布式光伏项目在各地市公司分布情况如图2 所示，其中荆州、黄冈地区的分布式光伏项目最多。

图2 分布式光伏项目分布情况Fig.2 The distribution of distributed photovoltaic projects

5 结语

通过对湖北省703个分布式光伏项目的电压和频率耐受能力进行核查分析，发现共有62个分布式光伏项目不满足相关要求，涉及容量212.51 MW，涉及逆变器1 523个，其中不满足相关要求的逆变器厂家主要为华为、科士达和阳光电源。不满足频率响应时间要求的分布式光伏项目有20 个，其中不满足48 Hz ≤f ＜49.5 Hz 应能运行10 min 要求的有7 个，涉及容量25.25 MW；不满足50.2 Hz ＜f ≤50.5 Hz 应能运行2 min要求的有18个，涉及容量60 MW。不满足电压保护动作时间要求的分布式光伏项目有61个，主要体现在不满足U＜50%UN最大分闸时间不超过0.2 s 要求（有44个）和不满足110%UN＜U＜135%UN最大分闸时间不超过2.0 s要求（有21个）。

对于不满足相关要求的分布式光伏项目，应根据有关标准重新设置逆变器的频率响应时间和电压保护动作时间参数。若分布式光伏逆变器不具备电压保护动作时间参数调整设置条件，建议采取针对性的技术改造措施。

随着光伏发电等新能源大量接入电网，保证高比例新能源电力系统安全稳定运行是实现高效消纳的重要基础，对分布式光伏的电压和频率耐受能力提出了新的要求。光伏发电逆变器为静止式的电源部件，自身频率适应性很强。国家标准《GB/T 37408—2019 光伏发电并网逆变器技术要求》已于2019年12月1日实施，该标准规定光伏发电并网逆变器在标称电压的90%～110%时应能正常运行，在其他电压范围时应满足低电压穿越能力和高电压穿越能力要求；当并网点频率在46.5 Hz～51.5 Hz范围之内时，应能正常运行，并规定了9个不同频率区间的运行要求。