分布式光伏并网发电系统接入配电网电能质量研究

朱宇超，徐洪忠，柴成林

（浙江浙能兰溪发电有限责任公司燃料部，浙江 金华 321000）

0 引 言

随着世界各国光伏发电规模不断扩大，预计21世纪末，世界能源结构中可再生能源占比总比例将达到80%，所占比率巨大，而其中超过60%为太阳能发电。但是分布式光伏发电系统并入配电网后，会对配电网原有稳定性造成影响，其一是对配电网电压的影响。配电网接入多个分布式光伏电源后，因在原有馈线基础上叠加分布式光伏，其基本工作性质发生明显变化，比如其输出功率明显提升，导致潮流降低，电压稳定性难以保证。从目前研究来看，分布式光伏的接入对谐波的生成具有强相关性。其二，光伏发电极大程度受到光照条件的影响，光照的影响会改变光伏阵列的工作状态，光照不足会使光伏阵列的输出电流与正常工作下的电流存在明显差异。其三，逆变桥开通关断周期中也会产生谐波，对配电网造成谐波污染，缩短配电网设备绝缘使用寿命，且谐波带来的高频噪声会导致检测仪器精确度降低，影响工作效率。其四，在孤岛效应之下，配电网的负载会远大于光伏并网系统的发电功率，极易导致配电网、光伏并网系统同时崩溃，影响正常供电。

1 分布式光伏并入配电网对电压频率波动的影响

1.1 不同光伏并入数量的影响分析

当配电网有单一光伏并入后，图1为分布式光伏接入放射状配电网的负荷分布图。

图1 分布式光伏接入放射状配电网的负荷分布

图1中的多种负荷是由分布式光伏接入而产生的，具有较强的不确定性，为了便于建模，本次研究假定分布式光伏系统与另一系统对等，即可控“动态负荷”。在该假定下，此系统对于能量获取并不敏感，而且在其工作期间可与配电网相互协作，为其输送功率，也就是常说的‘负’负荷。在分布式光伏电源成功与节点m接通的同时，配电网在获得光伏电源输出功率的过程中，会相应改变不同节点的具体电压，使得电压出现明显增高，甚至可能会出现超出阈值的现象。在分布式光伏DG成功与节点m接通时，m节点电压为：

若配电网有多个光伏并入，则馈线负荷分布情况将产生较大变化。图2为多个分布式光伏接入配电网后的馈线负荷分布情况。

如图2所示，馈线上多个负荷点接入分布式光伏电源，未接入分布式光伏电源的负荷点，光伏发电容量视为0。当光伏发电接入之后，在忽略无功功率作用基础上m点电压为：

此外，光伏电源接入配电网后，会产生热量上的变化，若热量不能及时消散，过高的热量会导致配电网馈线线损率提高，增大电路发生故障的概率。

综上分析，小规模分布式光伏电源可直接接入电网，可以大幅度改善电网中电压偏低的问题，负荷较重背景下，分布式光伏发电可提供一定电压支撑，有效缓解电网电压低的现象。但随着分布式光伏容量的增加，电压升高，会对配电网带来不利影响，不论是容量还是接入点增加，均会引起电压升高，且光伏电源接入后，产生的热量变化同样会对线路使用寿命、线路故障率产生影响。

1.2 建立分析模型

基于上述光伏电站与光伏阵列模型，构建简单配电网模型，本次选用某地区0.4 kV均匀配电网，基于变压器接入10 kV配电网，线路总长度设置12 km，负荷的计算如式（3），线路单位阻抗计算如式（4）：

建模前，先设置6个节点，即节点1—6，配电网模型功率为SB=10 MVA，电压基准值为UB=10 kV，线路首端电压标幺值、馈线额定电压标幺值分别为U0=1.05、UN=1.0，设计节点将其视为接入无限大电网。图3为配电网馈线结构。

图3 配电网馈线结构

1.3 影响分析

基于上述建立的配电网模型，开展光伏电源接入位置、接入容量、接入功率因数对于配电网电能质量的影响分析，同时对接入温度带来的影响做出研究。

1.3.1 光伏电源接入位置的影响

通过上述理论分析可知，当分布式光伏电源接入配电网后，接入位置会对电压产生十分显著的影响。在仿真期间，研究组在1.2节配电网模型中6个负荷接点中分别接入单个容量相同分布式光伏PV，改变其在线路上的位置开展仿真，在节点1、节点2、节点3、节点4处接入1号、2号、3号、4号4个MVA光伏PV，功率因数设置为0.9，当PV接入不同节点后，不同节点电压变化情况如表1所示。

由表1数据可以发现，接入点的电压发生十分明显的变化，相比未接入PV的节点5和节点6，PV的接入实现了节点电压支撑作用。特别是在第4节点电压数据变化方面，当分布式光伏电源PV接入第4节点后，对于电压的提升作用最为显著；同时在4个PV容量相同背景下，电压分布也随之发生变化，PV接入点距离配电网母线距离越短，对于电路电压波动的影响越小，反之PV接入节点距离母线距离越远，则电压分布会受到越发显著的影响。因此，在实际将分布式光伏PV接入配电网改造阶段，应选择将PV接入末端，使其与母线距离最大化，实现对整体电网的提升。故本次仿真研究，可论证改变分布式光伏的位置，能够有效控制分布式光伏PV接入之后对配电网馈线节点电压所造成的影响。此外，在接入PV阶段需要注意，分布式光伏PV在配电网末端并网时，应选择合理的容量，确保PV接入之后不会导致各节点的电压高于安全电压。

1.3.2 光伏电源接入容量的影响

在仿真阶段，于相同运行参数直接下对光伏电源接入容量做出调整，在配电网模型的节点3、节点5分别接入PV容量为2 MVA、 3MVA、4 MVA，PV功率因数设置为0.9，PV接入节点3之后对PV容量做出调整，最终获取各节点电压变化曲线以及变压数据。节点3、节点5接入不同容量PV后电压变化情况见表2。

分析表2数据可以发现，在确认分布式光伏电源PV接入位置基础上，调整分布式光伏的容量，会对配电网模型馈线电压造成不同的影响。将PV接入配电网后，因为馈线传输功率降低，所以馈线节点的电压呈现出整体升高趋势，使得节点电压出现明显增加的趋势。站在固定接入节点角度下分析，在分布式光伏PV容量逐步增高的背景下，负荷节点将出现明显的改变，比如电压上升，所产生的后果可能使整个系统的电压呈现持续增加的上涨趋势，一旦超过电压允许偏差范围，馈线电压持续升高直至越限，则必然影响配电网电能质量。

表2 节点3、节点5接入不同容量PV后电压变化情况

2 分布式光伏电源并网影响的控制策略

2.1 谐波抑制策略

2.1.1 谐波产生机理与谐波污染

分布式光伏接入配电网后，功率输出存在非线性期间，设备会因为其工作状态问题产生谐波。从具体设备来看，电力电子器件则是形成谐波的重要零部件。这些电子器件作业阶段因其非线性特点会产生大量高频谐波，如果整个配电网中出现了明显的谐波数量增加，首要体现在波形畸变，最终导致设备无法正常工作，长此以往会导致设备震动、发热、噪声问题，缩短设备绝缘寿命，加快绝缘老化，检测仪器的精度也会受到高频噪声影响，甚至会对相关保护装置产生不良影响。此外，谐波还会在一定程度上造成配电网电压不平衡，会导致整个电容器的工作效率明显下降，长期工作于高谐波电能质量条件下，流过电容附带的无功电流会于电容杂散电阻产生大量热能，严重情况下将导致电容损坏。

通常在逆变器不同输出功率下，其电压电流可以确保同相同位，然而输出功率越小，则电流谐波污染越严重，即波形畸变越大；若逆变器输出功率＜30%，则需要断开光伏发电系统，或是以集群控制方式，将光伏电池输出功率集中至逆变器处推动逆变器工作。表3为逆变器不同输出功率下光伏并网电流总谐波畸变系数数据。

表3 不同逆变器输出功率下光伏并网电流总谐波畸变系数

2.1.2 谐波控制策略

针对分布式光伏并入配电网后带来的谐波污染问题，应从两个方面入手进行谐波抑制，第一为降低谐波含量，第二为实现配电网中谐波吸收。

（1）降低配电网谐波含量。为了降低配电网谐波含量，需要从分布式光伏逆变器入手开展设计。逆变器的脉宽调制波，主要利用电网电压波形采样获取，电网谐波含量较高，逆变获取的电能质量同样附带较高谐波成分，因此在选择光伏逆变器功率开关管阶段，要对分布式电源的谐波发生量进行限制。抑制谐波电流主要有两种思路：一是抑制谐波源的谐波电流发生量，二是在谐波源附近将谐波电流就地吸收或抵消。与此同时，基于SVPMW的逆变器功率开关管，可提高采样精度与运算速度，有效提升光伏并网电能质量，确保输出电压频率、相位与配电网同步。通常情况下，如果提高SPWM的载波频率，则逆变器输出电压的主要谐波也会分布在较高的频率波段。而高频谐波是可以用一套高通滤波器集中滤除的。如果载波比足够大，甚至可以省去用于处理低次谐波的交流滤波器。如果分布式电源输入到电网的电流中含有较多的谐波分量，此刻应通过远程控制将逆变器输入切断，即停止分布式光伏电源向配电网输出，避免产生过多电流谐波。

（2）实现谐波吸收。采用配电用高APF有源滤波器来实现电网谐波抑制，并实现无功补偿。将APF联合光伏并网配合使用，可实现谐波补偿。APF具有响应速度快、自适应能力强等特点，谐波抑制效率最高可达95%以上。

2.2 电压调整策略

配电网中虽然设有有载变压器、无功补偿装置以及电压调节器，然而在大规模分布式光伏电源接入配电网背景下，会造成电压升高，而配电网原有设备并不足以满足配电网电压快速、大幅度波动的调节需求。因此分布式光伏并网后的电压调整，应秉持光伏电源参与调整的思路开展设计，实现光伏自调节+有载调压变压器调节+合理接线结构设计+区域联合调节，才能有效调整光伏并网后电压波动。

2.2.1 光伏自调节

光伏自调节是利用分布式光伏电源的逆变器来实现自主调压，基于逆变器实现有功、无功输出能力来调整节点电压。该方式下可实现在光伏配电网接入节点处调节电压，当分布式光伏接入点较为复杂，基于逆变器的电压调节方式效果十分显著。虽然该方式可有效应对分布式光伏并入配电网后引起的电压变化，但是通常需要光伏逆变器容量在500 kW以上才能够具备无功控制能力，因此该方法并不适用于小容量分布式光伏发电并网。

2.2.2 有载调压变压器调节

有载调压变压器的工作原理是通过改变变压器变比来实现次级绕组电压调节。有载调压电压器分接开关内设置多组变压器绕组分接头，可实现变压器变比更改。采用串联式调压变压器，可发挥出较好的电压调节效果。有载调压变压器在控制器作用之下可以实现电压连续调节，不仅调节速度快，且调节精度较高。

2.2.3 接线结构与区域联合调节

通常配电网接线结构会采用辐射形、花瓣形、环网型，如本次设计的配电网模型变为辐射形结构。辐射形结构原理通常使主变的末端电压较低，仅需增加投切设备便可实现输电结构改变，不仅可增加配电稳定性，同时可有效减少配电网等效阻抗，将输电线路电压提升，特别是在I类用电户区域，该方法可有效实现电压稳定控制。区域联合调节需要建立于站级监控系统基础之上，分布式发电系统采用统一接收调度模式，由光伏逆变器以站级监控系统指令为依据开展无功调节，实现配电网电压调节。这一方案，其必备条件是在电网建立之初便进行规划，而对于已经建成多年的老旧配电网，其系统改造需要消耗较高成本，因此该方法十分适用于全新工业区、城区的电网规划范围。

2.2.4 孤岛效应解决策略

对于孤岛效应，应采用过压欠压过频欠频法+相位突变法+电压谐波检测法实现孤岛效应被动检测，或是采用主动频率偏移AFD法+滑模频率偏移SMS+输出功率扰动进行主动检测。

（1）被动检测

①过压欠压过频欠频。在光伏并网发电系统出现孤岛效应阶段，若配电网负载功率＞光伏发电功率，电网电压会出现快速下降，因缺少输电网电压输入，此刻逆变器频率会出现偏移。针对这一问题，可检测配电网电压与频率，若电压与频率超出标注的范围，便可判定为出现孤岛效应，立刻启动孤岛保护动。

②相位突变检测。检测电压、电流之间相位差，正常工作状态下，电压与电流相位差处于规定范围之内，一旦检测到相位差超出标准差，则可判定为孤岛效应发生。

③电压谐波检测。基于电网电流谐波总谐波畸变系数标准进行电压谐波检测，将电流谐波畸变程度作为依据判定是否出现孤岛效应，若孤岛效应出现，通常负载功率＞光伏发电功率，逆变系统输入功率不足会产生大量电流谐波，一旦电流谐波＞5%，可判定为孤岛状态。被动检测方法优势在于原理简单，较为容易实现，但是复杂情况之下，一定概率出现误动作问题。

（2）主动检测

①主动频率偏移AFD法。在逆变器工作阶段，在整个调制频率需要通过存在明显差异的频率偏差来与电网进行融合工作，进而使得整个电压电流在畸变问题上出现概率变小或者畸变幅度变小。逆变器中锁相环作用下，合计偏差长期处于并网允许范围之内，如果电网此时出现明显的工作问题，就会出现逆变器错误获取采样频率基本信息的情况，使得误差进入到基础信息内部。如果采样次数增多以后，光伏逆变器就会突破联网工作的阈值，形成孤岛保护现象。

②滑模频率偏移偏移SMS法。该方法下，对逆变器输出电压波型产生一个相位差，一旦分布式光伏并网发电系统处于孤岛状态，逆变器在工作若干周期后，频率会超出规定值实现孤岛保护动作。

③输出功率扰动。该方法原理为在逆变器输出电流施加扰动，对此刻逆变器输出功率进行计算，以有功功率与电压之间的关系来确认系统是否进入孤岛效应。配电网正常工作状态之下，逆变器输出的功率同电压波动，会长期处于规定范围内。一旦出现孤岛效应，户电压值会快速超过允许值以导致保护器件动作。

主动检测方法优势在于相应速度较快且盲区较小，但是仍旧存在干扰值问题，其自身会对配电网的电能质量产生影响。

基于上述被动、主动检测方法分析，可得出最佳孤岛效应解决策略，是将主动检测加被动检测加以结合，以二合一形式来实现孤岛效应判别。