光伏并网对配电网的电能质量的影响

舒 锐

（西南交通大学希望学院，四川 成都 610400）

0 引 言

随着我国碳中和、碳达峰目标的提出，国家进一步加大对风电、太阳能、水电等可再生能源的投资力度。太阳能具有清洁、无污染、可再生等优势，无需担忧能源枯竭、原材料供应以及环境污染等问题。大力发展光伏发电是达到碳中和、碳达峰目标的必由之路，其中光伏并网发电对配电网电能质量的影响也不可忽视。

1 电能质量的定义

电能质量是指电力系统中电能的质量，电能质量问题归根到底是根据用户的需求来定义，从不同的角度来看其含义有所不同。尽管电能质量的定义模糊不定，但是通常认为电能质量较差的原因是供电电压没有呈对称的波形状态，有时会造成负载不能正常工作[1]。一般而言，人们都将供电质量与用电可靠性同等看待。当整个系统处在相间对称状态时，电压与电流波形幅值一样，相位差都是120°。但在实际工作运行中，由于整个系统中电气设备的特性都不是线性关系，并且整个线路的负荷用电情况在不同时间段也是变化的，因此这种理想化的假设状态实际上不可能出现，电网与负载之间会产生不和谐的影响，从而导致电能质量问题。由于光伏电源的波动性、随机性以及突发不确定性会给配电网的电能质量带来影响，因此从三相电压不平衡、电压波形畸变与谐波、电压偏差以及电压变动等方面进行电能质量衡定的指标分析[2]。光伏电池等效电路如图1所示。

图1 光伏电池等效电路

2 影响电能质量的原因

2.1 三相电压不平衡

光伏电源的接入会对配电网的三相电压产生不平衡影响，而三相电压不平衡往往是通过线路中负序分量不平衡来进行量化的。定义负序电压分量为U1、正序电压分量为U2，它们的比值为电压不平衡度Kd，即。查阅资料可知，电力系统中公共电压三相不平衡度允许值为2%，在短时间允许值为4%，连接与公共用户连接点的用户的允许值为1.3%。当超出以上的允许值范围时，一般认为出现了三相电压不平衡现象[3]。

2.2 电压波形畸变与谐波

光伏发电产生的电能在接入电网时，会有部分谐波电流注入电网中，使电网中电压的波形产生畸变，影响电网的稳定运行。波形畸变指标特征可以用单次谐波值、总谐波畸变率、单次间谐波值以及总间谐波畸变率来衡量[4]。光伏电源接入后，h次电流谐波含有率HRIh为：

式中：Xh为h次电流均方根值；X1为基波电流均方根值。

总谐波畸变率为：

由参考资料可得，光伏并网后，线路中的总谐波畸变率限值为4%。

2.3 电压偏差

电压偏差是衡量一个电力系统是否正常运行的重要指标。光伏电源并网后增加了配电网的储容量，也抬升了配电网的电压，整个系统的电压抬升效果与接入配电网的光伏电源容量成正比[5]。但是配电网的电压有承受的最高限制，为了防止线路电压越限，接入的光伏电源的容量不能无限大。同时为了保证电网的安全运行，配电网线路的电压偏差应该在其标准范围内。电压偏差计算公式为：

式中：UN为线路的额定电压；U为线路的线电压。

2.4 电压波动

一般情况下，电压波动指一系列电压相对快速变动或连续改变的现象，会导致实际电压偏离系统标准电压。当线路中的电压发生波动时，人们会明显地察觉到灯光照明度的变化，这就是常说的线路闪变，闪变常作为衡量电压波动程度的评价指标。由于光伏发电受外界环境的影响较大，因此当光照减弱或者出现阴雨天气时，光伏线路的电压会时高时低，那么并网后它会导致配电网的电压波动出现的更频繁，用户的体验舒适度便会降低。基于此，电压波动是光伏并网后需要重点调整的因素之一。

3 光伏并网对配电网网损的影响

电力系统中各电子器件与电子设备中存在阻抗，导致在向负载输送电能的过程中会出现大量的能源损耗。对此研究电能在转换、输送、分配过程中的损耗，并寻求策略来减少网损，让电力网络以最优的结构运行是十分必要的。

在配电网中，假设光伏发电注入配电网的容量为PDG+QDG、线路单位长度的阻抗为R+jX、光伏电源接入配电网电源的总长度距离为L、其余负荷的距离为M，则接入光伏系统后配电网网损的变化为：

整个系统中的网络损耗与其用电负荷、光伏发电系统的并网位置、参与并网的光伏系统的容量大小以及原配电网的电力网络结构都息息相关。当光伏发电系统并入配电网后，配电网的馈电线路的网络电压潮流就会向不同的方向变化，在这种情况下就会改变原来配电网的网络损耗。由于光伏发电系统对网损改变的不确定性，因此光伏电源并网后可能提高线路的损耗，也有可能降低电路损耗。当配电网中节点负载附近的光伏发电系统的电量大于等于该配电网中的节点负载时，那么该光伏电源的接入就会降低该配电网的网络损耗。如果整个配电网中至少存在一个节点，该节点处的光伏电池板发电量大于该处的节点负荷所需电量，并且配电网中负载所需电量之和与接入配电网光伏发电的总电量之和相等，此时光伏系统的并网位置、并网容量以及配电网的结构都会对配电网的网络损耗有所影响[6]。

4 光伏并网对配电网调度自动化的影响

配电网调度自动化是指将用电设备与现代先进的科学技术（电力电子技术、计算机通信技术、网络传输技术和电子监控技术等）相结合，以提高电能质量和为用户提供更经济可靠的用电体验为目标的一门技术。对于配电网调度自动化系统的设计，必须充分考虑技术要求和设备要求。按照技术标准来设置调度环节，通过各种计算机应用来支持调度系统的研究，其结构如图2所示。

图2 调度系统构成

采集电力系统的实时参数并传送整个系统的器件动作信息与状态信息，形成事件的顺序记录，然后接受和执行从主站发送的命令，调整发电机的有功功率和无功功率[7]。信息传输子系统按照传输通道的不同可分为模拟传输系统和数字传输系统，这两种传输系统可以进行调制转换[8]。

当光伏系统并网后，原有配电网的一些参数会出现变化，就会给调度自动化系统的实时操作带来一些干扰与误差[9]。为了实现配电网的统一管理和运行调度，需要将光伏并网系统逐步纳入配电网调度自动化系统，让配电网的信息和光伏并网系统的信息实现互通共享，提高配电网对光伏并网系统的调控能力，充分发挥光伏并网发电的优势，尽可能避免其对配电网运行控制和调度管理造成不利影响[10]。

5 结 论

太阳能、风能都具有可再生性，利用其发电符合绿色发展理念。通过深入研究风电并网发电技术，提高光伏并网和风机并网的装机容量。利用光伏并网发电技术实现了将太阳能转换为符合配电网要求的电能，而且减少了对传统能源的消耗。然而，光伏并网发电会对配电网电能质量产生影响，通过详细分析影响电能质量的原因，为后续制定解决方案提供参考。