光伏并网系统中的电压控制策略研究与优化设计

张人木

（中国昆仑工程有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110167）

0 引 言

随着经济的高速发展，居民用电量、生产用电量逐渐攀升，传统燃煤发电引发的能源危机推进风能、光能等清洁能源的高效利用。国家能源局公布的数据显示：2023 年，可再生能源总装机量为14.5 亿kW，其中光伏发电装机容量约为5.6 亿kW，同比增长49.9%。光伏发电属于分布式电源，分散布置在电力负荷附近，拥有非集中、分散性、发电灵活、节能环保以及兼容性强的基本特征。但其在并网过程中太阳能的间歇性和波动性也会对电压造成影响，因此需理清光伏并网系统中的电压变化特点和原因，通过针对性策略的选择提升电能质量，促进光伏发电的规模化、可持续化发展。

1 光伏并网中的电压影响

太阳能是一种清洁、可再生的能源，光伏发电的过程是将其转化为电能的过程。但太阳辐照度具有较强的波动性和随机性，因此在发电的过程中会产生较大的波动[1]。光伏并网的等效电路如图1 所示。

图1 光伏并网的等效电路

等效电路中的U0表示配电网的端电压；P表示配电网电源的有功功率；PL表示配电网负荷的有功功率；PPV表示光伏阵列的有功功率；Q表示配电网电源的无功功率；QL表示配电负荷的无功功率；QPV表示光伏阵列的无功功率；Z=R+jX表示馈线等效抗阻。

结合等效电路图，主网系统中有功功率的计算公式为

有功功率的计算公式为

主网系统中提供的负荷功率计算公式为

U0与UPCC之间的电压损耗计算公式为

若在光伏并网的过程中只对电压损耗的大小进行关注，则U0以及UPCC之间的电压损耗计算公式为

为进一步判断光伏并网过程中对配电网电压的影响，可以假设公式（5）中虚部为0，则可以计算出负荷节点的电压为

若光伏并网未安装无功补偿设备，则此时QPV和QC为0，由此可以得出负荷节点的电压为

线路抗阻和光伏发电过程中的功率参数决定着并网过程中负荷节点的电压。在馈线等效抗阻Z=R+jX保持恒定的情况下，当QPV＞0 时，则光伏电源会发出无功功率进行电压补偿，此时UPCC升高；反之，当QPV＜0 时，UPCC降低。也就是说，光伏电源接入配电网系统时，随着光伏电源发出的功率增大，整个系统的节点电压也会随之升高，进而对用电质量产生影响[2]。若光伏电源在接入的过程中能够与地域的负载进行协调运行，则能够有效抑制电网的波动幅度；若无法完成负载的协调，则会导致分布式电源与电网产生较大的差距，而该种现象会加剧电压波动。

2 光伏并网接入方式

2.1 并联接入

并联接入是分布式电源接入配电网的主流方式之一，能够保证配电网系统与分布式电源机组的负载相互连通。在正常供电的情况下，由配电网系统承担负载，此时的光伏电源机组处于备用状态，而一旦在供电的过程中发现配电网发生故障，就会迅速启动分布式电源机组，保证其能够在瞬间承担供电的责任，弥补负载差值，整个电网并不会因为配电网的突发故障而造成停电。光伏并网的并联接入直接与用户连接，既能够保证整个供电系统的稳定性，又能够充分发挥光伏电源的经济适用以及灵活性[3]。

2.2 联络开关切换接入

联络开关切换接入对设备和运行环境的要求不高，并不需要复杂的调节和回路控制，只要保持一个光伏电源或者是配电网电源与负荷相连即可，而另外一个需要在开关切换之后进行补充。在配电网的运行过程中，一旦主电源停止运行，须将系统电源通过联络开关切入到光伏电源机组，此时的光伏电源机组将会立即投入工作状态。联络开关切换接入对整个配电网的影响较小，整个光伏电源机组可以根据需求完成运转[4]。但联络开关切换入网方式有着较高的负载运行要求，若达不到负载运行要求，则会降低供电可靠性。

3 光伏并网系统中的电压控制与优化策略

3.1 加强配电网规划管控

影响配电网网架水平的因素包括网架结构模式、线路负荷情况以及系统抗灾能力等，在对其进行规划管控的过程中应予以重点考虑，同时结合分布式电源地域周边的实际情况将经济因素和环保因素纳入其中，一一剖析主要影响因素。一方面，要保证全面掌握配电网中的总体负荷和区域负荷，综合进行光伏并网中停发或者满发时的影响评判，并将光伏电源模型纳入其中[5]。另一方面，结合电网发展水平分别从网架结构、负载水平与抗灾水平提升等方向入手，在合理措施的采取下，通过针对性措施的实施提升光伏电源接入配电网的可靠性。

3.2 加强光伏并网点电压管理

光伏电源并网的过程中，线路潮流方向会发生变化，进而导致周围电压水平的抬高或压低。若此时配电网所提供的负荷难以与应用需求相匹配，则电压质量问题将更加严重[6]。因此，在光伏并网点电压管理中还须结合配电系统的运行实际合理提出管理策略，具体如下。

第一，若配电系统无功有富余，则可以通过变压器变比调压的改变来进行调整。该种调压方式包含无载调压和有载调压2 种，相比较而言，有载调压更为灵活，适合最大负荷和最小负荷2 种极端情况。

第二，若配电系统无功不足，则需要对无功补偿容量进行合理配置，以实现电力网无功潮流分布的改变，进而减少有功损耗和电压损耗，实现电压质量的改善。可以通过电容器并联使用来进行无功补偿，也可以通过串联电容器、并联电抗器以及线路电压调节器的配置进行改善。

第三，光伏电源入网引发的电压波动可以通过配置储能装置来进行抑制。电网电能过剩时，会将剩余电能储存起来，一但光伏电源入网出现电能不足而引发电压波动时，就可以利用电网储存的电能进行及时的补充，在有效抑制负荷波动的同时起到削峰填谷的作用。

第四，配电系统最显著的特点为闭环设计、开环运行。电网拓扑结构中分布有多个联络开关和分段开关，这些开关的存在能够保证实现多条馈线的切换。因此，可通过调整分布式电源出力或者负荷出力，以保证最优网络结构的构建，达到最优状态并实现网络损耗的降低。

3.3 强化光伏并网技术水平

一方面，应以新型高效太阳能电池、轻量化光伏组件等关键技术为出发点，拓宽资源开发范围和应用场景，着力提升风电、光伏利用效率，降低发电成本；另一方面，随着智能电网的发展，电网建设实现分布式、交互式供电模式的融入，因此应该加快智能电网建设，通过数字化技术、大数据技术、区块链技术、“云大物移智”技术的应用需求，从配电自动化覆盖率、分布式电源覆盖率、带电作业比例等方面入手，保证电网运行过程中可靠性的提升，并提高分布式电源的渗透率。

3.4 加强光伏并网运行管理

整个管理过程中，以计划停电管理、抢修管理与综合管理为出发点，在停电管理过程中，应明确主要的因素为计划停电率和计划停电时间等，通过合理的计划，有效进行停电范围的缩小以及停电次数的减少。在抢修管理过程中，要结合智能配电技术实时进行发电功率预测管理、监控管理、检修计划管理、调度管理以及风险预案管理等，保证形成一个完善的体系，通过有效的监控防止影响范围的变大。当然，该过程中也可以通过合理的技术调配规范分布式电源现场检修作业，同时要最大限度地保证分布式电源并网检修过程中的安全性。在综合管理方面，要最大限度地避免外力的破坏以及操作人员的失误比率，通过定期的培训以及先进设备的引进辅助完成分布式电源并网运行后的管理。

4 结 论

光伏发电是一种绿色的发电方式，有着十分广阔的应用前景，避免传统火力发电对环境造成的影响。针对光伏入网对电压造成的影响，还须从技术以及管理上综合入手，最大限度地减少其对电能质量的影响，发挥其分散性、发电灵活、节能环保以及兼容性强的优势。