光伏電站接入區域電網的影響分析

陳云鋒 丁 寧

（1.云南省電力建設公司，昆明 650041；2.國網智能電網研究院，北京 100192）

近年來，中國光伏發電工程呈現出快速發展的趨勢，大力促進以光伏發電為代表的新能源的開發和利用是解決當前面臨的能源短缺危機和緩解環保壓力的有效措施[1-2]。2002年，原國家發展計劃委員會啟動了大規模的邊遠地區電氣化“送電到鄉”工程，在西部七省區共建成了721座光伏和風光互補電站，裝機容量約1.5萬kW，解決了大約130萬人口的基本生活用電問題[3]。經過多年的發展，我國的太陽能發電產業已具備相當的規模，技術條件已趨于成熟，太陽能利用將是我國能源變革可行的解決方案。

我國某地區太陽能資源豐富，省內各地區全年平均日照時數在960～2840h之間、太陽輻射總量在3620～6682MJ/m2之間；全省年平均太陽能輻射總量大于5000MJ/m2的地域約占全省總面積的90%。有 59個縣的年太陽總輻射在 5500MJ/m2以上，有12個縣在6000MJ/m2.a以上[4]。

由于太陽能光伏發電屬于能量密度低、穩定差，調節能力差的能源，發電量受天氣及地域的影響較大，并網發電后會對電網安全、穩定、經濟運行以及電網的供電質量造成一定影響，因此需在規劃階段進行充分詳實的分析計算，以便確定有利于系統運行的規劃方案。本文以某光伏電站接入系統為例，開展了對光伏電站接入對區域電網影響的專題研究，以保證電網的安全穩定運行。

1 光伏電站模型

光伏電池等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池的等效電路

Iph為光生電流，其值正比于光伏電池的面積和入射光的光照強度；IL為光伏電池輸出的負載電流；U為負載兩端的電壓；無光照情況下，光伏電池的基本行為特性類似于一個普通二極管，UD表示等效二極管的端電壓，ID為流經二極管的電流；RL為電池的外負載電阻；電路中等效串聯電阻Rs由電池的體電阻、表面電阻、電極導體電阻、電極與硅表面間接觸電阻和金屬導體電阻等組成；等效并聯電阻Rsh由電池表面污濁和半導體晶體缺陷引起的漏電流所對應的P-N結漏泄電阻和電池邊緣的漏泄電阻等組成。

在特定的太陽光照強度和溫度下，當負載RL從0變化到無窮大時，輸出電壓U范圍在0到Uoc之間變化，同時輸出電流范圍在Uoc到 0之間變化，由此得到電池的輸出特性曲線，如圖2所示。可以看出，在一定的光照強度和溫度下，光伏電池輸出的電壓、電流在一條曲線上移動，輸出的功率P也在變化。光伏電池工作環境的多種外部因素，如光照強度、環境溫度、粒子輻射等都會影響電池的性能指標，而且溫度的影響和光照強度的影響還常常同時存在。

圖2 光伏電池的輸出特性

2 光伏電站接入系統方案

該光伏電站總的規劃場址面積為8570畝，一期電站規模為 50MW，25年總發電量為 177448萬kW·h，年平均發電量約為7097萬kW·h，最大負荷利用小時數為1419h。

光伏電站工程設計了50個1000kWp單晶硅光伏發電單元系統，采用180Wp固定式單晶硅太陽電池組件配置 500kW 并網逆變器。每 2個 500kWp光伏發電單元系統組成 1個 1MWp光伏發電分系統，以此形成一個1MWp光伏發電分系統方陣。項目內 50MWp光伏發電系統電能匯至一組 10kV配電裝置后經一臺容量為 50MVA主變壓器升壓至110kV。

該光伏電站并網方案為：以1回110kV線路“T”接至地區110kV線路上，線路長度約7km，導線截面選擇 240mm2。光伏電站接入系統示意圖如圖3所示。

圖3 光伏電站接入系統示意圖

3 對區域電網的影響分析

3.1 無功電壓分析

一般電網在穩態運行情況下，電壓沿饋線潮流方向逐漸降低。接入光伏電源后，由于饋線上傳輸功率減少，各負荷節點處的電壓被抬高，可能導致電壓偏移超標。午間陽光充足的情況下，光伏電站出力較大，若線路輕載，光伏電站接入點的電壓會被明顯抬高[4]。

本節將從光伏電站接入對電網的潮流分布和無功電壓影響方面著手，對光伏電站出力變化引起的系統潮流變化進行計算分析，得到其并網運行對電網潮流和節點電壓的影響。

豐小方式下，隨著光伏電站出力的增加，電網相關節點電壓、線路負載率及光伏電站吸收無功的變化如圖4所示。

圖4 豐小方式下隨光伏電站出力增加相關參量變化曲線

圖中電壓基準值分別為115kV和230kV。從圖中可以看出，隨著光伏電站出力的增加，電網內相關系統變電站的母線電壓呈現下降的趨勢，光伏電站出口110kV母線為略有上升。同時，光伏電站滿發時從系統中吸收的無功功率約為9.2Mvar。

3.2 穩定性分析

光伏電站作為分布式電源，其出力水平由所處環境的光照強度和溫度等決定，不同季節不同時段光伏電站出力都在變化，這種間歇式電源接入電網將會對電網的穩定性產生一定的影響。光伏電站接入大電網后，由于電站容量相對較小，其接入不會對系統暫態穩定性造成大的影響[5]。

本節分析了光伏電站滿發情況下，電網發生輸電線路三相短路、單相瞬時短路、單相永久短路、母線故障、光伏電站出力驟降等故障后的暫態過程，得到該光伏電站并網運行對系統暫態穩定性的影響。

當電網發生三相短路故障時，如故障點與光伏電站并網點電氣距離較近（例如節點3的110kV母線—T接點線路三相短路、節點2的110kV母線和節點 3的 110kV母線故障等），并網點電壓在故障發生后降至低于0.2pu，從而超出低電壓穿越能力而使得光伏電站退出運行。其他情況下，光伏電站并網運行對電網穩定性影響不大。圖5給出了光伏電站出力驟降相關參量變化曲線。

圖5 光伏電站出力驟降相關參量變化曲線

3.3 電能質量影響分析

1）光伏電站可能引起的電能質量問題

并網光伏電站由于存在DC-AC變換環節，需要采用大功率電力電子變換器件進行光伏并網控制，故其性能參數直接關系到光伏發電并網對電網電能質量的影響。光伏發電有以下特點：

（1）現有主要的光伏并網逆變器的控制方式為電壓源電流控制，即輸入側為電壓源，輸出為電流源控制，通過控制輸出電流以跟蹤并網點電壓。一般輸出為純有功功率，即功率因數為 1，不提供無功支持。

（2）為有效利用太陽能，并網逆變器輸出功率控制策略為最大功率點跟蹤（MPPT），不具備功率調節能力。

（3）光伏發電輸出受天氣影響很大，尤其在多云天氣，發電功率會出現快速劇烈變化，發電功率的最大變化率超過10%額定出力/秒（%Pn/s）,其變化頻率為數次到數十次/小時。

（4）逆變器輸出輕載時，諧波含量會明顯變大，在10%額定出力以下時，電流THD甚至會達到20%以上。

2）電能質量指標計算

本節將根據文獻[6-9]對主要電能質量指標進行計算。

（1）電壓偏差

光伏電站并網運行，出力隨時發生變化，功率經過線路和變壓器傳輸時造成線路和變壓器首末端電壓出現差值，引起系統電壓偏差，同時，電網結構隨著運行方式發生改變也會影響電壓偏差。光伏電站功率和電壓降的關系如圖6所示。

圖6 光伏電站接入系統簡化模型

得出送電線路上的電壓降

式中，P、Q為送電線路出口送出的有功功率、無功功率；R、X為送電線路的電阻、電抗；U1為送電線路出口的實際運行電壓；ΔU為送電線路上的電壓降。

在系統四種運行方式下，光伏電站從零到滿發狀態下，電網主要節點電壓偏差見表1。可以看出，該光伏電站的出力變化引起的各節點電壓正、負偏差的絕對值之和均不超過 5%，最大電壓偏差為0.9%，滿足標準要求。

表1 系統四種運行方式下主要節點的電壓偏差

（2）諧波

根據國標對諧波電流限值進行計算，依據光伏電站采用的逆變器的檢驗報告中諧波電流含量對光伏電站可能發射的諧波含量進行計算，并通過電力系統諧波分析軟件計算得到了相應公共連接點的諧波電壓值，結果見表2和表3（只給出含量較大的諧波次數）。

表2 光伏電站注入諧波電流含量（A）

表3 光伏電站注入諧波電壓含有率（%）

4 結論

1）考慮到光伏電站應具備一定的無功電壓調節能力，為了減小光伏電站出力對電網電壓的影響、增加無功電壓調節能力，建議在光伏電站升壓變低壓側安裝動態無功補償裝置。

2）在光伏電站接入電網后，系統電壓偏差最大為0.9%，電壓總諧波畸變率為0.17%，不會對區域電網的電能質量產生大的影響，而且在光伏電站異常切除時，電網能切除故障保持各節點母線電壓恢復穩定。

[1]CARRASCO J M, FRANQUELO L G, BIALASIEWICZJ T, et a1.Power electronics systems for the grid integration of renewable energy sources： a survey[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006,53(4)： l002-1016.

[2]李乃永,梁軍,趙義術.并網光伏電站的動態建模與穩定性研究[J].中國電機工程學報, 2011, 31 (10)：12-18.

[3]高虎,趙勇強.“送電到鄉”項目用戶電力消費和需求調查分析[J].可再生能源.2006(3)：6-8.

[4]云南省太陽能資源評價報告[R].昆明：云南省氣候中心.

[5]趙波.大量分布式光伏電源接入對配電網的影響研究[J].浙江電力.2010(6)： 5-8.

[5]許曉艷.并網光伏電站模型及其運行特性研究[D].中國電力科學研究院碩士論文, 2009.

[6]GB/T 12325—2008,電能質量供電電壓允許偏差[s].北京：中國標準出版社, 2009.

[7]GB/T 14549—1993,電能質量公用電網諧波[s].北京：中國標準出版社, 1993.

[8]GB/T 19939—2005,光伏系統并網技術要求[s].北京：中國標準出版社, 2005.

[9]GB/Z 19964—2005,光伏電站接入電力系統的技術規定[s].北京：中國標準出版社, 2005.