光伏電站接網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)研究

劉瀟

摘 要：徐大堡核電現(xiàn)場(chǎng)光伏采取自發(fā)自用余量上網(wǎng)的方式。在此種模式下，光伏電站并網(wǎng)可能會(huì)引起潮流改變，造成光伏發(fā)電站的并網(wǎng)點(diǎn)處電壓升高。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)供電方式建立了等效電路模型，推導(dǎo)出并網(wǎng)點(diǎn)電壓與光伏電站輸出功率、現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷、無功補(bǔ)償容量之間的關(guān)系，以此結(jié)合實(shí)際情況選擇靜止無功發(fā)生器進(jìn)行調(diào)壓，驗(yàn)證了有效性的同時(shí)，計(jì)算出在極限情況下光伏系統(tǒng)輸出功率的大小，為評(píng)估不同負(fù)荷下并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏移情況提供了參考。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量 電壓偏移 調(diào)壓措施

中圖分類號(hào)：TM93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（b）-0043-03

隨著大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行，光伏發(fā)電容量所占系統(tǒng)總?cè)萘坑兴岣撸瑢?duì)電力系統(tǒng)的影響也越來越大。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)輸配電電網(wǎng)設(shè)計(jì)為從發(fā)電單元到負(fù)荷的單向輸電系統(tǒng)，大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行，有可能引起潮流逆流等問題，導(dǎo)致光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓升高或過電壓[1]。電壓升高會(huì)影響對(duì)負(fù)荷供電的電能質(zhì)量，減少設(shè)備的使用壽命、造成損壞，甚至引起電力系統(tǒng)崩潰，造成大面積停電。因此，通過采取電壓調(diào)節(jié)方法盡量減小電壓升高，使其電壓盡量接近額定電壓，就顯得尤為重要。

1 電壓升高建模分析

1.1 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行模式

徐大堡10kV臨時(shí)施工電源（核電線）于2010年12月正式投入運(yùn)行，接入興城市東辛莊變電站。電源線路總長(zhǎng)度為13.022km，其中電纜長(zhǎng)度為0.345km，架空線路長(zhǎng)為12.677km，線路導(dǎo)線采用LJ-240鋁絞線，單回供電。現(xiàn)場(chǎng)初期僅由這一條10kV核電線對(duì)主廠區(qū)及廠前區(qū)進(jìn)行供電，后廠區(qū)內(nèi)建設(shè)220kV電源及光伏電源，現(xiàn)場(chǎng)供電方式經(jīng)過歷次變遷，目前供電方式為：由220kV開關(guān)站向3個(gè)電氣施工環(huán)網(wǎng)供電，保證主廠區(qū)施工活動(dòng)用電；光伏發(fā)電一部分供應(yīng)廠前區(qū)調(diào)試檢修樓、檢修食堂、檢修公寓、宣展中心等用負(fù)荷用電，其余部分輸送至電網(wǎng)。即光伏發(fā)電在保證滿足廠前區(qū)用電需求的前提下，采取發(fā)電余量上網(wǎng)的方式。具體運(yùn)行方式為：在白天，光伏發(fā)出的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為315V交流電，后經(jīng)過升壓變壓器送至10kV核電Ⅰ段母線，由10kV核電線Ⅱ段母線經(jīng)#258號(hào)桿將電能送至電網(wǎng)，經(jīng)#259號(hào)桿將電能送至動(dòng)力站10kV母線，由此供應(yīng)廠前區(qū)用電；夜晚，電網(wǎng)經(jīng)過10kV核電線Ⅱ段母線反向送電至10kV動(dòng)力站，供應(yīng)廠前區(qū)負(fù)荷用電。供電情況如圖1所示。

1.2 線路建模計(jì)算

對(duì)圖1進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以得到現(xiàn)場(chǎng)光伏并未運(yùn)行的戴維南等效電路，如圖2所示。

圖2中為電網(wǎng)電壓，可以認(rèn)為電網(wǎng)是一個(gè)無窮大系統(tǒng)，其電壓幅值||基本恒定不變；為從并網(wǎng)點(diǎn)至東辛莊站10kV線路總阻抗，其中R為電阻分量，X為電抗分量，架空線路阻抗偏感性，P表示電網(wǎng)向負(fù)載方向傳輸?shù)挠泄β剩琎為電網(wǎng)向負(fù)載輸出的無功功率；為光伏接入電網(wǎng)點(diǎn)（point of common coupling，PCC點(diǎn)）的電壓，PG及QG表示光伏電站向PCC點(diǎn)輸送的功率[2]；PL與QL分別為廠前區(qū)負(fù)載的有功與無功功率；TC為在PCC點(diǎn)接入的無功補(bǔ)償裝置。根據(jù)圖2可知，電網(wǎng)向PCC點(diǎn)方向傳輸?shù)墓β蕿椋?/p>

根據(jù)公式（5）可以看出，由于線路阻抗的存在，當(dāng)光伏電站向電網(wǎng)輸送有功功率時(shí)會(huì)引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓U2值增加。在負(fù)荷較輕的情況下，電壓升高的情況尤為嚴(yán)重，當(dāng)其值超過我國GB 12325-2008《電能質(zhì)量-供電電壓允許偏差》中10kV系統(tǒng)電壓偏差在額定值的±7%這一要求[3]，造成輸配電線路和變壓器等設(shè)備過載、加快老化，較少使用壽命，降低系統(tǒng)供電可靠性。

2 電壓調(diào)節(jié)策略選擇

2.1 調(diào)壓方式

由于逆變器一般運(yùn)行在恒定功率因數(shù)的情況下，目前電力系統(tǒng)主要的調(diào)壓措施有改變變壓器變比調(diào)壓、利用無功補(bǔ)償設(shè)備調(diào)壓等。

改變變壓器變比調(diào)壓是根據(jù)改變變壓器分接頭的檔位從而改變輸出電壓的一種方式，有無載調(diào)壓變壓器與有載調(diào)壓變壓器兩種。利用無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行調(diào)壓，是通過向電網(wǎng)提供無功電源，從而改變系統(tǒng)中無功功率分部的方式進(jìn)行調(diào)壓，可作為無功電源的有電容器、調(diào)相機(jī)、靜止無功補(bǔ)償器、靜止無功發(fā)生器等。

2.2 比較與選擇

無載調(diào)壓價(jià)格便宜，但必須在變壓器斷開電源的情況下進(jìn)行操作；有載調(diào)壓可以在變壓器帶有負(fù)載時(shí)進(jìn)行調(diào)壓，調(diào)壓范圍較無載調(diào)壓范圍大，但價(jià)格較高，經(jīng)濟(jì)性差。以上兩種方式根據(jù)分接頭檔位調(diào)節(jié)電壓大小，不能連續(xù)調(diào)壓，且當(dāng)在系統(tǒng)電源無功不充足時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)無功缺額加大，造成系統(tǒng)電壓水平進(jìn)一步降低。因光伏發(fā)電是直流電源，不提供無功，盡量不采用以上調(diào)壓方式。

無功補(bǔ)償設(shè)備調(diào)壓中，并聯(lián)電容器通過減小傳輸?shù)臒o功功率來提高負(fù)荷端電壓，需要根據(jù)負(fù)荷的變化進(jìn)行頻繁的分組投入或切除操作，且因并聯(lián)電容輸出量與電壓平方成正比[4]，電網(wǎng)電壓降低，此種方式的調(diào)節(jié)能力也降低。與并聯(lián)相對(duì)應(yīng)的串聯(lián)電容器，利用其自身電壓降與線路壓降相互抵償，其優(yōu)勢(shì)在于調(diào)壓作用隨著負(fù)荷變化可以自動(dòng)連續(xù)調(diào)整，但這種方式未改變輸電線路上的無功輸送容量，只提高了末端電壓，提高了負(fù)荷的電壓而造成負(fù)荷消耗無功增加，使線損增加，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生如鐵磁諧振等異常現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備造成損害，因此目前應(yīng)用較少。

靜止無功補(bǔ)償器（SVC）是利用電容器和各類電抗器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)难b置，可控的電抗器吸收感性無功，電容器發(fā)出容性無功。通過對(duì)電抗器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使整個(gè)裝置平滑地從發(fā)出無功功率改變到吸收無功功率，并快速反應(yīng)[5]。但補(bǔ)償器自身會(huì)產(chǎn)生諧波，需要有配套的濾波器，增加了投入。靜止無功發(fā)生器（SVG），采用可關(guān)斷的IGBT組成橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)至電網(wǎng)，通過調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，迅速吸收或發(fā)出所需的無功，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。相較于SVC無功補(bǔ)償裝置，SVG具有運(yùn)行范圍大、諧波量小、連接電抗小、可控性好、調(diào)節(jié)速度快，這也是目前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際配置的無功補(bǔ)償裝置。

3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)推導(dǎo)

根據(jù)《光伏發(fā)電站無功補(bǔ)償技術(shù)規(guī)范要求》中規(guī)定光伏逆變器功率因數(shù)應(yīng)在超前或滯后0.95范圍內(nèi)，由公式（5）（6）可以分析得出當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷為0，光伏逆變器功率因數(shù)為0.95，SVG不提供補(bǔ)償容量時(shí)，可以計(jì)算得出此時(shí)若向電網(wǎng)輸送功率2374kW，PCC點(diǎn)電壓此時(shí)為10.7kV，處于電壓允許偏差的邊緣。現(xiàn)場(chǎng)SVG容量為1000kVar，當(dāng)其補(bǔ)償780kVar時(shí)，PCC點(diǎn)電壓為10.4kV，可見，通過SVG補(bǔ)償部分無功，可有效調(diào)節(jié)PCC點(diǎn)的電壓，改善電壓質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文從光伏系統(tǒng)輸送功率引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓升高這點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的供電方式建立了相應(yīng)的等效電路模型，并以此推導(dǎo)出了并網(wǎng)點(diǎn)電壓與光伏系統(tǒng)輸送功率、現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷、無功補(bǔ)償容量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明，通過SVG裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償，可有效調(diào)節(jié)PCC點(diǎn)電壓，改善電壓質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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[5] 楊志剛.配電網(wǎng)中無功補(bǔ)償技術(shù)的探討[J].知識(shí)經(jīng)濟(jì)，2014（11）：91.endprint