光伏電站并網運行典型問題分析

，，，

(國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院,江蘇 南京 211100)

1 引言

近年來，隨著光伏發電成本的逐漸降低，我國光伏發電裝機容量呈快速增長,2016年，我國光伏發電新增和累計裝機容量均達全球第一[1],截至2017年上半年，光伏電站累計裝機容量6710萬千瓦，分布式累計裝機容量1032萬千瓦[2],全國新增光伏發電裝機容量同比增長9%。隨著電網中光伏發電占比的逐漸提高，光伏發電對電網的影響也愈加凸顯。

大規模光伏并網運行會對電力系統的電壓越限、潮流、網損、振蕩存在較大的影響，大規模光伏集中接入負荷水平較低的電網，接入的地區電網短路容量相對較小，隨機波動的有功出力穿越近區電網以及長輸電通道，影響到電網無功平衡特性，光伏電源無功電壓支撐能力較弱，發生電壓質量越限甚至電壓失穩的風險加大，光伏接入改變了電網既有的輻射狀網架結構，單電源結構變成了雙電源或多電源，電網潮流分布大小、方向等復雜多變，潮流變得更加難控，進而影響到電網的電壓質量[3-9]。在系統頻率方面，隨著光伏滲透率的提高，電力系統靜態頻率偏差會增加，越限的可能性也會相應加大[10]；云團移動等天氣原因會造成大規模光伏系統出力的大幅度波動，并影響區域電網頻率的穩定[11-12]。另外，光伏接入也會對電力系統繼電保護產生一定的影響，光伏電站弱電源特性會造成送出線路的光伏側電流保護不能啟動、差動電流保護靈敏度下降以及距離保護誤動和拒動，需要對原有的保護配置進行調整[13-16]。

當前光伏對電力系統的影響研究以理論建模仿真為主，分析不同工況下運行情況，這種方式得到的計算結果與光伏實際運行特性和影響差異較大，不能真實反映并網存在的問題，需要基于實測數據對光伏運行特性及對電力系統的影響進行研究。本文基于江蘇電網部分光伏電站實測運行數據，分析了光伏電站在有功潮流、無功電壓、電能質量等方面存在的典型問題。

2 有功潮流

光伏電站并網后對有功潮流的影響主要由光伏出力的間歇性、隨機性、波動性引起。光伏出力主要由太陽輻照度決定，天氣變化導致光伏電站有功出力出現短時頻繁波動，將影響電力系統的頻率穩定性。國家標準允許出現因太陽能輻照度降低而引起的光伏電站有功功率變化速率超出限值的情況，但當并網光伏電站容量較大時，光伏電站對電網頻率穩定性的影響不容忽視，特別是當光伏并網容量較大時，在滿足同母線負荷需求的基礎上將會出現向上級電網倒送功率的現象，對地區潮流分布產生影響。

2.1 單日有功輸出波動分析

對選取的光伏電站全年間隔1分鐘有功運行數據進行實測統計分析，分別提取光伏電站單日有功功率變化速率最大的一天，有功變化速率超標頻次見表1。

表1 單日有功變化速率超標頻次

由表1可知，光伏有功輸出具有明顯的隨機性和波動性，單日內最大有功變化速率均接近或超過裝機容量的50%，最大達裝機容量78.3%。分布在不同地區的光伏電站有功變化速率超過10%裝機容量/min的年總次數均在2000次以上。

對光伏出力波動原因進行分析，提取100MW光伏電站D站兩個月的有功出力及日幅照度數據進行分析(圖1為3天數據曲線)，光伏有功出力曲線變化趨勢與日幅照度曲線基本一致，即日輻照度是導致光伏出力變化的主要原因。

2.2 不同天氣有功輸出波動分析

天氣狀況直接影響光伏發電的功率輸出，仍以光伏D站為例，晴天、多云、陰天、雨雪四種典型天氣下的單日有功輸出如圖2和表2所示。

圖1 某100MW光伏電站3天日出力及幅照度曲線

圖2 某100MW光伏電站在四種典型天氣的有功輸出曲線

由表2可知，天氣對光伏有功輸出的波動水平有顯著影響，晴天時光伏出力平穩；多云天氣受云層間斷遮擋影響，光伏有功輸出波動較大，光伏有功輸出波動大于10%裝機容量/min的次數較多，1分鐘內變化可超過裝機容量的50%；陰天時，光伏出力波動較大，但是相對多云天氣變化緩慢，1分鐘內波動變化量最大僅為15.63MW/min；雨雪天氣時，光伏整體有功輸出水平很低，有功波動較小。

根據事件記錄，光伏電站所在區域電網出現3700MW有功缺額時，頻率最大跌落0.24Hz，出現4900MW有功缺額時，頻率最大跌落0.44Hz，當大量的光伏同時接入電網，光伏的短時劇烈波動會疊加到系統有功缺額中，可能導致較大的頻率偏差。

2.3 并網點有功潮流影響

高滲透率光伏并網區域，光伏有功輸出波動到達一定程度時，會造成區域電網有功波動，有可能出現局部潮流頻繁反轉情況。

光伏電站多數建設在偏遠地區，接入地區用電負荷較低，電站所發電量很難就地消納，光伏接入的35kV和110kV變電站功率倒送現象常有發生，嚴重時會越級倒送至220kV電網。圖3為典型日某地區220kV變電站主變高壓側有功功率曲線，在上午8:30-10:00和下午15:00-16:00期間由于光伏出力較大，且頻繁波動，出現了潮流頻繁反轉現象，而且10:00-15:00期間該變電站為向上級電網倒送功率狀態。

圖3 典型日并網點有功功率

3 無功電壓

光伏電站接入電力系統后，作為電源改變了電網的潮流分布，同時光伏電站本身具有無功調節能力，光伏電站并網對區域無功電壓平衡產生重要影響。

通過對選取光伏電站全年運行數據分析，220kV并網光伏電站基本無電壓越限；110kV并網光伏電站電壓存在不同程度越上限現象，如表3所示。

表3 部分光伏電站并網點母線電壓

從表中可以看出，110kV光伏電站越限占比在3.3%～16.24%之間，部分光伏電站并網點電壓越限較為嚴重。光伏電站D不同時段并網運行情況如圖4所示，并網點電壓頻繁出現越上限現象。從圖中可以看出光伏電站出力與并網點電壓成一定程度的正相關性，隨著光伏電站出力的增加，并網點電壓呈現升高趨勢。光伏電站的無功出力較小，未對并網點電壓進行有效控制。

圖4 典型時段光伏D站并網運行情況

國標要求110(66)kV電壓等級接入電網的光伏發電站應能夠控制光伏發電站并網點電壓在標稱電壓的97%～107%范圍內。同時要求通過110(66kV)及以上電壓等級接入電網的光伏發電站應配置無功電壓控制系統，具備無功功率調節及電壓控制能力，根據電網調度機構指令，光伏發電站自動調節其發出(或吸收)的無功功率，實現對并網點電壓的控制，其調節速度和控制精度應滿足電力系統電壓調節的要求。實際運行過程中，雖然光伏電站AVC系統投入運行后電站并網點電壓越限現象得到改善，圖5～圖6為AVC系統投入前后光伏電站D的并網點電壓波形，仍會存在并網點電壓偏高現象，光伏電站完全充分發揮電站的無功調節能力需要進一步提升。

圖5 光伏D站AVC投運前電壓情況

圖6 光伏D站AVC投運后電壓情況

4 電能質量

當前主流廠家的光伏逆變器通過控制可實現諧波電流發生量的抑制，控制光伏電站注入電網諧波電流不超標，表4～表6為實測部分光伏電站諧波數據統計，從表中可以看出諧波電流實測值均小于限值的50%，光伏電站注入電網諧波滿足標準限值要求。

表7為實測部分光伏電站并網點長時間閃變值，光伏電站并網運行時長時間閃變基本小于國標限值50%，部分光伏電站長時間閃變略高，但也均未超過國標限值的80%。表8為部分光伏電站并網點負序電壓不平衡度實測統計，光伏電站并網運行時負序電壓不平衡度均小于國標限值50%。

從上述實測數據分析可知，光伏電站并網運行對電網電能質量影響相對較小。但若并網點短路電流較小時，諧波電流限值減小，也會出現電站注入電網諧波超標現象。

表4 D站注入電網各次諧波電流大值

表5 E站注入電網各次諧波電流大值

表6 K站注入電網各次諧波電流大值

表7 各光伏電站并網點長時間閃變值

表8 各光伏電站運行時負序電壓不平衡度

5 結論

本文基于光伏電站實測運行數據，分析了光伏電站在有功潮流、無功電壓、電能質量等方面存在的典型問題并得出一些結論，對提升光伏電站并網安全運行具有參考價值。

(1)光伏電站出力受天氣、光照影響具有較強的隨機性，引起光伏電站有功變化速率超過國標限值明顯，隨著規模化并網，可能影響系統有功平衡。

(2)光伏電站并網點電壓越限次數發生概率大，光伏電站無功調節能力要進一步加強。

(3)光伏電站注入電網的諧波、負序等問題不再是主流問題，基本能滿足國標要求。