分布式電源并網對配電網電能質量的影響研究

李永華

（安徽國禎生態科技股份有限公司，安徽 阜陽 236000）

0 引 言

分布式發電（Distributed Generation，DG），又稱分布式電源，是指直接接入配電網或者分布在用戶現場周圍的容量較小的發電系統。與傳統的配電網系統相比，基于分布式電源并網的配電網系統可以提供更加安全穩定的電能，而且該并網電源形式比較多，如風能、熱能、太陽能及各類燃料電池等，使得分布式發電具有很好的應用價值。

1 分布式電源并網對配電網電能質量的影響

1.1 對配電網損耗的影響

一般來說，配電網運行會產生一定損耗，這種損耗主要體現在系統本身的潮流方面。而分布式光伏并網由于對系統潮流分布構成直接影響，因此會間接影響配電網系統的損耗。傳統的配電網系統在接入分布式光伏電源后，系統輸送功率的單相流動方式發生變化，進而造成系統損耗出現增高或降低的問題。這一情況主要受分布式光伏并網接入位置、容量及網絡拓撲結構等因素的影響。例如，某一個測試系統中，通過改變分布式光伏電源接入位置、容量等參數，經過定量分析后得到配電網相關的損耗數據信息[1]，如圖1所示。由測試分析可知，配電網系統的損耗問題與分布式光伏電源接入位置和容量有直接關系。位置方面，在1—17饋線上，系統損耗出現先降后增的趨勢，最低點位于饋線中間；容量方面，在位置參數不變的情況下，隨著容量的不斷增加，系統損耗出現先減小后增大的趨勢。

圖1 配電網系統的損耗與接入位置和接入容量的關系圖

1.2 對電壓分布的影響

在圖2所示的系統中，分布式光伏電源接入前m節點的電壓為：

分析式（1）可以發現，配電網系統的節點電壓與線路傳輸功率具有一定的關系，并且后者在一定程度上與負荷功率存在聯系。在這種情況下，假設m節點位置接入容量為PDG+jQDG的分布式光伏電源，則會改變該節點的負荷功率參數和電壓，詳細如下：

分析式（2）發現，配電網系統在進行光伏并網后，本身的節點電壓和線路傳輸功率都發生了改變。通常情況下，傳統的配電網系統呈現輻射狀態，這種情況下系統運行過程中節點電壓會沿著饋線潮流方向呈現降低的發展趨勢。但是，當分布式光伏電源接入系統后，配電網系統中饋線的傳輸功率下降，節點電壓呈現升高的發展趨勢，從而造成一些負荷節點電壓出現偏移和超標問題[2]，并且這種偏差的大小與分布式光伏電源接入位置、容量等參數也存在關系。對于接入點電壓Vm來說，其必須要小于電壓偏差要求的最大電壓Vmax，這樣線路電壓才能滿足相關要求，由此可以確定線路最大的分布式光伏電源接入容量。

圖2 含分布式電源的輻射狀配電網絡模型

在配電網系統3個節點位置（1、8、17）接入適當容量的光伏電源，將其類型設定為PQ節點。經過相應的計算和分析，分布式光伏電源接入位置與系統電壓幅值變化結果見圖3。從圖3可知，分布式光伏電源接入之后，系統的節點電壓確實呈現增高的趨勢，而且光伏電源接入位置與電壓復制幅值大小存在一定的關聯，具體體現為：光伏電源接入位置越接近電源本身，電壓越小，越接近線路末端，節點電壓越大。

1.3 對電能質量的影響

分布式光伏并網對配電網電能質量影響最為巨大。第一，分布式光伏電源的接入，會導致配電網系統出現電壓閃變的問題。由于分布式光伏并網的啟動和停止會受到諸多因素的影響和干擾，這種極大的不確定性使得配電網出現電壓閃變的問題。第二，對配電網造成諧波污染。實際并網中，因為電力電子技術逆變器開關器件出現頻繁操作，即開啟和斷開，導致開關附近產生諧波分量，最終對配電網造成諧波污染。第三，對配電網電壓波動產生影響。以往的配電網中有無功負荷會隨時間變化造成系統電壓波動，而對于分布式光伏并網來說，其對于配電網電壓波動的影響要結合實際分析。分布式光伏電源接入與本地負荷協調運行時，會抑制系統電壓的波動；反之，如果分布式光伏電源接入與本地負荷不協調時，系統的電壓波動不僅不會被抑制，反而更加嚴重。

圖3 分布式光伏電源接入位置與系統電壓幅值變化關系

2 分布式光伏并網接入配電網提升電能質量的對策

2.1 中心控制層調節對策

2.1.1 開展配電網系統調度工作

開展配電網系統調度工作的本質在于對逆變器輸出功率參考值進行調節。但是，這一調節工作具有波動性和間歇性特點，會導致光伏列陣整體輸出功率受到干擾，最終出現功率不匹配的問題，也會對調度指令與光伏電源最大輸出功率產生影響[3]。為了有效克服這一缺陷，在實際執行過程中，可以使用超級電容器儲能裝置進行有效調節和控制，以達到降低干擾和影響的目的。

2.1.2 低電壓穿越配電網

實際的配電網運行中會不可避免地出現電壓偏差問題，嚴重的偏差甚至超過10%。針對配電網電壓偏差問題，需要分布式光伏并網系統對電壓進行有效控制，具體是對系統有功功率進行容量消減處理，避免逆變器出現過流現象。如果在實際運行中，系統電壓偏差在10%以內，并且配電網電壓降低1%UN，那么系統有功功率就會減小5%左右，這種情況下必須對系統有功功率進行充分限制。

2.1.3 系統儲能元件荷電狀態優化

要想科學、合理、有效地提升并網后系統的安全性和可靠性，就要保證系統端電壓在規范運行范圍中；要想讓配電網系統運行更加持續穩定，相關研究人員和作業人員就要對系統儲能元件荷電狀態進行優化和改良。在實際運行中，若發現系統中超級電容器存在電壓過低的現象，為了保證系統端電壓穩定，需要對超級電容器系統進行充電作業；反之，若發現存在電壓過高的現象，需要執行放電操作，以避免系統電能過高從而超出標準，影響系統運行可靠性。

2.2 本地控制層調節對策

對于分布式光伏并網的本地控制層來說（見圖4），需要加強超級電容器和逆變器的配合度，然后在此基礎上進行結構的調整控制，包括系統側結構調整、逆變器結構優化以及超級電容器改良等。在確保上述控制和優化工作順利完成后，才能有效確保分布式光伏并網系統的安全穩定運行。

圖4 配電網系統本地控制層調節

2.3 仿真解析

2.3.1 配電網系統調度仿真

配電網系統調度優化措施的仿真分析中，由于存在相對穩定的直流母線電壓，因此最終的仿真結果比較理想。具體結果為：在0.1～0.5 s，分布式光伏列陣輸出功率驟然增高；0.2～0.4 s，系統有功和無功調度參數改變。但是，因為超級電容器具有明顯的運行優勢和特點，所以確保了系統運行的穩定性。

2.3.2 配電網調頻仿真分析

在配電網系統調頻仿真分析過程中，如果電頻出現偏移，則光伏電源會直接與調頻結合，在此基礎上確保直流母線電壓的穩定性。詳細分析結果為：在0.1～0.5 s內，光伏列陣功率瞬間增加，當功率在50.2 Hz以下時，并網后系統功率會與光伏列陣實際功率相等。而隨著配電網系統頻率的增高，光伏并網功率參考值會降低，一旦該指標出現偏高的現象，系統中剩余功率會被超級電容器所吸收，降低參考值參數指標。除此之外，與上述的調整對策相類似，該調頻優化中將直流母線電壓設定為800 V，可以有效確保其運行的穩定性。但需要注意的是，調頻過程中要注意電壓偏差問題，將其控制在合理范圍后再開展后續操作[4]。

2.3.3 低電壓穿越仿真分析

對系統低電壓穿越模式的仿真分析，本質是對系統電壓進行優化。詳細的分析結果為：在0.1～0.5 s，系統功率依然出現瞬間增高的情況；在0.3 s前數值降低到0.8UN時，無功功率會通過逆變器作用進入電網系統，滿足直流母線電壓的需求。在電壓處于0.98UN以內時，會對分布式光伏并網的有功功率產生抑制作用，配電網電壓降低幅度與有功功率消減程度成正比，并且在最大可用容量作為基礎的條件下，使逆變器成為無功電壓的主要支撐。

2.3.4 超級電容器荷電狀態優化仿真

在超級電容器荷電狀態優化仿真驗證中，一旦配電網系統電壓沒有達到標準，那么元件就會通過相應調整使直流母線的電壓趨于穩定。如果端電壓數值出現較低和較高的現象，可以通過充電和放電的方式進行處理，以達到調整和優化的目的。仿真結果如下：在運行0.1～0.5 s內，光伏陣列的輸出功率瞬間增高；在0.7～1.1 s內，該數值出現下降的現象。

3 結 論

本研究主要分析了分布式光伏電源接入配電網系統后對系統本身的網損、電壓及電能質量的影響情況，重點提出應對控制上述影響的策略，設計了兩種層面的控制方案，即中心控制層和本地控制層。通過仿真試驗分析發現，相關對策和措施可以達到提升系統電能質量目的，并且可以有效確保系統直流母線電壓運行的可靠性。