光伏并網對配電網的電能質量的影響

舒 銳

（西南交通大學希望學院，四川 成都 610400）

0 引 言

隨著我國碳中和、碳達峰目標的提出，國家進一步加大對風電、太陽能、水電等可再生能源的投資力度。太陽能具有清潔、無污染、可再生等優勢，無需擔憂能源枯竭、原材料供應以及環境污染等問題。大力發展光伏發電是達到碳中和、碳達峰目標的必由之路，其中光伏并網發電對配電網電能質量的影響也不可忽視。

1 電能質量的定義

電能質量是指電力系統中電能的質量，電能質量問題歸根到底是根據用戶的需求來定義，從不同的角度來看其含義有所不同。盡管電能質量的定義模糊不定，但是通常認為電能質量較差的原因是供電電壓沒有呈對稱的波形狀態，有時會造成負載不能正常工作[1]。一般而言，人們都將供電質量與用電可靠性同等看待。當整個系統處在相間對稱狀態時，電壓與電流波形幅值一樣，相位差都是120°。但在實際工作運行中，由于整個系統中電氣設備的特性都不是線性關系，并且整個線路的負荷用電情況在不同時間段也是變化的，因此這種理想化的假設狀態實際上不可能出現，電網與負載之間會產生不和諧的影響，從而導致電能質量問題。由于光伏電源的波動性、隨機性以及突發不確定性會給配電網的電能質量帶來影響，因此從三相電壓不平衡、電壓波形畸變與諧波、電壓偏差以及電壓變動等方面進行電能質量衡定的指標分析[2]。光伏電池等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

2 影響電能質量的原因

2.1 三相電壓不平衡

光伏電源的接入會對配電網的三相電壓產生不平衡影響，而三相電壓不平衡往往是通過線路中負序分量不平衡來進行量化的。定義負序電壓分量為U1、正序電壓分量為U2，它們的比值為電壓不平衡度Kd，即。查閱資料可知，電力系統中公共電壓三相不平衡度允許值為2%，在短時間允許值為4%，連接與公共用戶連接點的用戶的允許值為1.3%。當超出以上的允許值范圍時，一般認為出現了三相電壓不平衡現象[3]。

2.2 電壓波形畸變與諧波

光伏發電產生的電能在接入電網時，會有部分諧波電流注入電網中，使電網中電壓的波形產生畸變，影響電網的穩定運行。波形畸變指標特征可以用單次諧波值、總諧波畸變率、單次間諧波值以及總間諧波畸變率來衡量[4]。光伏電源接入后，h次電流諧波含有率HRIh為：

式中：Xh為h次電流均方根值；X1為基波電流均方根值。

總諧波畸變率為：

由參考資料可得，光伏并網后，線路中的總諧波畸變率限值為4%。

2.3 電壓偏差

電壓偏差是衡量一個電力系統是否正常運行的重要指標。光伏電源并網后增加了配電網的儲容量，也抬升了配電網的電壓，整個系統的電壓抬升效果與接入配電網的光伏電源容量成正比[5]。但是配電網的電壓有承受的最高限制，為了防止線路電壓越限，接入的光伏電源的容量不能無限大。同時為了保證電網的安全運行，配電網線路的電壓偏差應該在其標準范圍內。電壓偏差計算公式為：

式中：UN為線路的額定電壓；U為線路的線電壓。

2.4 電壓波動

一般情況下，電壓波動指一系列電壓相對快速變動或連續改變的現象，會導致實際電壓偏離系統標準電壓。當線路中的電壓發生波動時，人們會明顯地察覺到燈光照明度的變化，這就是常說的線路閃變，閃變常作為衡量電壓波動程度的評價指標。由于光伏發電受外界環境的影響較大，因此當光照減弱或者出現陰雨天氣時，光伏線路的電壓會時高時低，那么并網后它會導致配電網的電壓波動出現的更頻繁，用戶的體驗舒適度便會降低。基于此，電壓波動是光伏并網后需要重點調整的因素之一。

3 光伏并網對配電網網損的影響

電力系統中各電子器件與電子設備中存在阻抗，導致在向負載輸送電能的過程中會出現大量的能源損耗。對此研究電能在轉換、輸送、分配過程中的損耗，并尋求策略來減少網損，讓電力網絡以最優的結構運行是十分必要的。

在配電網中，假設光伏發電注入配電網的容量為PDG+QDG、線路單位長度的阻抗為R+jX、光伏電源接入配電網電源的總長度距離為L、其余負荷的距離為M，則接入光伏系統后配電網網損的變化為：

整個系統中的網絡損耗與其用電負荷、光伏發電系統的并網位置、參與并網的光伏系統的容量大小以及原配電網的電力網絡結構都息息相關。當光伏發電系統并入配電網后，配電網的饋電線路的網絡電壓潮流就會向不同的方向變化，在這種情況下就會改變原來配電網的網絡損耗。由于光伏發電系統對網損改變的不確定性，因此光伏電源并網后可能提高線路的損耗，也有可能降低電路損耗。當配電網中節點負載附近的光伏發電系統的電量大于等于該配電網中的節點負載時，那么該光伏電源的接入就會降低該配電網的網絡損耗。如果整個配電網中至少存在一個節點，該節點處的光伏電池板發電量大于該處的節點負荷所需電量，并且配電網中負載所需電量之和與接入配電網光伏發電的總電量之和相等，此時光伏系統的并網位置、并網容量以及配電網的結構都會對配電網的網絡損耗有所影響[6]。

4 光伏并網對配電網調度自動化的影響

配電網調度自動化是指將用電設備與現代先進的科學技術（電力電子技術、計算機通信技術、網絡傳輸技術和電子監控技術等）相結合，以提高電能質量和為用戶提供更經濟可靠的用電體驗為目標的一門技術。對于配電網調度自動化系統的設計，必須充分考慮技術要求和設備要求。按照技術標準來設置調度環節，通過各種計算機應用來支持調度系統的研究，其結構如圖2所示。

圖2 調度系統構成

采集電力系統的實時參數并傳送整個系統的器件動作信息與狀態信息，形成事件的順序記錄，然后接受和執行從主站發送的命令，調整發電機的有功功率和無功功率[7]。信息傳輸子系統按照傳輸通道的不同可分為模擬傳輸系統和數字傳輸系統，這兩種傳輸系統可以進行調制轉換[8]。

當光伏系統并網后，原有配電網的一些參數會出現變化，就會給調度自動化系統的實時操作帶來一些干擾與誤差[9]。為了實現配電網的統一管理和運行調度，需要將光伏并網系統逐步納入配電網調度自動化系統，讓配電網的信息和光伏并網系統的信息實現互通共享，提高配電網對光伏并網系統的調控能力，充分發揮光伏并網發電的優勢，盡可能避免其對配電網運行控制和調度管理造成不利影響[10]。

5 結 論

太陽能、風能都具有可再生性，利用其發電符合綠色發展理念。通過深入研究風電并網發電技術，提高光伏并網和風機并網的裝機容量。利用光伏并網發電技術實現了將太陽能轉換為符合配電網要求的電能，而且減少了對傳統能源的消耗。然而，光伏并網發電會對配電網電能質量產生影響，通過詳細分析影響電能質量的原因，為后續制定解決方案提供參考。