分布式光伏系統(tǒng)中電壓過(guò)高問(wèn)題優(yōu)化策略研究

國(guó)網(wǎng)河北省供電公司平山供電分公司 王曉龍 王環(huán)環(huán)

為積極響應(yīng)國(guó)家“碳中和”政策，發(fā)展新型能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石化能源勢(shì)在必行；光伏發(fā)電具有可持續(xù)性高、分布廣泛、獲取方便等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前重要的獲取能源方式；同時(shí)，居民安裝光伏還可以獲得額外收入，于是小規(guī)模的光伏發(fā)電廠和居民分散安裝光伏板成了較為普遍的現(xiàn)象。根據(jù)某供電所和調(diào)控中心的采集的大量數(shù)據(jù)觀察，分散接入的方式可以導(dǎo)致線路末端電壓升高。以某縣35kV古月站522古農(nóng)線為例，線路末端接入了12臺(tái)400kVA的分布式光伏變壓器，導(dǎo)致線路末端電壓常在259～270V，最高可到279.9V，而國(guó)家規(guī)定的線路末端標(biāo)準(zhǔn)電壓在198～236V，可見(jiàn)522古農(nóng)線線路末端電壓嚴(yán)重超標(biāo)。

由此也引起了一系列的問(wèn)題：持續(xù)高電壓運(yùn)行，會(huì)加速電氣設(shè)備的絕緣老化，降低使用壽命；會(huì)使變壓器等設(shè)備空載損耗增大，增加線損；會(huì)增加配電網(wǎng)短路的沖擊、改變配電網(wǎng)的電壓分布，減小配電網(wǎng)的穩(wěn)定性，使電能質(zhì)量進(jìn)一步變差；會(huì)燒毀電器等。截至目前，522古農(nóng)線已燒壞3臺(tái)養(yǎng)雞場(chǎng)電機(jī)以及村民照明設(shè)備若干。為了將光伏大量接入到配電網(wǎng)中，同時(shí)保證配電網(wǎng)可靠穩(wěn)定地運(yùn)行，急切地需要引入新的概念和技術(shù)手段增加網(wǎng)絡(luò)的可控性。本文以某公司為例，經(jīng)大量分析研究，提出以下幾種可行性改進(jìn)方案，這些方案能達(dá)到降低電壓的效果，各地區(qū)可根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

1 解決單線路末端電壓高的方案

1.1 調(diào)整逆變器保護(hù)值

要求光伏逆變器的廠家對(duì)電壓保護(hù)值進(jìn)行重新設(shè)定。國(guó)家對(duì)逆變器要求的保護(hù)值范圍在195.5～253V，但由于國(guó)家電網(wǎng)水平參差不齊，部分地區(qū)線路過(guò)長(zhǎng)或變壓器容量不足，就會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓過(guò)高或過(guò)低，最高可達(dá)270V，最低則只有180V，為了適應(yīng)這些地區(qū)的復(fù)雜情況，逆變器廠家會(huì)擴(kuò)寬電壓保護(hù)的范圍。

針對(duì)以上光伏逆變器保護(hù)電壓不合格的情況，可進(jìn)行抽查監(jiān)測(cè)是否確實(shí)存在不合格的情況。若存在，要求逆變器廠家或者其他技術(shù)人員操作逆變器的面板改變電壓[1]。如果逆變器的電壓保護(hù)值在合格范圍內(nèi)，電網(wǎng)的電壓仍然較高，可以要求在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)適當(dāng)降低電壓保護(hù)值，也可適當(dāng)調(diào)節(jié)站內(nèi)主變的分接頭，以降低線路電壓。

1.2 引進(jìn)或興建其他項(xiàng)目

線路末端的分布式光伏發(fā)電是一種有效的電力供應(yīng)方式，其容量相對(duì)較小，位置接近電力負(fù)荷，一般接入電壓等級(jí)較低的配電網(wǎng)或微電網(wǎng)，運(yùn)行方式主要為就地接入，就地消納，實(shí)行“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”的模式，這樣既避免了大規(guī)模、長(zhǎng)距離輸電所需較大資金的投入，也降低了電力損耗。

然而，在政府扶貧項(xiàng)目中，如一些較為貧困落后的山區(qū)，已投資建設(shè)了一些規(guī)模適中的光伏電站。由于當(dāng)?shù)叵鄬?duì)落后，用戶少，就地消納能力有限，光伏發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性大，難以進(jìn)行有效調(diào)度。解決這些電站的光伏電力消納問(wèn)題，可與政府合作，進(jìn)一步擴(kuò)大分布式光伏發(fā)電的應(yīng)用市場(chǎng)，興建或引入適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的其他項(xiàng)目，將這些項(xiàng)目作為光伏電力的消納點(diǎn)，減少光伏電力對(duì)電網(wǎng)的返送，從而解決線路末端電壓高的問(wèn)題。這不僅有助于解決電力消納問(wèn)題，也有利于促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，形成多贏局面[2]。

1.3 線路改造

對(duì)于存在電壓過(guò)高問(wèn)題的線路，可通過(guò)線路改造的方式，比如更換部分老舊的、電阻較大的細(xì)線，采用新的、電阻較小的粗線，來(lái)降低線路的總體電阻，從而降低電壓。線路的電阻大小直接影響著電壓，根據(jù)歐姆定律U=IR，線路電阻R的降低在電流I不變的情況下，電壓U也會(huì)隨之降低。優(yōu)質(zhì)的線路不僅可以降低電阻，同時(shí)還可以降低線損，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏發(fā)電的上網(wǎng)電壓只有在高于電網(wǎng)電壓的情況下，才能順利送至電網(wǎng)。通過(guò)降低線路電阻，可以降低電網(wǎng)的電壓，這樣就能夠達(dá)到降低光伏上網(wǎng)的電壓值，從而有效降低線路末端電壓。這樣的改造雖然需要一定的資金投入，但其收益卻是長(zhǎng)久和顯著的，既能夠解決電壓過(guò)高的問(wèn)題，還能提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率，最終有助于提升整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，推動(dòng)可再生能源的更好利用。

1.4 加裝穩(wěn)壓設(shè)備

對(duì)于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，另一個(gè)可行的解決電壓過(guò)高問(wèn)題的方法是在發(fā)電側(cè)（即光伏站側(cè)）加裝穩(wěn)壓設(shè)備。穩(wěn)壓設(shè)備具有智能檢測(cè)系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)發(fā)電側(cè)的上網(wǎng)電壓進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，從而維持穩(wěn)定的電壓輸出。穩(wěn)壓設(shè)備的工作原理是：用戶在設(shè)備內(nèi)輸入標(biāo)準(zhǔn)的電壓值，設(shè)備會(huì)自動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前電壓是否與標(biāo)準(zhǔn)值相符，如果有偏差，設(shè)備會(huì)自動(dòng)調(diào)整，使上網(wǎng)電壓達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，這樣就能確保電網(wǎng)的電壓始終在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，避免了電壓過(guò)高的問(wèn)題。

穩(wěn)壓設(shè)備的價(jià)格因素多種多樣，包括光伏發(fā)電量、線路參數(shù)等，根據(jù)具體情況定制的穩(wěn)壓設(shè)備，不僅能提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還能有效降低運(yùn)營(yíng)成本。加裝穩(wěn)壓設(shè)備的方法雖然投入一定的成本，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，可極大地提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，從而保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)可再生能源的更好利用，對(duì)于推動(dòng)綠色能源的發(fā)展，具有重要的實(shí)際意義。

1.5 安裝先進(jìn)的逆變器

目前較為先進(jìn)的逆變器除了可將光伏的直流電逆變成交流電輸送至電網(wǎng)，還自帶電容和電感元件，可直接發(fā)出無(wú)功和吸收無(wú)功。在電壓高的情況下，可直接降低無(wú)功的發(fā)出量甚至讓其吸收電網(wǎng)的無(wú)功來(lái)降低電壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓低時(shí)，可讓其多發(fā)無(wú)功，從而達(dá)到穩(wěn)定電壓的作用。

以上述內(nèi)容1.1章節(jié)和1.4章節(jié)效果較為明顯，資金投入相對(duì)較低，易改造；1.2章節(jié)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩項(xiàng)l件、基礎(chǔ)設(shè)施、政府決策等條件決定；1.3章節(jié)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況和費(fèi)用的計(jì)算來(lái)決定；1.5章節(jié)所述逆變器較為先進(jìn)，價(jià)格高昂，目前沒(méi)有普及使用，也要根據(jù)實(shí)際情況和計(jì)劃費(fèi)用來(lái)決定。

2 解決變電站與多饋線電壓高方案

2.1 安裝長(zhǎng)距離配電網(wǎng)電壓分區(qū)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

基于分層分區(qū)、就地平衡的思想，電壓協(xié)調(diào)控制體系主要由區(qū)域協(xié)調(diào)控制器和電壓就地自治控制器兩部分組成。底層電壓就地自治控制器對(duì)自治區(qū)域內(nèi)光伏逆變器的無(wú)功和有功輸出功率進(jìn)行直接控制，既可基于本地量測(cè)信息進(jìn)行就地電壓控制，也可基于分布式通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)相鄰自治區(qū)域提供電壓支撐或向相鄰自治區(qū)域請(qǐng)求無(wú)功支撐。上層的區(qū)域協(xié)調(diào)控制器分布于饋線上或變電站內(nèi)，分別用于保證所在饋線上的電壓監(jiān)測(cè)和控制、變電站內(nèi)無(wú)功電壓設(shè)備的調(diào)控。

同一饋線上電壓就地自治控制器間的分布式通信鏈路是底層分布式多代理電壓控制的基礎(chǔ)；各電壓就地自治控制器與其所在饋線區(qū)域協(xié)調(diào)控制器互聯(lián)，滿足饋線上的電壓監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)需求；饋線區(qū)域協(xié)調(diào)控制器與變電站內(nèi)的區(qū)域協(xié)調(diào)控制器互聯(lián)，用于實(shí)現(xiàn)變電站與多饋線之間的分布式電壓協(xié)同控制或變電站級(jí)全局優(yōu)化調(diào)度。

如圖1所示，電路板布局共有6列3行，一共有6個(gè)燈泡和一個(gè)插座。每個(gè)燈泡都有箭頭指示方向，這些箭頭可能代表電流的流動(dòng)方向。圖1電路板布局中，中間燈泡和右邊燈泡之間有一個(gè)插座，左邊燈泡和右邊燈泡之間也有一個(gè)插座。此外，兩個(gè)插座之間有3個(gè)燈泡，這些燈泡分布在兩個(gè)插座的兩側(cè)。這種電路板布局能夠?qū)崿F(xiàn)不同的電路連接，使得電流可以在燈泡和插座之間流動(dòng)，從而使燈泡發(fā)光。不同的布局可能會(huì)導(dǎo)致電流流動(dòng)的方向和方式不同，從而影響燈泡的亮度和顏色等特性。

圖1 電路板布局

2.2 線路末端加裝儲(chǔ)能模塊

線路末端加裝儲(chǔ)能模塊簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是利用儲(chǔ)能電池，在光伏發(fā)電高峰期將其電能儲(chǔ)存起來(lái)，在低谷期將電能釋放出來(lái)，發(fā)揮削峰填谷、改善電能質(zhì)量、彌補(bǔ)電力供應(yīng)不足等作用，進(jìn)一步提高電網(wǎng)供電可靠性。下文以某縣營(yíng)里虛擬站來(lái)分析該模式。

營(yíng)里虛擬站是河北南網(wǎng)首座偏遠(yuǎn)山區(qū)低壓側(cè)儲(chǔ)能微網(wǎng)，修建在石家莊平山縣楊家橋鄉(xiāng)蹅馬村。蹅馬村地處平山縣深山區(qū)，位置偏僻，共有20多戶人家，大多數(shù)為留守老人，用電量小。全村由35kV康莊變電站10kV 664踏馬線供電，線路全長(zhǎng)約25km，蹅馬村位于線路供電最末端。線路長(zhǎng)，末端消納能力不足，造成了線路電壓極其不穩(wěn)定。

于是省南網(wǎng)在蹅馬村建設(shè)村級(jí)400V光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)作為試點(diǎn)工程。初步確定電池儲(chǔ)能系統(tǒng)20kW，該系統(tǒng)具備并網(wǎng)、離網(wǎng)兩種運(yùn)行方式。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，優(yōu)先使用光伏發(fā)電，光伏發(fā)電達(dá)到一定功率時(shí)開(kāi)始給電池充電，電池充滿需要6h，正好吸納了中午光伏發(fā)電的高峰電量；太陽(yáng)落山后，電網(wǎng)供給線路末端電壓低，電池開(kāi)始放電，以保證線路末端電壓在合格范圍內(nèi)；電網(wǎng)停電時(shí)，該系統(tǒng)還可自動(dòng)切換為離網(wǎng)運(yùn)行模式，微網(wǎng)獨(dú)立帶負(fù)荷運(yùn)行，切換過(guò)程允許停電[3]（如圖2所示）。

圖2 光照條件較好時(shí)光伏出力標(biāo)幺化曲線圖

圖3展示了一種數(shù)據(jù)或指標(biāo)在一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，在2021年3月1日至3月8日期間該數(shù)據(jù)在0.2到1之間波動(dòng)；而在3月9日至3月22日期間該數(shù)據(jù)在1到1.2之間波動(dòng)。這張折線圖呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，意味著隨著時(shí)間的推移，數(shù)據(jù)值在逐漸增加。接入該系統(tǒng)后，在負(fù)荷最大時(shí)刻、光伏出力最大時(shí)刻、僅由儲(chǔ)能供電時(shí)負(fù)荷最大時(shí)刻下臺(tái)區(qū)末端電壓差均相對(duì)較小，用戶電壓平穩(wěn)了很多，沒(méi)有再出現(xiàn)燒壞設(shè)備現(xiàn)象，且將光伏的出力限制在剛好與負(fù)荷平衡的狀態(tài)。

圖3 儲(chǔ)能供電變化趨勢(shì)

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，深入探討了多種應(yīng)對(duì)分布式光伏并網(wǎng)引發(fā)線路末端電壓過(guò)高問(wèn)題的有效策略。首先，提出了一種就地消納光伏電壓的方法，通過(guò)在線路末端引入或興建其他項(xiàng)目，解決了光伏電力的消納問(wèn)題。這不僅可以減輕線路末端電壓過(guò)高的問(wèn)題，還有助于促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。其次，研究了通過(guò)改造線路和更新老舊設(shè)施來(lái)減少電阻，從而降低線路末端電壓的策略。雖然需要一定的投資，但可以長(zhǎng)期提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，減少線損。本文最后探討了加裝穩(wěn)壓設(shè)備的方案，以確保光伏發(fā)電系統(tǒng)始終維持適當(dāng)?shù)碾妷狠敵觯乐闺妷哼^(guò)高。雖然成本較高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這可以優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行，提高分布式光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。