光伏电站接入区域电网的影响分析

陈云锋 丁 宁

（1.云南省电力建设公司，昆明 650041；2.国网智能电网研究院，北京 100192）

近年来，中国光伏发电工程呈现出快速发展的趋势，大力促进以光伏发电为代表的新能源的开发和利用是解决当前面临的能源短缺危机和缓解环保压力的有效措施[1-2]。2002年，原国家发展计划委员会启动了大规模的边远地区电气化“送电到乡”工程，在西部七省区共建成了721座光伏和风光互补电站，装机容量约1.5万kW，解决了大约130万人口的基本生活用电问题[3]。经过多年的发展，我国的太阳能发电产业已具备相当的规模，技术条件已趋于成熟，太阳能利用将是我国能源变革可行的解决方案。

我国某地区太阳能资源丰富，省内各地区全年平均日照时数在960～2840h之间、太阳辐射总量在3620～6682MJ/m2之间；全省年平均太阳能辐射总量大于5000MJ/m2的地域约占全省总面积的90%。有 59个县的年太阳总辐射在 5500MJ/m2以上，有12个县在6000MJ/m2.a以上[4]。

由于太阳能光伏发电属于能量密度低、稳定差，调节能力差的能源，发电量受天气及地域的影响较大，并网发电后会对电网安全、稳定、经济运行以及电网的供电质量造成一定影响，因此需在规划阶段进行充分详实的分析计算，以便确定有利于系统运行的规划方案。本文以某光伏电站接入系统为例，开展了对光伏电站接入对区域电网影响的专题研究，以保证电网的安全稳定运行。

1 光伏电站模型

光伏电池等效电路如图1所示。

图1 光伏电池的等效电路

Iph为光生电流，其值正比于光伏电池的面积和入射光的光照强度；IL为光伏电池输出的负载电流；U为负载两端的电压；无光照情况下，光伏电池的基本行为特性类似于一个普通二极管，UD表示等效二极管的端电压，ID为流经二极管的电流；RL为电池的外负载电阻；电路中等效串联电阻Rs由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接触电阻和金属导体电阻等组成；等效并联电阻Rsh由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的P-N结漏泄电阻和电池边缘的漏泄电阻等组成。

在特定的太阳光照强度和温度下，当负载RL从0变化到无穷大时，输出电压U范围在0到Uoc之间变化，同时输出电流范围在Uoc到 0之间变化，由此得到电池的输出特性曲线，如图2所示。可以看出，在一定的光照强度和温度下，光伏电池输出的电压、电流在一条曲线上移动，输出的功率P也在变化。光伏电池工作环境的多种外部因素，如光照强度、环境温度、粒子辐射等都会影响电池的性能指标，而且温度的影响和光照强度的影响还常常同时存在。

图2 光伏电池的输出特性

2 光伏电站接入系统方案

该光伏电站总的规划场址面积为8570亩，一期电站规模为 50MW，25年总发电量为 177448万kW·h，年平均发电量约为7097万kW·h，最大负荷利用小时数为1419h。

光伏电站工程设计了50个1000kWp单晶硅光伏发电单元系统，采用180Wp固定式单晶硅太阳电池组件配置 500kW 并网逆变器。每 2个 500kWp光伏发电单元系统组成 1个 1MWp光伏发电分系统，以此形成一个1MWp光伏发电分系统方阵。项目内 50MWp光伏发电系统电能汇至一组 10kV配电装置后经一台容量为 50MVA主变压器升压至110kV。

该光伏电站并网方案为：以1回110kV线路“T”接至地区110kV线路上，线路长度约7km，导线截面选择 240mm2。光伏电站接入系统示意图如图3所示。

图3 光伏电站接入系统示意图

3 对区域电网的影响分析

3.1 无功电压分析

一般电网在稳态运行情况下，电压沿馈线潮流方向逐渐降低。接入光伏电源后，由于馈线上传输功率减少，各负荷节点处的电压被抬高，可能导致电压偏移超标。午间阳光充足的情况下，光伏电站出力较大，若线路轻载，光伏电站接入点的电压会被明显抬高[4]。

本节将从光伏电站接入对电网的潮流分布和无功电压影响方面着手，对光伏电站出力变化引起的系统潮流变化进行计算分析，得到其并网运行对电网潮流和节点电压的影响。

丰小方式下，随着光伏电站出力的增加，电网相关节点电压、线路负载率及光伏电站吸收无功的变化如图4所示。

图4 丰小方式下随光伏电站出力增加相关参量变化曲线

图中电压基准值分别为115kV和230kV。从图中可以看出，随着光伏电站出力的增加，电网内相关系统变电站的母线电压呈现下降的趋势，光伏电站出口110kV母线为略有上升。同时，光伏电站满发时从系统中吸收的无功功率约为9.2Mvar。

3.2 稳定性分析

光伏电站作为分布式电源，其出力水平由所处环境的光照强度和温度等决定，不同季节不同时段光伏电站出力都在变化，这种间歇式电源接入电网将会对电网的稳定性产生一定的影响。光伏电站接入大电网后，由于电站容量相对较小，其接入不会对系统暂态稳定性造成大的影响[5]。

本节分析了光伏电站满发情况下，电网发生输电线路三相短路、单相瞬时短路、单相永久短路、母线故障、光伏电站出力骤降等故障后的暂态过程，得到该光伏电站并网运行对系统暂态稳定性的影响。

当电网发生三相短路故障时，如故障点与光伏电站并网点电气距离较近（例如节点3的110kV母线—T接点线路三相短路、节点2的110kV母线和节点 3的 110kV母线故障等），并网点电压在故障发生后降至低于0.2pu，从而超出低电压穿越能力而使得光伏电站退出运行。其他情况下，光伏电站并网运行对电网稳定性影响不大。图5给出了光伏电站出力骤降相关参量变化曲线。

图5 光伏电站出力骤降相关参量变化曲线

3.3 电能质量影响分析

1）光伏电站可能引起的电能质量问题

并网光伏电站由于存在DC-AC变换环节，需要采用大功率电力电子变换器件进行光伏并网控制，故其性能参数直接关系到光伏发电并网对电网电能质量的影响。光伏发电有以下特点：

（1）现有主要的光伏并网逆变器的控制方式为电压源电流控制，即输入侧为电压源，输出为电流源控制，通过控制输出电流以跟踪并网点电压。一般输出为纯有功功率，即功率因数为 1，不提供无功支持。

（2）为有效利用太阳能，并网逆变器输出功率控制策略为最大功率点跟踪（MPPT），不具备功率调节能力。

（3）光伏发电输出受天气影响很大，尤其在多云天气，发电功率会出现快速剧烈变化，发电功率的最大变化率超过10%额定出力/秒（%Pn/s）,其变化频率为数次到数十次/小时。

（4）逆变器输出轻载时，谐波含量会明显变大，在10%额定出力以下时，电流THD甚至会达到20%以上。

2）电能质量指标计算

本节将根据文献[6-9]对主要电能质量指标进行计算。

（1）电压偏差

光伏电站并网运行，出力随时发生变化，功率经过线路和变压器传输时造成线路和变压器首末端电压出现差值，引起系统电压偏差，同时，电网结构随着运行方式发生改变也会影响电压偏差。光伏电站功率和电压降的关系如图6所示。

图6 光伏电站接入系统简化模型

得出送电线路上的电压降

式中，P、Q为送电线路出口送出的有功功率、无功功率；R、X为送电线路的电阻、电抗；U1为送电线路出口的实际运行电压；ΔU为送电线路上的电压降。

在系统四种运行方式下，光伏电站从零到满发状态下，电网主要节点电压偏差见表1。可以看出，该光伏电站的出力变化引起的各节点电压正、负偏差的绝对值之和均不超过 5%，最大电压偏差为0.9%，满足标准要求。

表1 系统四种运行方式下主要节点的电压偏差

（2）谐波

根据国标对谐波电流限值进行计算，依据光伏电站采用的逆变器的检验报告中谐波电流含量对光伏电站可能发射的谐波含量进行计算，并通过电力系统谐波分析软件计算得到了相应公共连接点的谐波电压值，结果见表2和表3（只给出含量较大的谐波次数）。

表2 光伏电站注入谐波电流含量（A）

表3 光伏电站注入谐波电压含有率（%）

4 结论

1）考虑到光伏电站应具备一定的无功电压调节能力，为了减小光伏电站出力对电网电压的影响、增加无功电压调节能力，建议在光伏电站升压变低压侧安装动态无功补偿装置。

2）在光伏电站接入电网后，系统电压偏差最大为0.9%，电压总谐波畸变率为0.17%，不会对区域电网的电能质量产生大的影响，而且在光伏电站异常切除时，电网能切除故障保持各节点母线电压恢复稳定。

[1]CARRASCO J M, FRANQUELO L G, BIALASIEWICZJ T, et a1.Power electronics systems for the grid integration of renewable energy sources： a survey[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006,53(4)： l002-1016.

[2]李乃永,梁军,赵义术.并网光伏电站的动态建模与稳定性研究[J].中国电机工程学报, 2011, 31 (10)：12-18.

[3]高虎,赵勇强.“送电到乡”项目用户电力消费和需求调查分析[J].可再生能源.2006(3)：6-8.

[4]云南省太阳能资源评价报告[R].昆明：云南省气候中心.

[5]赵波.大量分布式光伏电源接入对配电网的影响研究[J].浙江电力.2010(6)： 5-8.

[5]许晓艳.并网光伏电站模型及其运行特性研究[D].中国电力科学研究院硕士论文, 2009.

[6]GB/T 12325—2008,电能质量供电电压允许偏差[s].北京：中国标准出版社, 2009.

[7]GB/T 14549—1993,电能质量公用电网谐波[s].北京：中国标准出版社, 1993.

[8]GB/T 19939—2005,光伏系统并网技术要求[s].北京：中国标准出版社, 2005.

[9]GB/Z 19964—2005,光伏电站接入电力系统的技术规定[s].北京：中国标准出版社, 2005.