大容量分布式光伏并网对配电网综合影响分析

黄 伟，董旭柱，雷金勇，于 力

（1.华南理工大学电力学院，广州 510640；2.广东电网公司佛山供电局，佛山 528000；3.南方电网科学研究院，广州 510080）

大容量分布式光伏并网对配电网综合影响分析

黄 伟1，2，董旭柱3，雷金勇3，于 力3

（1.华南理工大学电力学院，广州 510640；2.广东电网公司佛山供电局，佛山 528000；3.南方电网科学研究院，广州 510080）

为研究大容量分布式光伏并网对配电网的综合影响，基于广东某实际并网的分布式光伏项目的数据，搭建了DIgSILENT模型，分别从潮流和短路、谐波和三相不平衡度、电压波动等角度，对分布式光伏在不同并网点处并网前后配电网的表现进行仿真和对比分析。结果表明，为应对大规模分布式光伏发电接入配电网，需加强并网检测和控制并网容量，以保证配电网线路轻载甚至倒送、公共点功率因素偏低、短路电流增加和电能质量恶化等问题限制在规定允许范围内。

分布式光伏；大容量；电能质量；谐波；电压波动；经济性

近年来，随着能源利用与环境保护的问题越来越受到重视，光伏发电等新能源在世界范围内得到了快速发展，并取得了广泛应用。光伏发电包括光伏发电站发电和分布式光伏发电两种，分布式光伏DPV（distributed photovoltaic）是分布式发电技术DG（distributed generation）的一种，是指在用户所在场地或附近建设运行，以用户侧自发自用为主、多余电量上网，且在配电网系统平衡调节为特征的光伏发电设施。它们的规模不大，一般在几十kW到十几MW之间。近年来我国在“金太阳”工程之后继续大力推进DPV的发展，且出现项目容量越来越大的趋势。由于容量的增大这些DPV项目大多通过10 kV中压配电网并网运行。

随着光伏渗透率的增加，大量光伏接入配电网对电能质量、电压波动、继电保护等方面均会造成不同程度的影响[1-4]。目前，专门针对分布式光伏接入对配电网影响的研究大多仍以理论研究为主。文献[5]通过对某产业园区的光伏和微燃机接入进行仿真，得出电压水平、谐波含量均在合理范围，邻线故障也不会因DG的接入而导致本线路保护误动的结论；文献[6-7]研究了PV在配电网不同位置、不同容量接入时对电压分布的影响，得出PV接入配电网对电压有一定的提升作用，但应限制其容量以免电压越限；文献[8]分析了PV接入配电网引起电压波动的主要原因是太阳辐照度的变化，提出通过PV与SVC复合式调节的手段来限制电压波动；文献[9-10]研究了PV接入配电网不同馈线不同区段时，对原有配电网继电保护及安全自动装置的影响；文献[11]研究了接入DG对实施重合器模式馈线自动化线路的保护配合动作影响，提出了保证自动开关设备保护配合准确的DG容量与接入位置的建议；文献[12]分析了各种短路故障时的短路电流变化情况，得出无论配电网发生三相或两相短路时，由PV供出的短路电流都不超过其额定电流的1.5倍的结论，并对逆变器自身故障的保护提出了要求；文献[13]分析了DPV的有功出力和功率因数对配电网网损产生的影响，并提出了利用网损变化率指标来量化对配电网网损的影响程度；文献[14]分析了含PV和燃料电池等DG的有源配电网在PV故障、光照强度和功率指令变化等扰动下的动态特性；文献[15]分析了PV接入对配电网节点电压和网损的影响，指出在PV并网点安装一定容量的无功补偿装置，可平抑潮流波动，提高系统暂态稳定性。

本文以对广东某实际并网的分布式光伏项目为例，利用电力系统仿真软件DIgSILENT/Powerfac⁃tory进行数学建模，仿真分析分布式光伏在实际运行中对潮流分布、短路电流、谐波和电压波动等方面的具体影响。

1 分布式光伏并网模型

广东某城市电网区域有一用户建有40 MV·A的配变容量，通过5条10 kV馈线接入电网。在该用户内准备建设一个设计总规模35 MWp的分布式光伏项目，分7个并网点分别接入5条10 kV馈线。由于这5条馈线分属3个独立的供电片区，片区间互不影响，本文仅对其中的一个片区进行仿真。此片区含2条单联络馈线，上面接有3个并网点共11.5 MWp的光伏容量。10 kV线路装接情况如表1所示，接线示意如图1所示。

图1 分布式光伏并网接线示意Fig.1 Connection diagram of distributed PV

表1 分布式光伏项目并网情况Tab.1 Configuration of distributed PV project

在电力系统仿真软件DIgSILENT里搭建的光伏系统模型主要包括光照模块、光伏电池模块、直流母线电压控制模块、最大功率跟踪模块、逆变器控制模块等，其中有功和无功控制模块是通过控制直流母线电压和电网侧交流电压实现有功和无功功率的解耦控制。具体控制框图如图2所示。

图2 光伏电池模型控制框图Fig.2 Control block diagram of PV cells model

在DIgSILENT模型中，负荷电流、线路长度、型号截面、允许载流量等网架参数均使用实际电网数据。光伏逆变器数据根据厂家公布的设备参数录入，并且该逆变器并网前已通过质监部门的电能质量检验。

2 潮流和短路电流分析

2.1 潮流分析

根据潮流计算，DPV并网后各10 kV线路的负载率普遍偏低，其中713线路还出现了有功功率倒送的现象。各节点电压在DPV并网后稍有上升，但均能保持在合理水平。

但由于本项目逆变器不参与无功调节，固定在功率因数为1左右的水平，光伏并网后电网的无功潮流基本变化不大。而光伏的出力使得电网线路的有功功率下降，因此光伏并网点的“上端”节点均出现了功率因数大幅下降的现象，计算结果详见表2。电网线路只传输无功，电网运行的经济性将大受影响。

表2 各节点电压和功率因数计算结果Tab.2 Calculation results of voltage and power factor at network nodes

由此可见，如果光伏逆变器只有有功出力而不参与无功调节，则会使配网线路的公共节点处出现功率因数偏低的现象。以上问题都会对配电网的经济运行造成很大的影响，使得配电网的投资效益大为降低。

2.2 短路电流分析

模拟713线路开关站处发生三相短路故障进行仿真计算，0.1 s后发生短路，故障点短路电流的仿真波形如图3所示。通过计算，在光伏并网前短路电流大小是12.75 kA；而当光伏并网后，因光伏发电产生的短路电流增加了0.46 kA，合计短路电流达到13.21 kA，增加了3.61%。

图3 光伏并网后短路电流仿真计算结果Fig.3 Simulation results of short-circuit current after PV is connected to grid

可见，因光伏的接入会使得10 kV线路上的短路电流稍微增加，但增量很小，总值不超过允许的20 kA短路电流水平。但增加的短路电流由线路末端流向短路点，短路电流数值和方向的变化会影响到线路上保护的动作，需要对保护动作定值重新进行整定计算。

3 谐波和三相不平衡分析

3.1 谐波分析

根据GB/T14549《电能质量公共电网谐波》规定，分布式光伏发电系统接入电网后引起电网公共连接点的谐波电压畸变率以及向电网公共连接点注入的谐波电流应符合表3、表4的标准。

表3 公用电网谐波电压限值Tab.3 Limitation of harmonic voltage in public power network

表4 注入电网的谐波电流允许值Tab.4 Limitation of harmonic current injected into power network A

对光伏并网点处进行谐波分析计算，总畸变率及各次谐波值分别如表5和图4、图5所示。#1、# 3、#5 3个并网点处的谐波电压总畸变率THD（total harmonic distortion）均在0.2%～0.4%的范围，各次谐波电压含有率HD（harmonic distortion）不超1%；电流总畸变率也在3%左右，注入电网的各次谐波电流值均小于3 A。

表5 并网点总谐波畸变率Tab.5 Total harmonic distortions at the point of common coupling%

图4 并网点各次谐波电压畸变率计算结果Fig.4 Results of harmonic voltage distortion at the point of common coupling

由于该项目选用了合格的逆变器等光伏并网设备，并在并网前做了严格的并网验收和检测。因此实际运行时电网的各项谐波指标均满足规范要求，DPV的并网并不会对电网的谐波问题造成较大的影响。

3.2 三相不平衡分析

根据GB/T15543《电能质量三相电压不平衡》规定，分布式光伏发电系统正常并网运行时，接入公共连接点的负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%；接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。

并网前后光伏并网点的三相电压不平衡度计算结果如表6所示，其中u1、u2分别表示正序、负序电压幅值（标幺值）。从表中可知，因光伏的并网会使三相电压出现稍微的不平衡现象，但各节点的不平衡度指标均满足GB/T15543《电能质量三相电压不平衡》中要求不超过2%的规定，对电网影响不大。

表6 并网点三相电压不平衡度计算结果Tab.6 Three-phase voltage unbalanced factor at the point of common coupling

4 电压波动分析

根据GB/T12326《电能质量电压波动和闪变》规定，任一用户在电力系统公共连结点产生的电压波动不应超过规定的允许值，具体允许值见表7。

光伏的并网使配电网由单电源变成了多端电源，而且光伏出力具有随机性和波动性。这些光伏电源都集中在用户侧并网，由于电源的投切和出力变化可能会引起并网点电压的波动，从而影响用户供电的电压质量。在此分别对这两种情况进行仿真，分析其对电压波动产生的具体影响。

表7 电网电压波动允许值Tab.7 Allowable values of voltage fluctuation

4.1 光伏投切的影响

以#3并网点为例，对光伏投切时并网点处的电压波动情况进行仿真。在t=0.1 s时光伏切除，t= 0.2 s时投入，仿真结果见图6和图7，光伏投入时的电压波形和切除时类似，在此仅将光伏切除时的三相电压波形详细展开。由图中可见，在光伏切除时并网点电压稍微下降，由9.727 kV下降到9.656 kV，电压波动0.71%；光伏投入时，最大电压9.748 kV，最小电压9.655 kV，波动幅度0.93%。电压波动在允许范围之内。

图6 光伏投切时并网点电压的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of PCC voltage when PV switches

图7 光伏投切时并网点电压的暂态仿真结果Fig.7 Transient simulation result of PCC voltage when PV switching

4.2 光照强度变化的影响

光伏接入配电网引起电压波动的原因之一是太阳辐照度的变化，本文模仿光照变化波动的过程，对并网点电压的波动情况进行仿真。

设初始光照强度1 000 W/m2，光伏正常出力6.545 MW，在t=1 s时光照强度以200 W/（m2·s）的速度下降，持续时间为2 s，t=3 s时光伏系统输出功率降低至1.65 MW；t=5 s时光照强度以400 W/（m2·s）的速度上升，持续时间为1.5 s；t=6.5 s时光伏系统输出功率提升至8.745 MW，接近最大输出功率；t=8 s时光照强度以400 W/（m2·s）的速度下降，持续时间为1 s；t=9 s时，光伏系统输出功率降低至4.895 MW，之后保持稳定。仿真时间15 s，并网点的电压波形和仿真结果如图8和图9所示。

图8 光照强度变化时并网点电压的仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of PCC voltage when solar irradiance changes

图9 光照强度变化时并网点电压的暂态仿真结果Fig.9 Transient simulation result of PCC voltage when solar irradiance changes

可见，光照的波动变化对并网点的电压波形没有影响。电压的大小随着光伏出力的变化而改变，升降基本呈线性变化。整个过程中最高电压9.747 kV，最小电压9.673 kV，电压波动不超过0.75%。满足相关规程要求。

5 线路接入最大光伏容量的影响分析

配电网中10 kV主干线的导线截面大部分不超过400 mm2，其允许载流量受诸多因素限制，一般会控制在8 MW以下。每条10 kV馈线上允许接入的光伏总容量目前并没有明确的规定，但为了避免配网负荷轻载时光伏发电倒送上网出现线路过载的现象，光伏总容量不宜超过10 MW。

为模拟最大光伏接入时对配电网谐波、电压波动等的影响情况。假设本项目3个并网点#1、#3、#5的光伏板全部集中在#3并网点上网，即在713线路的#1电房里接入了11.5 MW的光伏容量。此时负荷全部设为0，其他网架参数保持不变。

具体的仿真结果和前文所述类似，各项指标稍微有所增大，但均不超过相关规程的允许范围。其中：线路最高电压在并网点处，达到9.927 kV；短路电流因光伏的并网增加了0.64 kA，增幅5.04%；谐波电压总畸变率0.69%；因光伏投切引起的最大电压波动不超过1.9%，光照强度变化引起的电压波动最大不超过0.72%。

6 结论

本文针对近来大容量分布式光伏项目逐渐增多的趋势，通过对广东某实际并网的分布式光伏项目进行仿真，分析其在实际运行中对潮流分布、短路电流、谐波和电压波动等方面的具体影响。通过仿真计算可得如下结论。

（1）DPV并网后使配电网的潮流发生较大变化，出现线路长期轻载运行甚至功率倒送的现象。如果光伏逆变器只有有功出力而不参与无功调节，还会使配网线路的公共节点处出现功率因数偏低的现象。以上这些都会对配电网的经济运行造成很大的影响，使得配电网的投资效益大为降低。

（2）DPV并网后对短路电流的增加很小，但短路电流数值和方向的变化会影响到线路上保护的动作，需要对保护动作定值重新进行整定计算。

（3）DPV项目的并网，会对配电网产生一定的谐波污染并引起三相电压不平衡的现象，但只要在并网前做好逆变器的电能质量检测和控制，谐波和三相不平衡度的指标均可满足相关标准的要求。

（4）只要控制接入配网线路的光伏容量在合理范围之内，DPV并网引起的电压波动值均在标准要求的范围之内，不会对系统和用户的供电质量产生大的影响。

因此，建议在DPV项目并网审批时加强对光伏设备的并网检测和控制，并在下一步详细研究分布式光伏并网对配电网经济运行的影响；讨论其发出一定的无功功率，参与电网无功调节的可行性；以及对分布式光伏项目收取系统备用容量费的政策可行性。

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Integrated Impact of Large-capacity Distributed Photovoltaic on Power Grid

HUANG Wei1，2，DONG Xuzhu3，LEI Jinyong3，YU Li3
（1.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Foshan Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Corporation，Foshan 528000，China；3.China Southern Power Grid Research Institute，Guangzhou 510080，China）

To study the integrated impact of large capacity distributed photovoltaic（PV）on the distribution network，the models on DIgSILENT platform are constructed based on the data of a practical grid-connected distributed PV proj⁃ect in Guangdong Province.The simulation is conducted from the perspective of load flow，short circuit，three-phase un⁃balanced degree，harmonic and voltage fluctuation at the points of common coupling（PCC）to compare the performances of distribution network before and after PV connection.The results show that in response to the increasing scale of dis⁃tributed PV connected to the distribution network，the grid-connection tests and installed capacity control of distributed PV should be strengthened to restrict the problems of light load and inverse active power of transmission lines，low pow⁃er factor at PCC，short-circuit current enlargement and deteriorating power quality within allowable extent.

distributed photovoltaic（PV）；large capacity；power quality；harmonic；voltage fluctuation；economical efficiency

TM74

A

1003-8930（2016）11-0044-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.11.008

2014-10-16；

2016-06-01

南方电网公司科技资助项目（KY2014-2-0024）

黄 伟（1979—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电网规划与电力系统分析。Email：norchy@163.com

董旭柱（1970—），男，博士，教授级高工，研究方向为配电自动化、储能、新能源和微电网。Email：dongxz@csg.cn

雷金勇（1982—），男，博士，高级工程师，研究方向为分布式新能源和微电网等。Email：leijy@csg.cn