光伏并网电能质量水平及数据异常分析

胡 斌，胡羽川，钱一民

（国网湖北省电力公司电力科学研究院,湖北 武汉 430077）

0 引言

在全球气候变暖的背景下，发展低碳经济、推动节能减排成当务之急，太阳能光伏发电以其可靠性、安全性、长寿命、环保性、资源充足性等显著优势，有望成为未来电力供应的主要支柱。在中国光伏政策引导下，中国光伏产业得到空前发展，西部地区以集中式大型光伏电站为主，中东部地区以分布式中小型电站为主，形成光伏发电优势互补局面。目前中国光伏总装机容量处全球第一，截止2016年，中国光伏发电新增装机容量3 454万kW，累计装机容量7 742万kW，分布式累计装机容量1 032万kW。湖北地区光伏电站装机容量为187万kW。

光伏发电通过逆变器并网，并发电功率受光照影响大，由此会产生谐波电流和功率的波动，影响公共连接点的电压谐波、闪变、电压偏差等电能质量指标。为减少光伏发电对电网电能质量影响，国家质量监督检验检疫总局与标准化管理委员会共同出版了GB/T29319-2012《光伏发电系统接入配电网技术规定》，规定了光伏发电的电能质量允许值及电能质量入网检测项目。根据这项国标对湖北境内光伏电站开展了一系列的并网检测工作，从中选取几个不同容量的光伏电站作为代表，对光伏电站并网的电能质量水平进行分析研究。

1 光伏电站带来的电能质量问题

光伏发电带来的电能质量问题主要有3个方面：电压波动、电压偏差、谐波。

1.1 电压波动和闪变

三相平衡负荷引起的电压波动计算方法如式（1）[1]

式（1）中：DP、DQ负荷为有功、无功的变化；RL、XL为电网阻抗的电阻、电抗分量。从式（1）中可以看出，电压波动主要由有功、无功的变化带来的。

光伏出力变化周期为1次/d，早上07∶00到中午12∶00，出力上升；中午12∶00到下午18∶00点出力下降；19∶00以后出力为0,变化曲线见图1。

图1 光伏电站出力变化曲线Fig.1 The output curve of photovoltaic power station

白天正常情况太阳光照度变化相对缓慢，光伏电站有功、无功出力变化有限，造成的电压波动不大。当遇到多云天时，光照度变化大，导致光伏电站发电出力随着变化大，继而引起电压波动。图2为湖北郧县卧龙光伏电站110 kV公共连接点现场连续监测2.5 d的实测出力曲线。

图2 光伏电站出力实测变化曲线Fig.2 The measured output curves of photovoltaic power station

第一天测试时间段为6月15日的10:00～18:00，这天时晴时阴，光照变化大，造成光伏电站输出电流（代表功率）变化大。16日为晴天，光伏电站输出电流类似正弦波上半周，光滑变化有规律。

当线路发生故障情况，光伏电站断开联网，继电保护又重合，光伏电站出力从最大值降到0，又从0回到最大值，这时光伏电站会造成对电网电压最严重的波动影响。这种情况测试时难以遇到，但在设计评估时会进行模拟计算，其变化情况控制在允许范围。

电压波动的危害会造成电气设备不能正常工作，还会带来照明灯光的闪烁即闪变，8到10 Hz的低频波动给人视觉的影响最大，这一指标为电压闪变。

1.2 电压偏差影响

电力系统中负荷和发电机出力随时都在变化，网络参数随运行方式的改变也在变化，系统故障等因素都将引起电力系统功率的不平衡。一般情况输电线路的X》R，线路两端电压相位差也较小，电压降的横分量可以忽略，这样输电线路的电压降落可以用式（2）表示[2]。

从（2）式中可以看出，无功功率的不平衡是电压偏差的根本原因。系统无功功率的不平衡意味着将有大量的无功功率流经供电线路、变压器及其他一次设备，由于线路、变压器等设备中存在电抗，造成电压降落，带来了电压偏差。

光伏电站主要设备有光伏板、逆变器、集电线路、箱变、升压主变。逆变器输出交流功率因数接近1，基本不输出无功，而集电线路和升压变压器都是无功负载，需要从电网吸收无功，因此会带来电压偏差。光伏电站一般配有动态无功补偿装置，以快速地平衡无功，减少电压偏差[3]。湖北郧县卧龙光伏电站额定出力40 MWp,在35 kV侧装有±10 Mvar的SVG，用于补偿无功，SVG响应速度很快，但仍存在无功的短暂不平衡，电压偏差的存在是不可避免的，关键问题是将电压偏差控制在允许范围内。

1.3 谐波的影响

所有非线性设备运行都会产生谐波，目前主要谐波源负荷分3类[4]：

（1）铁芯型：主要指具有铁芯的电气设备，如变压器、电抗器、互感器等，铁芯饱和后的非线性产生谐波。

（2）半导体型：变频器、交流变直流、直流逆变成交流或直流变直流等都属于这类谐波源，家用电器、计算机控制设备、冶金、化工、电力、电铁等广泛使用这些设备，它是可控硅元件的非线性产生的谐波电流。

（3）电弧型：电弧通常是空气击穿后形成，是一个非线性导体，因此会产生谐波。常见的有工业上用的交、直流电弧炉、电焊机等。

光伏电站中产生谐波的设备主要是逆变器，属于半导体型谐波源。

目前国内许多中等容量（50 MVA左右）的光伏电站单台逆变器容量为500 kW，湖北郧县卧龙光伏电站单台逆变器容量为500 kW。对于500 kW逆变器厂方提供的各次谐波电流含有率见表1。

表1 500 kW逆变器产生的各次谐波电流含有率Tab.1 The harmonic current generated by the inverter with 500 kW

从表1数据可以看出，逆变器产生的主要谐波电流为2、3、5、7次。

谐波的危害主要是对一、二次设备产生干扰、发热、过压、谐振、噪音等。

2 湖北省3座光伏电站电能质量检测情况

2.1 3座电站基本情况

（1）光伏电站1

湖北十堰郧县卧龙光伏电站,装机容量40 MWp，单台逆变器容量500 kW,110 kV并网，2015年8月并网发电，2016年6月进行并网电能质量检测。光伏电站35 kV装有一组±10 Mvar SVG，用于无功电压调节。

（2）光伏电站2

湖北宜城同景光伏电站,装机容量20 MWp，单台逆变器容400 kW，35 kV并网，2016年7月并网发电，2017年3月进行并网电能质量检测。光伏电站35 kV装有一组±2 Mvar SVG，用于无功电压调节。

（3）光伏电站3

湖北巴东谭家湾光伏电站（光伏扶贫项目）,装机容量3 MWp，单台逆变器容量50 kW,10 kV并网，2016年8月并网发电，2017年3月进行并网电能质量检测。光伏电站未装无功电压调节装置。

2.2 3座光伏电站电能质量实测情况

按照GB/T29319-2012《光伏发电系统接入配电网技术规定》，要求对公共连接点进行长时间连续监测，监测的电能质量指标测试95值见表2、3、4，表中允许值为相应电能质量国家标准中数据。

谐波电流允许值计算参照国标GB/T14549-93中附录B、C的方法计算。

从测试的数据可以归纳出以下几点：

（1）3座光伏电站公共连接点的谐波电压、频率偏差、电压闪变、三相电压不平衡度均合格，反映出光伏电站在电能质量影响方面几项指标偏弱；

（2）有1座电站公共连接点处5次谐波电流超标，反映了有部分光伏电站产生的特征谐波电流会超标；

（3）有2座光伏电站公共连接点处的电压偏差超标，电压偏差超标不完全由光伏电站造成的，一定程度与公共连接点背景电压偏高有关，参见图3谭家湾光伏电站现场24 h 10 kV电压记录曲线。从记录曲线中可以看出，电压有效值最高点有两处，一处发生在凌晨的 03∶00～04∶00，电压达 11.08 kV，超过7%的上偏差，而此时光伏电站未运行；另一处发生在第2天中午12∶00～13∶00，这时光伏发电接近1天中最大值。两处电压最大时间段均发生在电网轻负荷时,表明光伏电站的存在使相关线路的功率波动加大，从而使电网相关变压器分接头的选择增加了难度，间接地造成电压偏差超标。

表2 各光伏电站主要谐波电压测试值、允许值数据Tab.2 The every photovoltaic power station main harmonic voltage test valueallowable value

表3 主要谐波电流数据Tab.3 The main harmonic current data

表4 其它电能质量指标数据Tab.4 Other power quality index data

图3 谭家湾光伏电站24 h三相电压有效值记录曲线Fig.3 Tanjiawan photovoltaic power station 24 hours three phase voltage RMS curve

所测的这3座光伏电站装机容量不同，逆变器容量不同，入网电压等级不同,其对公共连接点的电能质量影响情况应具有一定的代表性。综合来说，光伏发电对电网的频率偏差、电压闪变、三相电压不平衡度几项电能质量指标的影响相对较弱，而在谐波方面影响相对较大，尤其是逆变器的特征谐波电流会有超标情况；对电压偏差有一定影响，光伏电站接入使相关线路的功率波动加大，增加变压器分接头选择难度，间接造成电压偏差超标。

3 电能质量检测数据异常分析

光伏电站上网的公共连接点许多是35 kV、10 kV电压等级，35 kV和10 kV电网为不接地系统，光伏电站为避免母线PT的铁磁谐振，通常在PT中性点接有消谐器，这样PT中性点未直接接地。由此会造成测母线相电压谐波测试时3次谐波异常情况，这是由于PT一次侧无零序回路（极端情况），造成磁路非线性得不到补偿，从而使二次侧电压产生畸变[5]。这个3次谐波电压含有率不是真实的，表5是在湖北巴东谭家湾光伏电站10 kV公共连接点针对PT中性点是否接有消谐器所测试的3次谐波电压含有率数据比较。

表5 谭家湾光伏电站10 kV相电压3次谐波测试数据比较Tab.5 Tanjiawan photovoltaic power station 110 kV phase voltage comparison of 3 harmonic test data

从表5中数据可以看出，PT中性点消谐器短接后，所测的3次谐波电压含有率只有0.70%，而未短接测试的数据位4.02%，已超标，这个数据明显失真，不能真实反映10 kV一次侧3次谐波含量。

现在有些在线谐波监测装置及便携式分析仪所进行的光伏电站谐波监测的报告中，不少反映3次谐波电压超标情况，应该有相当成份是忽略了PT中性点消谐器带来的失真。

4 结语

光伏电站发电受自然光照影响较大，同时并网又使用了大量的逆变器，因此光伏发电对电能质量中的谐波、电压偏差指标存在不可回避的影响。本文在测试分析的基础上给出了这种影响的程度及侧重面，对于了解中东部分布式中小型光伏电站的电能质量水平具有一定的代表性。