分布式光伏电源接入对配电网电能质量的影响

潘金生 ，李梦佳 ，刘秀杰 ，郭雅欣 ，郭晓龙

1.国网山东省电力公司东营供电公司，山东 东营 257091；2.山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590；3.东营方大电力设计规划有限公司，山东 东营 257091）

0 引言

在长期的可持续发展战略中，随着环境污染的日益加重和全球能源短缺危机以及不可再生资源的日渐枯竭，清洁无污染的可再生能源得到人们的关注。分布式光伏发电以其绿色环保、清洁无污染、效率高等优势得到国家政策的扶持及发展［1-2］。东营市区太阳能资源丰富，且随着光伏发电技术的发展该地区的光伏并网容量逐渐增大。分布式光伏接入对配电网的电能质量、潮流分布、继电保护等各方面的影响逐渐增大［3-4］。

以山东省东营市辖区配电网为例，主要分析分布式光伏接入对配电网的影响。在分析光伏接入对配电网电能质量影响的基础上，根据光伏并入配电网的特点，利用PSCAD仿真软件搭建配电网模型，对配电网系统进行仿真分析计算。利用实际光伏项目接入配电网的仿真数据，总结分析分布式光伏接入对市辖区配电网电压质量、谐波等电能质量的影响规律，并针对电能质量问题提出相应的改善措施。

1 分布式光伏发电原理

光伏发电是指光伏电池利用半导体材料的光生伏特效应为发电原理，将太阳能直接转化为电能的一种可持续发展的电能生产方式［5］。分布式光伏发电是为了满足用户的供电需求，在用户附近装置发电容量小于6 MW的光伏发电项目［6］。光伏发电系统是将太阳能转化为电能并将发出的电能输送到电网的发电装置。光伏发电系统主要有光伏阵列、最大功率点跟踪（MPPT）、DC-DC电路、逆变器和滤波器等组成［7-8］。光伏电池组件由太阳能电池串并联封装而成，是分布式光伏发电系统的核心部分。分布式光伏发电作为一个整体，其中任一环节运行都对整个系统的供电质量相关，尤其是最大功率点跟踪装置、并网逆变器等。应根据每个环节的特点，建立符合并网要求的光伏发电系统，以保证优质供电。

2 对配电网电能质量的影响

分布式光伏接入对电网对电能质量的影响主要有电压偏差、电压波动、谐波等。

2.1 对电压偏差的影响

电力系统中配电线路存在一定的阻抗，当有电流流过时会在线路阻抗上形成电压降，各负荷节点电压逐渐降低。当分布式电源接入后，随着馈线中有功功率、无功功率发生变化，配电网中的潮流发生了变化，馈线可能会出现逆潮流。由于光伏并网后分布式电源输出的有功功率以及线路上传输功率的减小，各负荷节点的电压升高。当光伏接入容量较低时，光伏系统支撑该节点的电压。当光伏接入容量较大尤其光伏接入馈线末端时，可能会导致某些节点的电压超过允许值。

2.2 对电压波动的影响

分布式光伏接入配电网，使系统短路容量增加，削弱和抑制了配电网内部的电压波动，但分布式电源在启动和停运的过程中会产生较大的电压波动：一是分布式电源的启动和停运与用户需求、自然条件等因素有关，分布式光伏的随机启停导致其输出功率的波动，从而导致配电网的电压波动［9］；二是分布式光伏电源的输出受光照强度、环境温度的变化而变化，一旦天气发生变化，将引起光伏输出功率的明显变化，从而引起配电网的电压波动。

2.3 对谐波的影响

分布式光伏电源通过逆变器将直流电转换为交流电并入电网，逆变器中使用大量的电力电子开关器件，逆变器中开关器件连续的导通与关断会产生开关频率附近的谐波分量，对配电网造成谐波污染。光伏并网容量较小时，通过光伏中的滤波环节，可以将并入配电网的谐波控制在一定的范围内。但随着光伏发电技术的发展以及并网容量的不断增大，并入电网的谐波含量可能超过标准规定的允许值。

3 分布式光伏接入配电网的仿真分析

图1为市辖区某区域配电网的网架结构，主干线为9.845 km的架空线，主型号为JKLYJ－240。总配网变压器容量为26.19 5 MVA。线路总有功负荷为16.963 MW，无功负荷8.339 Mvar。系统的基准容量为100 MW，基准电压为10 kV。利用PSCAD仿真软件搭建市辖区配电网仿真模型，仿真计算分析分布式光伏接入容量、接入位置等因素对市辖区配电网电能质量的影响规律。

图1 配电系统结构

3.1 光伏接入对配电网电压偏差的影响

3.11光伏接入容量变化对配电网电压偏差的影响

利用PSCAD对配电网进行仿真，分析并网容量与电压之间的关系。从线路的末端节点接入光伏电源，容量依次设为 1 MW，3 MW，5 MW，7 MW，观察各节点电压变化情况，如图2所示。

图2 不同光伏接入容量下节点电压偏差

由图2可以看出，并网光伏容量越大，对配电网各节点电压的提升作用越明显。当并入的光伏容量较小时时，如光伏并网容量为1 MW时，虽然光伏电源接入配电网，但线路的节点电压仍然是依次降低；当并网容量较大时，如PV功率为5 MW时，线路上的电压逐渐增加，越靠近末端电压越高，此时光伏并网改变了配电网的电压分布。在考虑分布式电源的接入时，需要对光伏的容量给予限制。

3.1.2 光伏接入位置变化对配电网电压偏差的影响

假设接入光伏容量为5 MW，接入位置从首端依次至末端，观察个节点电压变化情况。各节点的电压偏差如图3所示。

图3 不同光伏接入位置下节点电压偏差

由图3可知，分布式光伏接入配电网后对线路个节点电压有提升作用，且光伏接入位置的不同对节点电压的影响不同。并网位置越靠近线路末端，对线路节点电压的抬高作用就越明显。当光伏接入容量较大且接在线路的中末端时，可能导致末端节点的电压偏差越上限。在考虑光伏接入方案时，尽量避免在馈线末端接入以保证节点电压不越限。

3.2 分布式光伏接入对配电网电压波动的影响

光伏接入配电网最严重的影响是光伏突然脱网造成的电压波动，如阴天时，所有光伏出力瞬时为0，相当于一片区域的光伏全部退出运行，会使线路产生严重的电压波动。假设在线路末端接入光伏，对接入1 MW、3 MW、5 MW的光伏在3 s时突然退出运行进行暂态仿真，观察节点1、4、7的电压波动情况，如图4～6所示。

图4 1 MW退出运行时1、4、7节点的电压波动

图5 3 MW退出运行时1、4、7节点的电压波动

图6 5 MW退出运行时1、4、7节点的电压波动

由图4～6知，光伏接入容量越大，在突然退出运行时对电网造成的影响就越大。光伏接入点的电压波动最大，离接入点越远，电压波动越小。1 MW、3 MW、5 MW光伏退出运行时的电压波动值分别为1.84%、4.48%、6.35%。5 MW光伏退出运行时的电压波动值已超过限值，故当线路末端接入较大容量的光伏时应配置无功补偿装置来抑制电压波动。

3.3 分布式光伏接入对配电网谐波的影响

3.3.1 接入容量变化对配电网谐波的影响

固定接入位置为线路末端，光伏接入容量为1 MW、3 MW、5 MW、7 MW时的配电网电压谐波总畸变率分布如图7所示。

图7 不同接入容量下电压谐波总畸变率

由图7可知，光伏接入容量越大，整体的谐波畸变率就越大。随着光伏容量的增加，线路中末端的电压谐波畸变率提升比较明显。在仅考虑谐波畸变率时，应对光伏接入容量进行限值。

3.3.2 接入位置变化对配电网谐波的影响

固定光伏接入容量为5 MW，接入位置由首端至末端依次变化，观察各线路沿线电压谐波总畸变率，如图8所示。

图8 不同接入位置下线路谐波总畸变率

由图8可知，电压谐波畸变率由首端至末端逐渐递增，接入点在馈线末端时，整体谐波畸变率最高。光伏接入点越靠近新路末端，电压谐波总畸变率就越大。因此，在仅考虑各节点出的谐波畸变时，应尽可能将光伏电源不接在中末端。

4 解决方案

针对分布式光伏接入配电网后的电压质量问题，在不改变配电网结构的前提下，提出相应的调压措施。通过调节变压器的变比来调节线路的电压分布，调节变压器的分接头使母线电压适当降低。对配电网进行无功补偿，在负载端实行无功就地补偿，通过分布式光伏电源与SVC共同进行无功补偿来改善电压质量。针对分布式光伏接入配电网产生的谐波问题，抑制谐波的措施主要有两方面：一是抑制谐波源的谐波电流发生量，对分布式电源本身及并网口进行改造；二是在谐波源附件就地吸收或抵消谐波，可通过滤波器就地吸收谐波源发出的谐波。

5 结语

利用PSCAD建立配电网仿真模型，仿真分析了分布式光伏的接入位置、接入容量等因素对配电网电压偏差、波动以及谐波等电能质量的影响规律，该仿真分析为光伏的规划发展提供科学的参考依据。并针对光伏接入引起的电能质量问题提出了相应的改善措施。