新能源并网对电力系统电能质量的影响

安向勇， 张立伟， 樊习英， 苏晓学， 张春茹， 李 峰

（国网山西省电力公司经济技术研究院， 山西 太原 030002）

引言

以风电、太阳能、生物质能为首的新能源是我国能源发展战略的重要内容和组成部分，是中国未来能源结构的基石，光伏发电是新能源开发技术较为成熟、具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式，符合我国的产业政策和能源可持续发展战略，对改变山西省传统的能源结构、实现能源供应的多元化是有益的；对改善当地电力系统的能源结构，经济发展都具有积极的作用。由于其并网发电系统出力的间歇性和不确定性等特点，大规模新能源并网对电力系统稳定性存在很大影响，其影响主要体现在诸如电网的谐波、引起的电压波动、电压不平衡等方面。

1 光伏电站概况及其接入方案简介

该光伏发电项目，总规划装机容量20 MWp，并网发电系统分20个子系统，单子系统装机容量1 MWp[1]。每个子系统连接一座1.25 MVA箱式升压变压器，该单元接线将逆变组件输出电压升至35 kV；经集电后，通过一回35 kV线路接入电网。结合装机容量、周边电网及消纳能力、潮流、短路等综合计算结果，考虑电网网架结构以及方案的可实施性，接入系统方案考虑采用35 kV电压等级接入海音11 kV站35 kV母线。

2 光伏电站接入对电网电能质量的影响

2.1 研究条件

2.1.1 计算工具

采用中国电力科学研究院电力系统研究所“PSD电力系统分析软件工具（PSD Power Tools）”软件包中的重要计算仿真工具——中国版BPA潮流程序，中国版BPA暂态稳定程序作为本次研究中稳态分析和暂态分析的主要计算分析工具。

2.1.2 计算水平年

计算水平年为2020年，计算网络和负荷采用2020年电网规划数据。

2.1.3 负荷模型及发电机模型

1）电网火力发电机模型采用考虑励磁系统和调速器系统的详细模型；

2）负荷模型为40%恒阻抗+60%感应马达模型。

2.2 光伏电站产生的谐波对电网影响

2.2.1 光伏发电系统概述

谐波问题是光伏发电并网引起的其中一个电能质量问题。由于光伏发电系统包含逆变器等控制系统，当控制系统运行时会向系统提供谐波电流。谐波电流大小与输出功率有关，也就是与光照量大小有关。在正常状态下，谐波干扰的程度取决于变流器装置的结构及其滤波装置状况，同时与电网的短路容量有关。

2.2.2 光伏电站谐波计算

1）逆变器类型：特变电工TBEA-GC-500kTL型逆变器。

2）逆变器输出电流谐波满足标准的要求[2]。

根据20 MWp光伏电站具体数据，依据BPA软件计算，注入公共连接点的各次谐波电流及相关母线谐波电压计算结果详见下页表1、表2。

光伏电场以一回35 kV线路接入海音35 kV母线，公共连接点谐波电压畸变和注入公共连接点各 次谐波电流均在允许值范围之内。

表1 相关母线谐波电压计算结果

表2 注入海音站35 kV母线的谐波电流 A

从计算结果可以看出，光伏电站产生的谐波对电网影响较小。

2.3 电压波动计算

按照GB 12326—2008《电能质量 电压波动和闪变》中规定了由波动性负荷产生的电压变动限值和变动频度、电压等级的关系，见表3[3]。

运行方式：全省均匀开停机，电网正常接线方式。

表3 电压波动限值

考虑光伏电站输出功率从零到满发的变化过程中，在光伏电场升压变低压侧未投入无功补偿和投入无功补偿的情况下，光伏电场接入点母线电压随光伏电场输出功率的变化曲线，稳态电压的变化曲线见图1。

从上面变化曲线可知光伏电场升压变低压侧在未投入无功补偿和投入无功补偿时，光伏电场接入35 kV母线电压的波动为0.7%，未超过电压变动限值。稳态电压波动比较，光伏电场低压侧无功补偿后，接入点电压随光伏电场输出功率的变化而引起的电压波动都能满足规程要求，且波动值相对较小。

图1 35 kV母线电压随光伏电场输出功率因素的变化曲线

2.4 电压不平衡度分析

根据业主提供的资料，20 MWp光伏电站引起的负序电压不平衡度不超过0.22%，低于《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》中规定的“公共连接点的负序电压不平衡度应不超过2%，短时不超过4%；其中光伏电站引起的负序电压不平衡度应不超过1.3%，短时不超过2.6%”。

2.5 直流分量分析

根据业主提供的资料，20 MWp光伏电站逆变器输出电流中的直流分量小于交流额定值的0.5%。与《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》中规定的“光伏电站并网运行时，向电网馈送的直流电流分量不超过其交流额定值的0.5%”要求相当，建议加强监测。

2.6 其他要求

20 MWp光伏电站还满足《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》中对光伏电站功率控制和电压调节、电网异常时的响应特性安全与保护等方面的要求。

3 结语

经过专业计算可知，20 MWp光伏电站容量较小，谐波含量相对较小，引起的电压波动较小，引起的负序电压不平衡度及逆变器输出电流中的直流分量低于规程规定值。新能源并网，不但未给电力带来电能质量方面的困扰，而且实现能源供应的多元化是有益的，对改善电力系统结构、对当地经济发展都具有积极作用。