分布式光伏发电接入电网的电能质量研究

洪坤伟

(国网华安县供电有限公司，福建 漳州 363800)

光伏发电从本质上讲是可持续的电能生产方式之一，其发电原理为：利用光生伏特效应(半导体材料)将太阳能直接转化为电能，从而满足用电需求和供电需求，将电能输送到电网。分布式光伏发电并网一般指利用接入低压配电网的方式进行光伏发电，具有灵活环保的特点，但其潮流分布和拓扑结构会影响配网电能质量、电能调度。可见，深入研究分布式光伏发电接入方式是非常必要且重要的。

1 分布式光伏发电的电能特征

分布式光伏发电是基于电力产业现代化发展理念，以用户场地附近为建设场所，以用户侧自发自用、多余电量上网的运行方式而构建的光伏发电设施。分布式光伏发电以光伏组件为基础，将太阳能直接转化为电能并加以利用，倡导就近发电，就近并网，就近转换，就近使用等基本原则，是现代电力企业绿色化发展的重要标志。随着光伏发电接入量的增大，对发电并网具有更加制约性的影响因素，其逆变器的保护功能不能满足配电网安全性需要，其抗孤岛保护功能在光伏数量增多的情况下，逆变器可能会出现相互干扰情况，容易出现检测失败。

2 分布式光伏发电对电能质量的影响

首先，当配电网侧发生短路时，稳态短路电流要高于光伏电源额定输出的20%左右，高渗透力的光伏电源在过流保护过程中，将降低馈电线路检测准确性。当线路发生短路故障时，不能及时检测出故障点及电能数据，直接影响到配电网质量和功能。

第二，逆变器开关、逆变器型号在光伏并网发电中容易出现谐波问题。在分布式光伏发电前，应对总谐波进行限制，完成必要的项目质量检测，形成可靠的评估报告，才能进行电能接网。

第三，出现电压波动和偏差。由于配电线路具有一定抗阻性，各负荷节点电压较低，在配电网中接入分布式光伏影响功率(有功功率、无功功率)发生变化，电源输出各负荷节点电压可能会升高，馈线出现逆潮流，某一节点电压值可能出现超载现象。另外，分布式光伏发电受到外界环境的影响。如果天气发生变化，光伏输出功率将出现不同程度的波动，电压不稳定，系统容量增大[1]。

3 分布式光伏发电接入规划设计

3.1 负荷预测

为了避免光伏电源接入使得电能质量劣化，在分布式光伏发电接入环节，首先应该做好电量负荷预测，通过经济模型对分地区负荷进行数量参数校核。其中进入规划模型主要考虑目标函数、电压偏差和波动、线路热约束等因素，主要以多种群遗传算法(MPGA)求解为主，考虑电能质量容量参数，具体情况如下：通常传统固定电源出力波动性小，在进行选址定容优化中，可以忽略不计。考量到分布式光伏出力受温度、光照等因素影响大，存在较大波动性、间歇性，因此不可将其作为固定电源进行考量，需要考虑其波动强度、波动范围，在其目标函数设定上需要进行适当改变。尤其需要考量当分布式光伏接入电网后，对原有电压、稳定、网损等带来的影响，提出科学优化目标函数。

3.1.1 安全性分析

配电网中电网负荷处于不断变化之中，对于负荷快速增长区域对配电网电压稳定性影响大，网络存在电压崩溃风险，故确保电压稳定是保障配电网系统稳定运行的重点。考量到分布式电源的波动性，分析分布式电源接入后电压变化，可参照下列公式：

(1)

式(1)中，第k条支路的电阻用Rij表示，第k条支路的电抗用Xij表示，第k条支路的受端节点j处的有功功率用Pj表示，第k条支路的受端节点j处的无功功率用Qj表示。公式中将所有支路中电压稳定指标的最大值作为配电网电压稳定的指标fVSI，并分析配网中对应该支路中电压稳定性最为薄弱的支路所能承受的电压情况，继而分析整个电网接近崩溃时可承受电压情况。fVSI越小，则电压稳定性越好。

minfVSI=max{VSI1,VSI2,…,VSIn}

(2)

3.1.2 经济性分析

分布式电源接入可以一定程度上减少电网系统有功损耗，若接入位置不够合理或者接入容量不够合理，会导致配电网线路过热、损耗增加。因此分布式光伏接入目标函数需要考量将系统有功损耗降到最低，考虑到分布式电源波动性，则其接入电网的网络损耗也为一个概率分布、波动性数值，可在原有有功损耗表达方式中进行优化，公式表达为：

(3)

式(3)中，有功损耗用fEloss表示，系统支路总数用Nbra表示，连接节点i和j支路的电导用Gk表示，节点电压幅值用V表示，节点电压相位用θ表示。

3.1.3 电能质量分析

分布式电源接入后，注入功率并非很小数值，并且不稳定，因此在分析其接入点后对电压产生的影响需要动态分析，避免配置不当导致电网可靠性下降，给节点电压造成过大影响。考虑到分布式光伏发电接入的波动性特点，采用如下公式：

(4)

式(4)中，第i节点的实际电压用Ui表示，第i节点的标准电压用Un表示，节点总数用n表示。Ui值越小，电源接入后产生的电压波动越小。

通过MPGA取代常规的标准遗传算法(SGA)，不同种群赋以不同的控制参数(电压偏差和波动、谐波、线路热约束等)，通过多种群同时进行优化搜索，各种群之间通过移民算子进行关联，通过多种群协同优化，配合人工选择算子，留下各种群每个优化代中的最优个体，集成精华种群(图1)。

从表1和图1可以得知，参数规划将会对光伏功率产生一定影响。在负荷水平之内，以分散的方式接入首端，考虑规划方案中的各项影响因素，可以提升方案设计的合理性和科学性，保证光伏发电系统恢复可靠，降低电压波动对系统的影响。

表1 准入容量运行参数

图1 MPGA算法结构

3.2 设备选择

根据我国电力设施建设的相关要求标准，应做好断路器选择，并选择合适的高压线路导线、逆变器等[2]。计算分布式光伏发电短路电流时，应该按照额定电流的1.2倍计算，从而选择合适的真空断路器。充分考虑光伏发电中期容量，选择单芯、三芯在接受太阳照射/不受太阳照射情况下的截面积，选择合适型号的导线。同时应该根据电容器参数表，选用容量小的逆变设备，提升系统可靠性，确定额定输出功率，做好光伏电池选型。

3.3 送出方案与配置方案

据我国电力设施建设的相关要求标准以及分布式电源总容量原则，在变压器供电配置中，可以比上一级供电负荷高于1/4进行配置[3]。大中型光伏电站并网之后，技术人员应该根据指令进行系统调动，满足电力安全稳定运行要求，输出有功功率，安装自动装置，卸除光伏电站。当系统恢复正常运行之后，依次并网运行，如果出现电力系统事故，为了防止输电设备过载，应该降低有功功率，当系统频率超过50.2Hz，可能影响输送稳定性和可靠性引起电流电压问题，可以暂时切除光伏电站；考虑到谐波电压问题，技术人员应该更换带有消谐作用的逆变器，注入直流电量必须小于额定电量的1/20,变压器连接线组比为Y/D。在配置方案设计规划中，应该做好母线保护，在纵联电流差动保护时，应该快速切除用线故障，保护装置由两段构成，分别是无时限电流速断和过电流保护。做好防孤岛监测，监测到孤岛之后，将低电压穿越与自动装置相配合，立即断开与电网连接，在时间上相互匹配，当系统故障发生时，实现电压紧急控制，避免光伏电站出现短路，提升电能质量，对线路进行保护。在电能计量安装方面，采用智能电能表，关口计量精度为0.2s，电压互感器精度为0.2级，安装信息采集装置，在通讯过程中可以选择ONU+EPON方案，满足分布式光伏发电通讯传输要求。

3.4 电能质量评估

电能评估过程应该根据国际标准IEC61000中的规定，对各级地区划分评估等级，其中评估指标选择为：①电压波动；②电压偏差；③谐波畸变率。具体指标如表2所示。

表2 电能质量评估指标

利用数据包络分析法对接入分布式光伏电源进行智能测评，测算24小时内各接入点的电压偏差和电压波动情况，一般情况下，接入等级可以达到“一般”标准。如果在接入电力输配电网之后出现异常故障，技术人员应该从“运行方式”“装机位置”“准入的能量”这三个方面，对电网系统异常故障进行分析与处理，考虑系统运行特点，结合自适应控制方法，根据安全理论分析，利用分布式电源孤岛电压频率控制，构建评估模型进行微网动态特性分析，优化系统调度，进行调查处理，引入新型分布式光伏发电运管模式，考虑负荷变化的随机性，动态化平衡负荷与发电之间的关系，提升分布式光伏发电、电力输配的稳定性。

4 典型案例

全过程跟踪某地区光伏接入案例，简要说明接入前负荷预测、设计、接入、设备选型、送出方案、配置方案等，并监测运行电能质量情况。

光伏项目名称：某家具有限公司6MWp分布式光伏发电项目。

接入前负荷预测：因该项目为全额上网项目，需结合接入变电站负荷情况进行计算。

设计选型：该项目总装机容量为6000kWp，年发电量为7110.6MWh，根据项目有一定的容配比特点，该项目最大上网容量为4637.6kW。

送出方案及配置方案：该项目10kV接入电网，以某开闭所910开关为公共连接点，接入容量为4637.6kW，导线截面为YJV22-3×300,以“T接”为接入方式，公用电网线路最大输送容量为8000kW。项目配置31台136kW光伏组串式逆变器用于将光伏直流电逆变为稳定输出的低压交流电，经3台1600kVA和1台1250kVA升压箱变升压至10kV，再通过集电线路汇集后经由1回截面为YJV22-3×300mm2电缆，T接入公用电网线路。

接入后电能质量监测，如表3、表4所示。

表3 并网点电流谐波和波形畸变

表4 并网点功率因数

表3中，谐波电流限制根据GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》中公式进行换算：10kV公共连接点(PCC点)三相最小短路容量273.79MVA，供电设备容量90MVA，协议容量6MVA，谐波限制为该状态下的值。

通过分析并网电流和波形畸变数据，该项目谐波电流总畸变率为1.432%，参考国标限值，谐波电流各项指标均满足国家标准的要求。

5 结束语

综上所述，在分布式光伏发电接入方案中，必须进行负荷预测，根据方案要求选择合适设备，采用多种群遗传算法，确定送出方案与配置方案，考虑负荷变化的随机性，对接入分布式光伏电源进行智能测评，从而提升并网后系统的电能质量。