分布式光伏电站并网对配电网影响及接入方式分析

内蒙古润蒙能源有限公司 张 前 唐 剑 通 霏

1 引言

目前，分布式光伏电站的接入方式主要分为两种，一种是直接并入配电网，另一种是通过安装在电网侧的光伏逆变器实现并网。对于不同的接入方式，需要选择合适的逆变器类型和接口技术，并进行相应的电力调度和控制。基于此，相关研究人员立足于电网规划目标，针对光伏电站接入大电网后，对于电网产生的影响进行分析。明确光伏电站并入大电网相关技术要求。

2 光伏电站并网对大电网产生的影响

2.1 光伏电池数学模型

研究人员基于光伏电池的工作原理，构建光伏电池等效模型，通过对等效模型的简化处理，得到光伏电池工程模型，如图1所示。构建模型过程中，研究人员考虑到阴影状态下光伏电池工作特点，将阴影状态下光伏电池特性曲线引入该模型，最终得到光伏电池数学模型[1]。

图1 光伏电池单二极管等效电路

光伏电池数学模型中，等效输出电流计算式为：

根据图1对式（1）进行简化，得到：

图1中，流经二极管D的电流计算式为：

式（2）中的参量Ish的计算式为：

将Iph、Ish、ID三个参量代入式（1），可得：

为提高计算效率，研究人员在建模过程中尝试忽略RS对于计算结果的影响，进而得到：

将式（1）～式（6）进行综合，得到光伏电池输出功率计算式：

2.2 对大电网的影响

光伏发电站并入大电网之后，对整个系统的潮流方向和规模将会产生直接影响。可能会导致一些新的问题出现，并影响电网的稳定运行和电能质量。应积极尝试对传统的单电源或多电源被辐射的配电网结构进行优化，将其转变为多电源结构。通过这种方式实现并网潮流与模式大小的改变[2]。

2.3 对电能质量的影响

光伏电站并入大电网，会对大电网的电能利用质量产生负面影响。研究人员为了准确评估光伏电站并网对电能质量的影响，针对大电网电能质量指标进行量化分析。通过这种方式初步确定光伏电站并网前后电能质量变化趋势，尽可能降低光伏电站并网对电能质量产生的影响。

2.3.1 电压偏差

光伏电站并入大电网之后，会成为大电网新的发电源。此时，大量有功电流注入大电网，令大电网内的电压急剧上升。与普通的有功电流相比，大型的有功并网电流对并网点的输出电压和电流的影响更加显著[3]。光伏电站运行时，会持续产生有功驱动电流，包括内部的变压器、逆变器、箱式变压器等设备，以及集电箱或电缆上的非电容性有功驱动电流。

2.3.2 电压波动与闪变

光伏发电在正常工作状态下，输出功率会随着时间的推移逐渐发生改变，午间达到最大值后再逐步降低，形成正态分布功率曲线。然而，由于受到多种因素的影响，如天气、云量和温度等因素，其实际功率分布曲线也会发生不同程度的波动，从而导致电网在实际输出电压时也会产生较大的波动。

2.3.3 三相电压不平衡

实际工作中，若光伏逆变器中出现了不对称的三相光源电压串联，或者并联网点出现光源缺相情况，将会导致光伏发电站串联触发并网系统出现技术故障，影响电网系统的稳定运行。三相电压不平衡问题频繁出现的原因包括：一是三相电压不平衡会触发负序继电保护系统以及继电保护设备的误动作；二是发电机内部出现不平衡振动，振动产生的热量无法及时散出导致发电机内部温度升高，加快发电机损耗。严重情况下，还会造成发电机零件故障。

2.3.4 孤岛效应

孤岛效应是指在光伏发电系统与主电网断开连接的情况下，仍然能够为当地电力负载提供电力的现象。当光伏发电系统与主电网断开连接时，光伏电池板仍然能够将太阳能转化为电能，为当地电力负载提供持续的电力供应。该现象会对大电网的供电稳定性造成一定的影响。

3 光伏电站并网及接入方式

在低压配电网中，相关工作人员通常会根据馈线的分布情况分配功率。随着分布式光伏在电网中所占的比例越来越高，其接入后对潮流分布的影响将变得越发明显，令计算电网潮流难度上升。传统潮流计算方法可能会出现潮流计算无法收敛的问题[4]。

3.1 最优潮流计算方法

研究人员基于传统潮流计算的各个节点具体参数，创建多个最优目标函数，其中包括无功分布最优、安全性最优等。在此基础上对最优目标函数进行非线性规划处理，其数据模型为：

式中：minf(u，x)为目标函数，g(u，x)、h(u，x)分别为等式约束条件与不等式约束条件。

基于该模型，研究人员推导出以电压偏差最低为目标的潮流目标函数以及以电力损耗最少为目标的潮流目标函数，分别为：

式中:j为节点编号；Gij为节点i与节点j之间的电导；Ui为节点处i的电压；Uj为节点处j的电压；θij为节点i与节点j之间的相位差；UN为电压额定值。

电力系统是一个复杂的网络，其中包含大量的节点和非线性模型。传统的优化方法在处理这种模型时面临着很大的挑战，其原因在于传统优化方式难以对众多的节点进行求解。然而，随着人工智能算法的发展，一些新型的优化算法已经出现，不仅能够更快地处理大量节点，而且能够获得更高质量的优化结果。

3.2 接入技术要求

3.2.1 接入容量

光伏电站实际运行过程中，其并入大电网的位置以及接入容量，会对电网损耗产生直接影响。研究人员基于光伏电站并网实际需求以及并网容量，灵活控制电压等级。综合考虑并网线路损耗、供电可靠性以及建设成本等因素，对分布式光伏发电站并网运营成本进行精确计算：一是若分布式光伏电站的容量≤8kW，则可以直接为普通用户接入220V 电压。二是若分布式光伏电站容量为8kW～0.4MW，其接入大电网的电压等级为380V。三是若分布式光伏电站容量为0.4～6MW，其并入大电网的电压等级为10kV。四是若分布式光伏电容量为6～30MW，其并入大电网的电压等级至少为35kV。四种电压等级划分方式仅用于参考，实际工作中要根据分布式光伏电站的运行情况进行针对性调整。

3.2.2 接入方式

对于电压等级在35kV 及以上的大型分布式光伏发电站而言，由于其发电功率较大，相关工作人员为了确保电力运行安全，采用更为安全可靠的并网方式，即选择专线接入电网。这种方式可以保证电能的高效输送，同时也可以保证电网的安全稳定运行。

而对于并网电压等级为10kV 的小型分布式光伏电站而言，考虑到运营成本以及线路损耗等因素，可以采用专线的方式接入变电站10kV 母线[5]。条件允许的情况下，也可以使用T 形接线方式并入大电网，但需要满足电网的安全可靠运行条件，以保证电网的安全稳定运行。

一是专线并网法。在经济开发区和园区等用电紧张的区域，变电站和开关站母线间隔的数量较少。这种情况下，想要使用专线并网模式，相关工作人员需要人为增加变电站与开关站母线之间的间隔，要投入更多的资金以及更高的时间成本。由于专线接入方式需要配置相应的升压变压器、专用电缆等设备，其投资规模较大，因此一般不适用于中小型的光伏发电站。该方式主要应用于光伏容量较大、接入位置较远的大型分布式光伏发电站。专线并网方式如图2所示。

图2 专线并网方式

二是分散接入法。针对容量较小的光伏发电站，可以选择接入原理更为简单的分散接入法。分散接入法如图3所示。

图3 分散接入法

分布式光伏电站直接并入电网变压器400V 侧，向低压负荷供电，此时变压器电压等级为380V。实际运行过程中，工作人员需要在配电器的低压一侧安装逆功率保护器，防止分布式光伏发电站向大电网反向输送功率。

4 结语

分布式光伏电站并网会对电网的安全稳定运行带来一定的压力，同时也可能会导致电网的电压波动。因此，在分布式光伏电站并网时，需要充分考虑电力系统的稳定性和安全性，以避免可能的电力事故，确保电网的安全、可靠、高效运行。分布式光伏电站的接入方式有两种：分散式接入和专线式接入。在分散式接入中，光伏电站通过并入变电站或开闭所的10kV 母线来实现并网。而在专线式接入中，光伏电站通过专用电缆接入电网，可根据需要选择35kV 及以上的电压等级进行接入。分布式光伏电站的并网对配电网影响较大，需要采用科学合理的接入方式，同时还需要对电网进行必要的升级和改造，以确保电网的安全稳定运行。