光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量水平及數(shù)據(jù)異常分析

胡 斌，胡羽川，錢一民

（國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院,湖北 武漢 430077）

0 引言

在全球氣候變暖的背景下，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)節(jié)能減排成當(dāng)務(wù)之急，太陽能光伏發(fā)電以其可靠性、安全性、長(zhǎng)壽命、環(huán)保性、資源充足性等顯著優(yōu)勢(shì)，有望成為未來電力供應(yīng)的主要支柱。在中國光伏政策引導(dǎo)下，中國光伏產(chǎn)業(yè)得到空前發(fā)展，西部地區(qū)以集中式大型光伏電站為主，中東部地區(qū)以分布式中小型電站為主，形成光伏發(fā)電優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)局面。目前中國光伏總裝機(jī)容量處全球第一，截止2016年，中國光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量3 454萬kW，累計(jì)裝機(jī)容量7 742萬kW，分布式累計(jì)裝機(jī)容量1 032萬kW。湖北地區(qū)光伏電站裝機(jī)容量為187萬kW。

光伏發(fā)電通過逆變器并網(wǎng)，并發(fā)電功率受光照影響大，由此會(huì)產(chǎn)生諧波電流和功率的波動(dòng)，影響公共連接點(diǎn)的電壓諧波、閃變、電壓偏差等電能質(zhì)量指標(biāo)。為減少光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局與標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)共同出版了GB/T29319-2012《光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，規(guī)定了光伏發(fā)電的電能質(zhì)量允許值及電能質(zhì)量入網(wǎng)檢測(cè)項(xiàng)目。根據(jù)這項(xiàng)國標(biāo)對(duì)湖北境內(nèi)光伏電站開展了一系列的并網(wǎng)檢測(cè)工作，從中選取幾個(gè)不同容量的光伏電站作為代表，對(duì)光伏電站并網(wǎng)的電能質(zhì)量水平進(jìn)行分析研究。

1 光伏電站帶來的電能質(zhì)量問題

光伏發(fā)電帶來的電能質(zhì)量問題主要有3個(gè)方面：電壓波動(dòng)、電壓偏差、諧波。

1.1 電壓波動(dòng)和閃變

三相平衡負(fù)荷引起的電壓波動(dòng)計(jì)算方法如式（1）[1]

式（1）中：DP、DQ負(fù)荷為有功、無功的變化；RL、XL為電網(wǎng)阻抗的電阻、電抗分量。從式（1）中可以看出，電壓波動(dòng)主要由有功、無功的變化帶來的。

光伏出力變化周期為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點(diǎn)出力下降；19∶00以后出力為0,變化曲線見圖1。

圖1 光伏電站出力變化曲線Fig.1 The output curve of photovoltaic power station

白天正常情況太陽光照度變化相對(duì)緩慢，光伏電站有功、無功出力變化有限，造成的電壓波動(dòng)不大。當(dāng)遇到多云天時(shí)，光照度變化大，導(dǎo)致光伏電站發(fā)電出力隨著變化大，繼而引起電壓波動(dòng)。圖2為湖北鄖縣臥龍光伏電站110 kV公共連接點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)監(jiān)測(cè)2.5 d的實(shí)測(cè)出力曲線。

圖2 光伏電站出力實(shí)測(cè)變化曲線Fig.2 The measured output curves of photovoltaic power station

第一天測(cè)試時(shí)間段為6月15日的10:00～18:00，這天時(shí)晴時(shí)陰，光照變化大，造成光伏電站輸出電流（代表功率）變化大。16日為晴天，光伏電站輸出電流類似正弦波上半周，光滑變化有規(guī)律。

當(dāng)線路發(fā)生故障情況，光伏電站斷開聯(lián)網(wǎng)，繼電保護(hù)又重合，光伏電站出力從最大值降到0，又從0回到最大值，這時(shí)光伏電站會(huì)造成對(duì)電網(wǎng)電壓最嚴(yán)重的波動(dòng)影響。這種情況測(cè)試時(shí)難以遇到，但在設(shè)計(jì)評(píng)估時(shí)會(huì)進(jìn)行模擬計(jì)算，其變化情況控制在允許范圍。

電壓波動(dòng)的危害會(huì)造成電氣設(shè)備不能正常工作，還會(huì)帶來照明燈光的閃爍即閃變，8到10 Hz的低頻波動(dòng)給人視覺的影響最大，這一指標(biāo)為電壓閃變。

1.2 電壓偏差影響

電力系統(tǒng)中負(fù)荷和發(fā)電機(jī)出力隨時(shí)都在變化，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)隨運(yùn)行方式的改變也在變化，系統(tǒng)故障等因素都將引起電力系統(tǒng)功率的不平衡。一般情況輸電線路的X》R，線路兩端電壓相位差也較小，電壓降的橫分量可以忽略，這樣輸電線路的電壓降落可以用式（2）表示[2]。

從（2）式中可以看出，無功功率的不平衡是電壓偏差的根本原因。系統(tǒng)無功功率的不平衡意味著將有大量的無功功率流經(jīng)供電線路、變壓器及其他一次設(shè)備，由于線路、變壓器等設(shè)備中存在電抗，造成電壓降落，帶來了電壓偏差。

光伏電站主要設(shè)備有光伏板、逆變器、集電線路、箱變、升壓主變。逆變器輸出交流功率因數(shù)接近1，基本不輸出無功，而集電線路和升壓變壓器都是無功負(fù)載，需要從電網(wǎng)吸收無功，因此會(huì)帶來電壓偏差。光伏電站一般配有動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，以快速地平衡無功，減少電壓偏差[3]。湖北鄖縣臥龍光伏電站額定出力40 MWp,在35 kV側(cè)裝有±10 Mvar的SVG，用于補(bǔ)償無功，SVG響應(yīng)速度很快，但仍存在無功的短暫不平衡，電壓偏差的存在是不可避免的，關(guān)鍵問題是將電壓偏差控制在允許范圍內(nèi)。

1.3 諧波的影響

所有非線性設(shè)備運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生諧波，目前主要諧波源負(fù)荷分3類[4]：

（1）鐵芯型：主要指具有鐵芯的電氣設(shè)備，如變壓器、電抗器、互感器等，鐵芯飽和后的非線性產(chǎn)生諧波。

（2）半導(dǎo)體型：變頻器、交流變直流、直流逆變成交流或直流變直流等都屬于這類諧波源，家用電器、計(jì)算機(jī)控制設(shè)備、冶金、化工、電力、電鐵等廣泛使用這些設(shè)備，它是可控硅元件的非線性產(chǎn)生的諧波電流。

（3）電弧型：電弧通常是空氣擊穿后形成，是一個(gè)非線性導(dǎo)體，因此會(huì)產(chǎn)生諧波。常見的有工業(yè)上用的交、直流電弧爐、電焊機(jī)等。

光伏電站中產(chǎn)生諧波的設(shè)備主要是逆變器，屬于半導(dǎo)體型諧波源。

目前國內(nèi)許多中等容量（50 MVA左右）的光伏電站單臺(tái)逆變器容量為500 kW，湖北鄖縣臥龍光伏電站單臺(tái)逆變器容量為500 kW。對(duì)于500 kW逆變器廠方提供的各次諧波電流含有率見表1。

表1 500 kW逆變器產(chǎn)生的各次諧波電流含有率Tab.1 The harmonic current generated by the inverter with 500 kW

從表1數(shù)據(jù)可以看出，逆變器產(chǎn)生的主要諧波電流為2、3、5、7次。

諧波的危害主要是對(duì)一、二次設(shè)備產(chǎn)生干擾、發(fā)熱、過壓、諧振、噪音等。

2 湖北省3座光伏電站電能質(zhì)量檢測(cè)情況

2.1 3座電站基本情況

（1）光伏電站1

湖北十堰鄖縣臥龍光伏電站,裝機(jī)容量40 MWp，單臺(tái)逆變器容量500 kW,110 kV并網(wǎng)，2015年8月并網(wǎng)發(fā)電，2016年6月進(jìn)行并網(wǎng)電能質(zhì)量檢測(cè)。光伏電站35 kV裝有一組±10 Mvar SVG，用于無功電壓調(diào)節(jié)。

（2）光伏電站2

湖北宜城同景光伏電站,裝機(jī)容量20 MWp，單臺(tái)逆變器容400 kW，35 kV并網(wǎng)，2016年7月并網(wǎng)發(fā)電，2017年3月進(jìn)行并網(wǎng)電能質(zhì)量檢測(cè)。光伏電站35 kV裝有一組±2 Mvar SVG，用于無功電壓調(diào)節(jié)。

（3）光伏電站3

湖北巴東譚家灣光伏電站（光伏扶貧項(xiàng)目）,裝機(jī)容量3 MWp，單臺(tái)逆變器容量50 kW,10 kV并網(wǎng)，2016年8月并網(wǎng)發(fā)電，2017年3月進(jìn)行并網(wǎng)電能質(zhì)量檢測(cè)。光伏電站未裝無功電壓調(diào)節(jié)裝置。

2.2 3座光伏電站電能質(zhì)量實(shí)測(cè)情況

按照GB/T29319-2012《光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，要求對(duì)公共連接點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的電能質(zhì)量指標(biāo)測(cè)試95值見表2、3、4，表中允許值為相應(yīng)電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)。

諧波電流允許值計(jì)算參照國標(biāo)GB/T14549-93中附錄B、C的方法計(jì)算。

從測(cè)試的數(shù)據(jù)可以歸納出以下幾點(diǎn)：

（1）3座光伏電站公共連接點(diǎn)的諧波電壓、頻率偏差、電壓閃變、三相電壓不平衡度均合格，反映出光伏電站在電能質(zhì)量影響方面幾項(xiàng)指標(biāo)偏弱；

（2）有1座電站公共連接點(diǎn)處5次諧波電流超標(biāo)，反映了有部分光伏電站產(chǎn)生的特征諧波電流會(huì)超標(biāo)；

（3）有2座光伏電站公共連接點(diǎn)處的電壓偏差超標(biāo)，電壓偏差超標(biāo)不完全由光伏電站造成的，一定程度與公共連接點(diǎn)背景電壓偏高有關(guān)，參見圖3譚家灣光伏電站現(xiàn)場(chǎng)24 h 10 kV電壓記錄曲線。從記錄曲線中可以看出，電壓有效值最高點(diǎn)有兩處，一處發(fā)生在凌晨的 03∶00～04∶00，電壓達(dá) 11.08 kV，超過7%的上偏差，而此時(shí)光伏電站未運(yùn)行；另一處發(fā)生在第2天中午12∶00～13∶00，這時(shí)光伏發(fā)電接近1天中最大值。兩處電壓最大時(shí)間段均發(fā)生在電網(wǎng)輕負(fù)荷時(shí),表明光伏電站的存在使相關(guān)線路的功率波動(dòng)加大，從而使電網(wǎng)相關(guān)變壓器分接頭的選擇增加了難度，間接地造成電壓偏差超標(biāo)。

表2 各光伏電站主要諧波電壓測(cè)試值、允許值數(shù)據(jù)Tab.2 The every photovoltaic power station main harmonic voltage test valueallowable value

表3 主要諧波電流數(shù)據(jù)Tab.3 The main harmonic current data

表4 其它電能質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.4 Other power quality index data

圖3 譚家灣光伏電站24 h三相電壓有效值記錄曲線Fig.3 Tanjiawan photovoltaic power station 24 hours three phase voltage RMS curve

所測(cè)的這3座光伏電站裝機(jī)容量不同，逆變器容量不同，入網(wǎng)電壓等級(jí)不同,其對(duì)公共連接點(diǎn)的電能質(zhì)量影響情況應(yīng)具有一定的代表性。綜合來說，光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的頻率偏差、電壓閃變、三相電壓不平衡度幾項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的影響相對(duì)較弱，而在諧波方面影響相對(duì)較大，尤其是逆變器的特征諧波電流會(huì)有超標(biāo)情況；對(duì)電壓偏差有一定影響，光伏電站接入使相關(guān)線路的功率波動(dòng)加大，增加變壓器分接頭選擇難度，間接造成電壓偏差超標(biāo)。

3 電能質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)異常分析

光伏電站上網(wǎng)的公共連接點(diǎn)許多是35 kV、10 kV電壓等級(jí)，35 kV和10 kV電網(wǎng)為不接地系統(tǒng)，光伏電站為避免母線PT的鐵磁諧振，通常在PT中性點(diǎn)接有消諧器，這樣PT中性點(diǎn)未直接接地。由此會(huì)造成測(cè)母線相電壓諧波測(cè)試時(shí)3次諧波異常情況，這是由于PT一次側(cè)無零序回路（極端情況），造成磁路非線性得不到補(bǔ)償，從而使二次側(cè)電壓產(chǎn)生畸變[5]。這個(gè)3次諧波電壓含有率不是真實(shí)的，表5是在湖北巴東譚家灣光伏電站10 kV公共連接點(diǎn)針對(duì)PT中性點(diǎn)是否接有消諧器所測(cè)試的3次諧波電壓含有率數(shù)據(jù)比較。

表5 譚家灣光伏電站10 kV相電壓3次諧波測(cè)試數(shù)據(jù)比較Tab.5 Tanjiawan photovoltaic power station 110 kV phase voltage comparison of 3 harmonic test data

從表5中數(shù)據(jù)可以看出，PT中性點(diǎn)消諧器短接后，所測(cè)的3次諧波電壓含有率只有0.70%，而未短接測(cè)試的數(shù)據(jù)位4.02%，已超標(biāo)，這個(gè)數(shù)據(jù)明顯失真，不能真實(shí)反映10 kV一次側(cè)3次諧波含量。

現(xiàn)在有些在線諧波監(jiān)測(cè)裝置及便攜式分析儀所進(jìn)行的光伏電站諧波監(jiān)測(cè)的報(bào)告中，不少反映3次諧波電壓超標(biāo)情況，應(yīng)該有相當(dāng)成份是忽略了PT中性點(diǎn)消諧器帶來的失真。

4 結(jié)語

光伏電站發(fā)電受自然光照影響較大，同時(shí)并網(wǎng)又使用了大量的逆變器，因此光伏發(fā)電對(duì)電能質(zhì)量中的諧波、電壓偏差指標(biāo)存在不可回避的影響。本文在測(cè)試分析的基礎(chǔ)上給出了這種影響的程度及側(cè)重面，對(duì)于了解中東部分布式中小型光伏電站的電能質(zhì)量水平具有一定的代表性。