SCR對光伏系統(tǒng)的影響分析

劉凱

（正泰電源系統(tǒng)有限公司 上海市 201614）

近年來隨著社會的不斷發(fā)展進(jìn)步，科技、工業(yè)水平的不斷提升；各類型終端用戶對電網(wǎng)的需求不斷的增加。這些因素極大地催化了電網(wǎng)發(fā)電規(guī)模的持續(xù)增加，同時電力主網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜和多樣化。供電的可靠性和電力網(wǎng)絡(luò)的安全性，逐漸成為了電網(wǎng)公司及終端用戶的主要關(guān)注點(diǎn)。尤其是對于新能源電站，其單點(diǎn)接入容量相對小、分布式特點(diǎn)明顯、受自然條件影響較大的特點(diǎn)，對局域電網(wǎng)及支干電網(wǎng)的挑戰(zhàn)尤其明顯。所以SCR日漸成為電網(wǎng)公司考核光伏等新能源電站接入影響的一個重要指標(biāo)，作為光伏電站核心元件的光伏逆變器，對于電站整體的SCR控制的貢獻(xiàn)已經(jīng)成為了各逆變器廠家產(chǎn)品性能、技術(shù)水平的一個重要評估條件。本文所引用參考的文獻(xiàn)[1]，更多的詳細(xì)分析了SCR外網(wǎng)等值計算及相關(guān)的多種SCR的計算方法，從網(wǎng)側(cè)為光伏電站的SCR計算提供了一定的參考。值得我們大家借鑒和做細(xì)部的分析、研究。

1 光伏系統(tǒng)設(shè)計中SCR的影響考量

1.1 基礎(chǔ)知識

SCR(short circuit ratio) 短路比，是發(fā)電設(shè)備電網(wǎng)接入點(diǎn)的短路容量與接入的發(fā)電設(shè)備功率或負(fù)載功率的比值。其表征公式為：

講到短路容量，首先我們先要了解短路的概念。短路是指電力系統(tǒng)中，所有的相相之間或者相地之間由于各種原因所發(fā)生的短路接通現(xiàn)象。通常在電力系統(tǒng)中短路容量是用來評估電力斷路器的分?jǐn)嚯娏髂芰Φ囊粋€指標(biāo)，這里我們所說的短路容量是指光伏發(fā)電系統(tǒng)在既定的運(yùn)行方式下，接入點(diǎn)發(fā)生短路故障時的視在功率。這個值是表征光伏發(fā)電系統(tǒng)對外電網(wǎng)供電能力強(qiáng)弱的特征參數(shù)，其大小等于短路電流與短路處的額定電壓的乘積。接入點(diǎn)的短路容量是一個計算量，而不是測量量。它是反映電力系統(tǒng)中某一饋入點(diǎn)電氣性能的一個特征量，與短路電流和該點(diǎn)故障前正常運(yùn)行時的相間電壓有關(guān)，反映了該點(diǎn)的某些重要性能：

（1）該點(diǎn)電能饋入的能力和饋入電壓穩(wěn)定性；

（2）該點(diǎn)與電力系統(tǒng)主干網(wǎng)之間聯(lián)系的強(qiáng)弱；

（3）該點(diǎn)發(fā)生短路故障時，短路電流的水平。

隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)總?cè)萘康臄U(kuò)大和電站數(shù)量的增加，光伏發(fā)電系統(tǒng)短路容量的水平對電網(wǎng)的影響也會逐漸增加。所以這個指標(biāo)越來越被電網(wǎng)公司所重視，他客觀的體現(xiàn)了光伏電站的系統(tǒng)穩(wěn)定性和對電網(wǎng)安全性的影響。

1.2 光伏系統(tǒng)中SCR的影響

圖1：典型光伏系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2：單臺光伏逆變器電路等效圖

目前我們論證所涉及的光伏系統(tǒng)，主要是指中等功率等級以上的，及接入點(diǎn)功率在100kW以上的電站。這部分電站，既包括了分布式電站也包括集中式地面電站。這種類型的光伏電站，具有如下的典型特點(diǎn)：

（1）單一接入點(diǎn)饋入功率，通常在350MW以內(nèi)；遠(yuǎn)低于常規(guī)火力發(fā)電的60萬千瓦的最低指標(biāo)；

（2）受自然因素影響較為嚴(yán)重，陰雨、云層遮擋都會造成光伏系統(tǒng)饋入電能的波動。同時溫度對光伏系統(tǒng)的影響也比較大；

（3）發(fā)電時段為間斷性規(guī)律，無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)恒壓饋入。

從這些特點(diǎn)上，我們也就不難看出：相對于常規(guī)的火力發(fā)電系統(tǒng)來看，光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的穩(wěn)定性、安全性挑戰(zhàn)更大，風(fēng)險更高。極易導(dǎo)致局部電網(wǎng)的震蕩，離脫網(wǎng)的風(fēng)險相對較高。那么也就造成了，電網(wǎng)公司對光伏電站的接入許可和支干網(wǎng)配置尤為謹(jǐn)慎。SCR作為評估一個光伏電站的重要指標(biāo)，對系統(tǒng)、設(shè)備供應(yīng)商的系統(tǒng)方案設(shè)計提出了更高的要求。

2 光伏系統(tǒng)中SCR的計算方法

如圖1，典型光伏系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所示，一個典型的光伏系統(tǒng)，可以按照各種電氣量遞等成圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1中，我們可以看到光伏逆變器的數(shù)量為n。從各逆變器的交流輸出側(cè)到逆變器的交流公共耦合點(diǎn)PCC的線阻抗，分別為：Z1，Z2，… Zn。公共耦合點(diǎn)PCC至升壓變壓器低壓側(cè)的線路阻抗為Zg，升壓變壓器的漏電感為Xm，升壓變壓器低壓側(cè)的相電壓為VL，光伏逆變器的額定相電壓為Vrate，額定相電流為Irate，所以光伏逆變器的額定阻抗Rrate可表示為：

假定I1=I2=…=In，那么我們從上列式（1）和（2），可以得到下式（3）。

所以，上列圖1可以等效成單一臺光伏逆變器的下圖，圖2為單臺光伏逆變器電路等效圖。

由圖2，我們可以得到如下算式：

假定VL=Vrate，則SCR值可以等效為下式來計算：

通過如上的分析和推導(dǎo)，我們把光伏逆變器與所接入的電網(wǎng)側(cè)，用等效的阻抗和電感連接了起來，以模擬實(shí)際光伏電站中，現(xiàn)場鋪設(shè)的交流電纜和變壓器的阻抗（當(dāng)然，這里我們忽略了由于實(shí)際施工安裝所產(chǎn)生的冗余的部分），極大的方便了設(shè)計及規(guī)劃工程師對光伏電站的整體設(shè)計來進(jìn)行詳細(xì)的評估、計算工作。

從上式中我們可以看到，影響光伏逆變器SCR值的關(guān)鍵指標(biāo)有：Rrate，Z1，Zg，Xm，n。通常對于一臺光伏逆變器來講，Vrate是不可調(diào)整的，因?yàn)楣夥l(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特性所決定。那么就意味著Irate越小，Rrate越大；即單一光伏逆變器的輸出功率越小、系統(tǒng)的功能顆粒越小、系統(tǒng)的SCR值越高，系統(tǒng)抗短路沖擊的能力越強(qiáng)。Z1+Zg相當(dāng)于逆變器與升壓變壓器低壓側(cè)的連接距離，所以光伏逆變器與升壓變壓器的安裝距離越近，系統(tǒng)的SCR值越高，系統(tǒng)抗短路沖擊的能力越強(qiáng)。Xm與壓變壓器的生產(chǎn)工藝控制相關(guān)，不可作為系統(tǒng)改善的因素來做綜合考慮。

3 光伏系統(tǒng)中SCR的控制策略

3.1 集中式光伏系統(tǒng)中SCR的控制策略

從計算公式中，我們可以得知：光伏系統(tǒng)中單一裝機(jī)容量越小，距離變壓器低壓側(cè)接入越近，系統(tǒng)的SCR值越高，系統(tǒng)的抗短路能力越好。由于目前我國施行的平價上網(wǎng)政策，兼顧系統(tǒng)總造價LCOE的前提下，對于集中式光伏系統(tǒng)不建議將功率顆粒設(shè)計的過小。目前的主流功率分級，3.125MW逆變站房是較為常見的功能等級。

那么，如何縮短逆變器到升壓變壓器的接入距離就是評價同等功率下不同光伏電站SCR值大小的主要判斷依據(jù)了。在這里我們大力推薦預(yù)裝式光伏逆變電站，及將中壓升壓變壓器和光伏逆變電站集成在同一個系統(tǒng)硬件框架下。同時，在部分有更高SCR要求的現(xiàn)場，建議采用銅牌的安裝方式。如圖3所示。

3.2 分布式光伏系統(tǒng)中SCR的控制策略

目前我們所說的分布式光伏電站，主要是針對工商業(yè)和戶用的屋頂電站；其主要的特點(diǎn)是：單一接入功率小，光伏逆變器貼近光伏組件安裝呈分布式結(jié)構(gòu)。所以在分布式電站中，往往光伏逆變器到并網(wǎng)接入點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)。

那么針對于SCR值要求較高的光伏電站，我們的建議是：

（1）單一光伏逆變器的功率等級以不大于60KW為宜，組串式光伏逆變器應(yīng)用在集中式光伏電站除外；

（2）建議在交流側(cè)多采用交流匯流的方案，以減小交流側(cè)線阻抗。

4 結(jié)束語

光伏發(fā)電是解決現(xiàn)有能源供給結(jié)構(gòu)中的能源配給與環(huán)境保護(hù)問題的重要解決方案之一，是未來世界能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分之一。所以，如何得到更加安全、可靠的光伏電站是我們每一位光伏發(fā)電從業(yè)者的重要任務(wù)。針對光伏發(fā)電系統(tǒng)中的SCR問題，在不同類型中的光伏發(fā)電系統(tǒng)中的針對性設(shè)計是我們每一位工程師、設(shè)計人員都需要持續(xù)不斷的學(xué)習(xí)，研究并認(rèn)真分析的。

本文對目前光伏電站中所涉及到的SCR問題的一次分類和整理，實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計工作中，我們應(yīng)該對集中型和分布式電站分開考慮。本文中提出的計算方法，是一種泛用的計算方法，這些觀點(diǎn)和算法是從作者從業(yè)的公司、從作者多年的工作經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)、整理出來的；但是限于個人的知識能力水平，僅代表個人的認(rèn)知和觀點(diǎn)；尚需要更多的檢驗(yàn)和反復(fù)論證，希望能夠得到不斷的持續(xù)改進(jìn)。