分布式光伏電站并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)影響及接入方式分析

內(nèi)蒙古潤蒙能源有限公司 張 前 唐 劍 通 霏

1 引言

目前，分布式光伏電站的接入方式主要分為兩種，一種是直接并入配電網(wǎng)，另一種是通過安裝在電網(wǎng)側(cè)的光伏逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。對(duì)于不同的接入方式，需要選擇合適的逆變器類型和接口技術(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的電力調(diào)度和控制?；诖?，相關(guān)研究人員立足于電網(wǎng)規(guī)劃目標(biāo)，針對(duì)光伏電站接入大電網(wǎng)后，對(duì)于電網(wǎng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。明確光伏電站并入大電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)要求。

2 光伏電站并網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)產(chǎn)生的影響

2.1 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

研究人員基于光伏電池的工作原理，構(gòu)建光伏電池等效模型，通過對(duì)等效模型的簡化處理，得到光伏電池工程模型，如圖1所示。構(gòu)建模型過程中，研究人員考慮到陰影狀態(tài)下光伏電池工作特點(diǎn)，將陰影狀態(tài)下光伏電池特性曲線引入該模型，最終得到光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型[1]。

圖1 光伏電池單二極管等效電路

光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型中，等效輸出電流計(jì)算式為：

根據(jù)圖1對(duì)式（1）進(jìn)行簡化，得到：

圖1中，流經(jīng)二極管D的電流計(jì)算式為：

式（2）中的參量Ish的計(jì)算式為：

將Iph、Ish、ID三個(gè)參量代入式（1），可得：

為提高計(jì)算效率，研究人員在建模過程中嘗試忽略RS對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響，進(jìn)而得到：

將式（1）～式（6）進(jìn)行綜合，得到光伏電池輸出功率計(jì)算式：

2.2 對(duì)大電網(wǎng)的影響

光伏發(fā)電站并入大電網(wǎng)之后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的潮流方向和規(guī)模將會(huì)產(chǎn)生直接影響?？赡軙?huì)導(dǎo)致一些新的問題出現(xiàn)，并影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和電能質(zhì)量。應(yīng)積極嘗試對(duì)傳統(tǒng)的單電源或多電源被輻射的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)。通過這種方式實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)潮流與模式大小的改變[2]。

2.3 對(duì)電能質(zhì)量的影響

光伏電站并入大電網(wǎng)，會(huì)對(duì)大電網(wǎng)的電能利用質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。研究人員為了準(zhǔn)確評(píng)估光伏電站并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響，針對(duì)大電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行量化分析。通過這種方式初步確定光伏電站并網(wǎng)前后電能質(zhì)量變化趨勢，盡可能降低光伏電站并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響。

2.3.1 電壓偏差

光伏電站并入大電網(wǎng)之后，會(huì)成為大電網(wǎng)新的發(fā)電源。此時(shí)，大量有功電流注入大電網(wǎng)，令大電網(wǎng)內(nèi)的電壓急劇上升。與普通的有功電流相比，大型的有功并網(wǎng)電流對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的輸出電壓和電流的影響更加顯著[3]。光伏電站運(yùn)行時(shí)，會(huì)持續(xù)產(chǎn)生有功驅(qū)動(dòng)電流，包括內(nèi)部的變壓器、逆變器、箱式變壓器等設(shè)備，以及集電箱或電纜上的非電容性有功驅(qū)動(dòng)電流。

2.3.2 電壓波動(dòng)與閃變

光伏發(fā)電在正常工作狀態(tài)下，輸出功率會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸發(fā)生改變，午間達(dá)到最大值后再逐步降低，形成正態(tài)分布功率曲線。然而，由于受到多種因素的影響，如天氣、云量和溫度等因素，其實(shí)際功率分布曲線也會(huì)發(fā)生不同程度的波動(dòng)，從而導(dǎo)致電網(wǎng)在實(shí)際輸出電壓時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)。

2.3.3 三相電壓不平衡

實(shí)際工作中，若光伏逆變器中出現(xiàn)了不對(duì)稱的三相光源電壓串聯(lián)，或者并聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)出現(xiàn)光源缺相情況，將會(huì)導(dǎo)致光伏發(fā)電站串聯(lián)觸發(fā)并網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)技術(shù)故障，影響電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。三相電壓不平衡問題頻繁出現(xiàn)的原因包括：一是三相電壓不平衡會(huì)觸發(fā)負(fù)序繼電保護(hù)系統(tǒng)以及繼電保護(hù)設(shè)備的誤動(dòng)作；二是發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)不平衡振動(dòng)，振動(dòng)產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散出導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)部溫度升高，加快發(fā)電機(jī)損耗。嚴(yán)重情況下，還會(huì)造成發(fā)電機(jī)零件故障。

2.3.4 孤島效應(yīng)

孤島效應(yīng)是指在光伏發(fā)電系統(tǒng)與主電網(wǎng)斷開連接的情況下，仍然能夠?yàn)楫?dāng)?shù)仉娏ω?fù)載提供電力的現(xiàn)象。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與主電網(wǎng)斷開連接時(shí)，光伏電池板仍然能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為電能，為當(dāng)?shù)仉娏ω?fù)載提供持續(xù)的電力供應(yīng)。該現(xiàn)象會(huì)對(duì)大電網(wǎng)的供電穩(wěn)定性造成一定的影響。

3 光伏電站并網(wǎng)及接入方式

在低壓配電網(wǎng)中，相關(guān)工作人員通常會(huì)根據(jù)饋線的分布情況分配功率。隨著分布式光伏在電網(wǎng)中所占的比例越來越高，其接入后對(duì)潮流分布的影響將變得越發(fā)明顯，令計(jì)算電網(wǎng)潮流難度上升。傳統(tǒng)潮流計(jì)算方法可能會(huì)出現(xiàn)潮流計(jì)算無法收斂的問題[4]。

3.1 最優(yōu)潮流計(jì)算方法

研究人員基于傳統(tǒng)潮流計(jì)算的各個(gè)節(jié)點(diǎn)具體參數(shù)，創(chuàng)建多個(gè)最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，其中包括無功分布最優(yōu)、安全性最優(yōu)等。在此基礎(chǔ)上對(duì)最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行非線性規(guī)劃處理，其數(shù)據(jù)模型為：

式中：minf(u，x)為目標(biāo)函數(shù)，g(u，x)、h(u，x)分別為等式約束條件與不等式約束條件。

基于該模型，研究人員推導(dǎo)出以電壓偏差最低為目標(biāo)的潮流目標(biāo)函數(shù)以及以電力損耗最少為目標(biāo)的潮流目標(biāo)函數(shù)，分別為：

式中:j為節(jié)點(diǎn)編號(hào)；Gij為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的電導(dǎo)；Ui為節(jié)點(diǎn)處i的電壓；Uj為節(jié)點(diǎn)處j的電壓；θij為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的相位差；UN為電壓額定值。

電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，其中包含大量的節(jié)點(diǎn)和非線性模型。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法在處理這種模型時(shí)面臨著很大的挑戰(zhàn)，其原因在于傳統(tǒng)優(yōu)化方式難以對(duì)眾多的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行求解。然而，隨著人工智能算法的發(fā)展，一些新型的優(yōu)化算法已經(jīng)出現(xiàn)，不僅能夠更快地處理大量節(jié)點(diǎn)，而且能夠獲得更高質(zhì)量的優(yōu)化結(jié)果。

3.2 接入技術(shù)要求

3.2.1 接入容量

光伏電站實(shí)際運(yùn)行過程中，其并入大電網(wǎng)的位置以及接入容量，會(huì)對(duì)電網(wǎng)損耗產(chǎn)生直接影響。研究人員基于光伏電站并網(wǎng)實(shí)際需求以及并網(wǎng)容量，靈活控制電壓等級(jí)。綜合考慮并網(wǎng)線路損耗、供電可靠性以及建設(shè)成本等因素，對(duì)分布式光伏發(fā)電站并網(wǎng)運(yùn)營成本進(jìn)行精確計(jì)算：一是若分布式光伏電站的容量≤8kW，則可以直接為普通用戶接入220V 電壓。二是若分布式光伏電站容量為8kW～0.4MW，其接入大電網(wǎng)的電壓等級(jí)為380V。三是若分布式光伏電站容量為0.4～6MW，其并入大電網(wǎng)的電壓等級(jí)為10kV。四是若分布式光伏電容量為6～30MW，其并入大電網(wǎng)的電壓等級(jí)至少為35kV。四種電壓等級(jí)劃分方式僅用于參考，實(shí)際工作中要根據(jù)分布式光伏電站的運(yùn)行情況進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。

3.2.2 接入方式

對(duì)于電壓等級(jí)在35kV 及以上的大型分布式光伏發(fā)電站而言，由于其發(fā)電功率較大，相關(guān)工作人員為了確保電力運(yùn)行安全，采用更為安全可靠的并網(wǎng)方式，即選擇專線接入電網(wǎng)。這種方式可以保證電能的高效輸送，同時(shí)也可以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

而對(duì)于并網(wǎng)電壓等級(jí)為10kV 的小型分布式光伏電站而言，考慮到運(yùn)營成本以及線路損耗等因素，可以采用專線的方式接入變電站10kV 母線[5]。條件允許的情況下，也可以使用T 形接線方式并入大電網(wǎng)，但需要滿足電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行條件，以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

一是專線并網(wǎng)法。在經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和園區(qū)等用電緊張的區(qū)域，變電站和開關(guān)站母線間隔的數(shù)量較少。這種情況下，想要使用專線并網(wǎng)模式，相關(guān)工作人員需要人為增加變電站與開關(guān)站母線之間的間隔，要投入更多的資金以及更高的時(shí)間成本。由于專線接入方式需要配置相應(yīng)的升壓變壓器、專用電纜等設(shè)備，其投資規(guī)模較大，因此一般不適用于中小型的光伏發(fā)電站。該方式主要應(yīng)用于光伏容量較大、接入位置較遠(yuǎn)的大型分布式光伏發(fā)電站。專線并網(wǎng)方式如圖2所示。

圖2 專線并網(wǎng)方式

二是分散接入法。針對(duì)容量較小的光伏發(fā)電站，可以選擇接入原理更為簡單的分散接入法。分散接入法如圖3所示。

圖3 分散接入法

分布式光伏電站直接并入電網(wǎng)變壓器400V 側(cè)，向低壓負(fù)荷供電，此時(shí)變壓器電壓等級(jí)為380V。實(shí)際運(yùn)行過程中，工作人員需要在配電器的低壓一側(cè)安裝逆功率保護(hù)器，防止分布式光伏發(fā)電站向大電網(wǎng)反向輸送功率。

4 結(jié)語

分布式光伏電站并網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的壓力，同時(shí)也可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓波動(dòng)。因此，在分布式光伏電站并網(wǎng)時(shí)，需要充分考慮電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，以避免可能的電力事故，確保電網(wǎng)的安全、可靠、高效運(yùn)行。分布式光伏電站的接入方式有兩種：分散式接入和專線式接入。在分散式接入中，光伏電站通過并入變電站或開閉所的10kV 母線來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。而在專線式接入中，光伏電站通過專用電纜接入電網(wǎng)，可根據(jù)需要選擇35kV 及以上的電壓等級(jí)進(jìn)行接入。分布式光伏電站的并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)影響較大，需要采用科學(xué)合理的接入方式，同時(shí)還需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行必要的升級(jí)和改造，以確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。