光伏并網(wǎng)對電能質(zhì)量影響的仿真分析及治理對策

方 謙

（長江水利水電開發(fā)集團(tuán)（湖北）有限公司，湖北武漢 430000）

0 引言

隨著近幾年經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，用電總量迅速增加。傳統(tǒng)的集中式電站由于面積大、投資高，大多位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，不僅成本高，輸送距離遠(yuǎn)，而且很容易出現(xiàn)棄光等現(xiàn)象。而分布式能源通常分配在用戶附近，主要在用戶側(cè)運(yùn)行并把多余的電能輸送到電網(wǎng)。傳統(tǒng)式電網(wǎng)由于規(guī)模龐大，往往建設(shè)在空曠地段，遠(yuǎn)距離輸電增加了電能損耗，為了就地實(shí)現(xiàn)能源的開發(fā)和利用，減小電能損耗，分布式電源不失為一種最好的選擇[1-2]。

但是，太陽能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式易受天氣等自然因素的影響，具有不確定性，導(dǎo)致分布式系統(tǒng)的輸出功率不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。同時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)中有許多非線性電力電子器件，導(dǎo)致配電網(wǎng)有很多高次諧波分量注入[3-4]，從而導(dǎo)致電網(wǎng)的諧波污染。因此，研究分布式電源并網(wǎng)后對電能質(zhì)量的影響是必不可少的。本文基于這種背景，對光伏發(fā)電并網(wǎng)后對配電網(wǎng)電能質(zhì)量所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了建模分析，并根據(jù)仿真結(jié)果提出了合理、經(jīng)濟(jì)的治理方法。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國家發(fā)改委在《分布式生產(chǎn)管理暫行辦法》中對分布式生產(chǎn)的定義進(jìn)行了界定，但該定義并不是嚴(yán)格的技術(shù)定義，難以按定義編制我國分布式生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。目前，據(jù)中國供電企業(yè)不完全統(tǒng)計(jì)，從2018年起，中國累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到174 GW，其中集中發(fā)電廠123.8 GW，分布式光伏發(fā)電廠50.6 GW，占全部發(fā)電量的29.08%，占水電、核能等清潔能源消費(fèi)總量的22.1%[5]。

歐洲裝機(jī)容量的擴(kuò)大內(nèi)容主要是可再生能源，其擴(kuò)大內(nèi)容的最終目標(biāo)是大力發(fā)展分布式電源生產(chǎn)，而不是大規(guī)模集中生產(chǎn)。德國在世界上擁有4 000多萬kW的分布式電源發(fā)電量，其2/3的發(fā)電廠都建設(shè)成了分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，近年來，分布式系統(tǒng)已成為德國可再生能源開發(fā)和利用的最重要途徑[6]。

雖然分布式電源有很多優(yōu)勢，被很多國家優(yōu)先考慮，但是分布式發(fā)電技術(shù)仍然處于萌芽階段，還需要國家和相關(guān)技術(shù)人員的大力支持，為分布式電源的快速發(fā)展提供保障。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的建立

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由把光能轉(zhuǎn)換為電能的光伏列陣、用于信號輸送的控制器、儲蓄多余電能的蓄電池組、將直流逆變成交流的逆變器等裝置組成[7]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由于環(huán)境光照強(qiáng)度的不穩(wěn)定使得入射到光伏列陣的光照強(qiáng)度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致功率點(diǎn)的電壓不斷變化。為了提高發(fā)電量，并保證太陽能電池板在任何光照強(qiáng)度下都能工作在最大功率點(diǎn)處，國內(nèi)大多數(shù)廠家采用了目前世界上最先進(jìn)的MPPT最大功率追蹤技術(shù)，大大提升了發(fā)電效率，用戶的收益得到保障。

2.2 光伏電池等效電路結(jié)構(gòu)

光伏電池包含許多用于光電轉(zhuǎn)換的P-N結(jié)。在足夠的光照下，光照射到N區(qū)域的表面，激發(fā)價(jià)電子向正極移動，在P-N結(jié)兩側(cè)累積足夠的正負(fù)電荷，產(chǎn)生電動勢，即所謂的“光伏效應(yīng)”[8]。

圖2為光伏列陣等效電路圖[9]。圖中Isc為光感應(yīng)電流，其大小與光伏列陣的光伏電池個(gè)數(shù)、光照面積及強(qiáng)度有關(guān)，與外部電路無關(guān)；Rsh為旁路電阻，表示光伏電池的并聯(lián)電阻，與泄漏電流成反比關(guān)系，通常為幾千歐姆；Rs為串聯(lián)電阻，代表對電流的阻礙作用，通常小于1 Ω；V和I分別是光伏組件模塊的輸出電壓和電流；Ish為太陽能電池自身的泄漏電流；Id是暗電流，暗電流是單向電流，當(dāng)太陽能電池不暴露在光照下時(shí)，它會在外部電壓下流經(jīng)P-N結(jié)。

2.3 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型的建立

由圖2可以得到，當(dāng)光伏電池處于發(fā)電過程中時(shí)，輸出電流表達(dá)式為：

將式（2）和式（3）與式（1）聯(lián)立，便可得到分布式光伏發(fā)電過程中光伏電池的I-V輸出特性，其表達(dá)式為：

式中：Isc為光伏電流；Io為二極管飽和電流，約為10-4A；A為二極管系數(shù)；K為玻耳茲曼常數(shù)，約為1.38×10-23J/K；T為實(shí)際電池溫度；q為電子電荷常數(shù)，約為1.6×10-19C；V為輸出電壓；I為輸出電流；Rs為串聯(lián)電阻；Rsh為并聯(lián)電阻。

顯然，式（4）已經(jīng)反映出了光伏電池的工作原理，但考慮到該公式的一些參數(shù)不僅僅與太陽能光伏電池自身溫度和太陽光輻射強(qiáng)度有關(guān)，還與各個(gè)生產(chǎn)太陽能光伏電池的廠商所使用的材料材質(zhì)有關(guān)，因此對式（4）進(jìn)行一定程度的改進(jìn)后，得到光伏電池的實(shí)用型物理模型[10]，如式（5）所示：

式中：Iph為光伏電池中的光生電流；Voc為光伏電池中的開路電壓；C1和C2為光伏電池出力的修正系數(shù)。

當(dāng)功率位于運(yùn)行狀態(tài)的最大點(diǎn)時(shí)，可以得到式（6）所示的修正系數(shù)C1；當(dāng)處于開路狀態(tài)時(shí)，可以得到式（7）所示的修正系數(shù)C2。

式中：Im為峰值電流；Vm為峰值電壓。

當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，Im、Vm、Iph和Voc這四個(gè)參數(shù)值會按照一定的規(guī)律發(fā)生變化，此時(shí)若想得到光伏電池的準(zhǔn)確出力數(shù)據(jù)就需要變化相應(yīng)的修正系數(shù)，進(jìn)而得到在不同光照強(qiáng)度S以及溫度T下的Iph′、Voc′、Im′和Vm′，表達(dá)式如式（8）所示：

式中：ΔT為環(huán)境溫度與標(biāo)稱溫度差值；T為環(huán)境溫度；Tr為標(biāo)稱溫度，Tr=25 ℃；ΔS為環(huán)境光照強(qiáng)度與標(biāo)稱光照強(qiáng)度差值；S為環(huán)境光照強(qiáng)度；Sr為標(biāo)稱光照強(qiáng)度，Sr=1 000 W/m2；α為電流-溫度修正系數(shù)，α=0.003；β為電壓-溫度修正系數(shù)，β=0.004；γ為光照強(qiáng)度修正系數(shù)，γ=0.5。

太陽能光伏電池的運(yùn)行特性受光照強(qiáng)度和溫度的影響較大，結(jié)合上述數(shù)學(xué)表達(dá)式，得到光伏陣列的輸出特性，如圖3、圖4所示。

圖3 不同溫度、光照強(qiáng)度下太陽能光伏電池的I-U特性曲線

圖4 不同溫度、光照強(qiáng)度下太陽能光伏電池的P-U特性曲線

由圖3可知，在同一光照強(qiáng)度下，保持輸出電壓不變，光伏電池的輸出電流隨著外界溫度的增強(qiáng)而增大，保持輸出電流不變，光伏電池的輸出電壓隨著溫度的增大而減小，根據(jù)分析得出其輸出功率必然有一個(gè)最大值。同理，在同一溫度下，光伏電池的輸出電流隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，輸出電壓隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而降低。由圖3還可以看出，當(dāng)電壓值偏小時(shí)，可以把光伏電池看作是一個(gè)恒定電流源[11]。

由圖4可知，在外界溫度一定的情況下，光照強(qiáng)度越強(qiáng)，光伏電池輸出功率越大，而光伏電池電壓也逐漸增大。在光照強(qiáng)度一定的情況下，光伏電池的最大輸出功率不隨溫度的變化而變化，即在任何溫度下，只要光照強(qiáng)度確定了，光伏電池的最大輸出功率就確定了[12]。

3 光伏并網(wǎng)對電能質(zhì)量影響仿真分析及治理對策

3.1 光伏并網(wǎng)對電能質(zhì)量影響的仿真分析

本文設(shè)計(jì)配電網(wǎng)電壓等級為10 kV，線路采用LGJ-150 mm型架空線，設(shè)置相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離為1 km，為了簡化計(jì)算，負(fù)荷用三相對稱的恒定功率靜態(tài)模型，且不考慮三相之間的互感作用。搭建的光伏并網(wǎng)仿真系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 含光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)仿真模型

3.1.1 改變光伏并網(wǎng)位置

光伏發(fā)電系統(tǒng)容量大小設(shè)置為6 MW，光照強(qiáng)度設(shè)置為1 000 W/m2，溫度設(shè)置為25 ℃，將光伏電源分別接入1～6號節(jié)點(diǎn)，即改變光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)位置，然后測量光伏電源不同并網(wǎng)位置下各節(jié)點(diǎn)電壓值的波動與諧波電壓畸變率。具體數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 并網(wǎng)位置不同時(shí)各節(jié)點(diǎn)電壓值 單位：kV

表2 并網(wǎng)位置不同時(shí)各節(jié)點(diǎn)THD%

3.1.2 改變光伏容量并網(wǎng)

設(shè)置每個(gè)光伏列陣的工作溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度1 000 W/m2，光伏容量為0.047 MW，在無功功率很小的情況下，可以通過增大光伏系統(tǒng)的輸出功率來實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的不同容量。分別測量容量大小為1～6 MW的光伏系統(tǒng)接入節(jié)點(diǎn)4后，對各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓值的影響以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)的諧波電壓畸變率。數(shù)據(jù)記錄如表3、表4所示。

表3 并網(wǎng)容量不同時(shí)各節(jié)點(diǎn)電壓值 單位：kV

3.1.3 影響分析

由圖6可知，光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的不同位置時(shí)，公共接點(diǎn)處的電壓幾乎不變，而光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)末端時(shí)，各節(jié)點(diǎn)電壓提升最明顯。可見光伏發(fā)電系統(tǒng)接入對線路末端和中段的節(jié)點(diǎn)提供了電壓支撐，從而改善了配電網(wǎng)電壓質(zhì)量。

圖6 光伏并網(wǎng)位置不同各節(jié)點(diǎn)ΔU

由圖7可知，對于節(jié)點(diǎn)1位置接入光伏發(fā)電系統(tǒng)的情況，配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的諧波畸變率幾乎沒有變化，注入系統(tǒng)的諧波分量對電網(wǎng)造成的影響最小。光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)位置越靠近線路末端，節(jié)點(diǎn)的諧波畸變率變化越明顯。

由圖8可知，光伏系統(tǒng)的容量對配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的大小有重要的影響，接入配電網(wǎng)的光伏系統(tǒng)容量越大，對各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓大小的影響越明顯，并網(wǎng)點(diǎn)的位置越靠近配電網(wǎng)支路末端，各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的波動越大。總之，光伏系統(tǒng)容量越大，并網(wǎng)位置越靠近支路末端，對系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓影響越明顯。并網(wǎng)位置和分布式電源容量的大小決定了電壓升降的程度。

綜上所述，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響有以下幾點(diǎn)：

1）分布式電源的并網(wǎng)位置越接近支路末端節(jié)點(diǎn)，配電網(wǎng)線路各節(jié)點(diǎn)電壓被抬高的程度越大。

2）配電網(wǎng)線路各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的波動量與光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)容量呈正相關(guān)。

3）光伏并網(wǎng)給配電網(wǎng)帶來的諧波量隨著光伏并網(wǎng)容量的增加而增大。

4）光伏發(fā)電系統(tǒng)引入的諧波量大小與并網(wǎng)位置有關(guān)。光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)位置越接近支路末端，所引入的諧波量大小對配電網(wǎng)的影響就越大，且在公共接點(diǎn)處接入分布式電源對配電線路的影響最小。

因此，控制好分布式電源的并網(wǎng)位置和并網(wǎng)容量是平衡系統(tǒng)電壓的有效途徑。設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，建立精準(zhǔn)可靠的分布式發(fā)電系統(tǒng)，分布式電源并網(wǎng)后對配電網(wǎng)造成的電壓波動量和諧波畸變率都能符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，從而有效改善線路末端的電壓水平。

3.2 光伏并網(wǎng)對電能質(zhì)量影響的治理對策

對系統(tǒng)電能質(zhì)量的治理主要包含電壓質(zhì)量和諧波兩個(gè)方面：

1）電壓質(zhì)量方面。系統(tǒng)電壓質(zhì)量治理的主要方式是優(yōu)化配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，合理規(guī)劃布置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)架，預(yù)留未來可能增加的容量。分布式電源并網(wǎng)最適合的位置是線路中間偏前的節(jié)點(diǎn)，但是綜合諧波影響考慮，分布式電網(wǎng)并網(wǎng)位置最好選用公共節(jié)點(diǎn)，這樣既不會引入大量的諧波電流，又能夠提升電能質(zhì)量。

2）諧波方面。通過分析可知，在含分布式電源的配電網(wǎng)中，諧波含量的大小與分布式電源并網(wǎng)位置有極大的關(guān)系，并網(wǎng)位置越靠近公共母線，配電網(wǎng)受到諧波帶來的影響越小；相反，并網(wǎng)位置越靠近支路末端，配電網(wǎng)受到諧波帶來的影響越大。綜上所述，單從諧波考慮，光伏發(fā)電系統(tǒng)適合在線路靠近公共母線的節(jié)點(diǎn)處并入配電網(wǎng)。實(shí)際上，系統(tǒng)諧波治理的主要方式就是通過改變變壓器接線組別來抑制用戶的輸入諧波。

4 總結(jié)及展望

本文對光伏分布式電源及其對配電網(wǎng)性能的影響進(jìn)行了仿真分析，但是由于筆者自身能力不足以及知識面限制，對分布式電源并網(wǎng)時(shí)的性能質(zhì)量分析仍然存在許多不足，例如涉及的分布式電源類型僅限于光伏發(fā)電系統(tǒng)，僅對光伏分布式能源并網(wǎng)時(shí)對配電網(wǎng)的影響進(jìn)行了建模和仿真。實(shí)際上，多種分布式電源可以同時(shí)并網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上，需要考慮如微型渦輪機(jī)和燃料電池等多種類型的分布式電源，考慮各種類型的分布式電源交叉接入配電網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響。針對多種分布式電源同時(shí)并網(wǎng)如何選擇控制策略以及它們之間如何相互配合才能使得對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響程度最低等相關(guān)問題，仍需進(jìn)一步開展深入研究。