引言

當(dāng)今世界,由于人口過度增長,石油、煤炭等常規(guī)不可再生化石能源日益枯竭,能源危機(jī)已成為世界各國發(fā)展面臨的首要問題,國家已將發(fā)展清潔能源作為應(yīng)對能源危機(jī)與環(huán)境惡化的有效手段之一,其中太陽能的合理利用成為國內(nèi)外各機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)。分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為未來能源形勢發(fā)展的必然選擇,但其也帶來很多問題亟需解決[1]:一方面,分布式光伏電源的出力間歇性、波動(dòng)性、不確定性對配電網(wǎng)饋線電壓有影響:另一方面,分布式光伏組件中逆變器等非線性特征元件是諧波污染的主要來源。由于配電網(wǎng)中分布式光伏電源的接入容量相對較小,對并網(wǎng)饋線電壓三相不平衡度、并網(wǎng)大電網(wǎng)的頻率偏差、暫時(shí)過電壓及瞬態(tài)過電壓影響較小,所以本文暫不考慮分布式光伏電源在三相不平衡度、頻率、暫瞬時(shí)過電壓方面對系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響,主要對饋線電壓偏差和電壓波動(dòng)進(jìn)行分析。

1分布式光伏電源模型

分布式光伏電源可分為低壓分布式光伏與中壓分布式光伏。低壓分布式光伏大多數(shù)為屋頂小型電源,主要由光伏組件、匯流箱、光伏并網(wǎng)逆變器及低壓智能雙向計(jì)量裝置組成,一般當(dāng)上網(wǎng)電價(jià)小于售電電價(jià)時(shí),自發(fā)自用的比率越高,產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益越大。中壓分布式光伏在容量、數(shù)量上明顯區(qū)別于低壓分布式光伏,可看作是多個(gè)光伏逆變器并聯(lián)再由升壓變壓器統(tǒng)一將電能輸入網(wǎng)架。分布式光伏電源并網(wǎng)類型主要有逆流型、非逆流型和切換型三種,本文主要研究對象為配網(wǎng)中常見的逆流型分布式光伏電源。如圖1所示,在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下,將旋轉(zhuǎn)的三相交流量變成直流分量,以此為基礎(chǔ),采用常規(guī)的恒有功無功控制方式(P0控制)對逆變器的電流指令進(jìn)行調(diào)節(jié),鎖相環(huán)(PLL)實(shí)時(shí)追蹤電網(wǎng)的相角,內(nèi)環(huán)電流控制環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)追蹤并網(wǎng)電流跟蹤控制,電壓外環(huán)實(shí)時(shí)追蹤直流側(cè)電容電壓并將其反饋至控制器,輸出電壓和電流再經(jīng)濾波元件并網(wǎng),既確保產(chǎn)生的電能質(zhì)量符合要求,又保證輸出的有功功率和無功功率能夠穩(wěn)定在給定參考值的附近,其中無功的參考值指令為0,正常運(yùn)行在單位功率下不向電網(wǎng)提供無功功率。

圖2是根據(jù)電池的外特性擬合電壓與電流的光伏電池外特性模型并進(jìn)行仿真的輸出特性曲線圖,在實(shí)際配網(wǎng)中分布式光伏并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),可利用光伏發(fā)電單元的輸出特性曲線所具有的單峰特性,即在最大功率點(diǎn)附近,光伏發(fā)電單元的輸出電壓增大或減少,都將使光伏輸出的功率降低,利用該輸出特性有利于光伏并網(wǎng)逆變器正常并網(wǎng)運(yùn)行模式中的最大功率追蹤(MPPT算法),能提高發(fā)電效率。

2分布式光伏接入對電壓的影響與措施

2.1分布式光伏接入饋線電壓分布與波動(dòng)理論分析

圖3為10kV配電網(wǎng)饋線上接入分布式光伏與用戶排布的典型接線圖,分布式光伏電源接入電網(wǎng)后強(qiáng)迫10kV配電網(wǎng)饋線的有功功率傳輸大小和方向發(fā)生變化,從而影響正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)饋線上各接入點(diǎn)的電壓分布。文獻(xiàn)指出,分布式光伏電源接入系統(tǒng)后所導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題與所并入的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、等效阻抗、負(fù)荷滲透率、并網(wǎng)電壓等級、上一級變壓器短路容量、并網(wǎng)的逆變器參數(shù)及其控制方法和出力大小等密切相關(guān),以上均是影響分布式電源接入配電網(wǎng)電能質(zhì)量的關(guān)鍵因素,也是進(jìn)行定量分析的基礎(chǔ)。

由于10kV配電網(wǎng)饋線中所接入的分布式光伏生產(chǎn)形式各異,本文暫不考慮逆變器設(shè)備參數(shù)、控制方式不同等內(nèi)部因素的影響,將同一10kV饋線上的分布式光伏電源看作是無旋轉(zhuǎn)慣量、出力不定的電源,假定10kV饋線上n個(gè)節(jié)點(diǎn)共接入n個(gè)分布式光伏電源,第n個(gè)光伏電源的有功出力為PDGn,無功出力為ODGn,接入節(jié)點(diǎn)處流向第n個(gè)用戶的視在功率為PLn+j0Ln,10kV饋線的初始電壓U0不變,節(jié)點(diǎn)n處電壓為Un,第n-1個(gè)節(jié)點(diǎn)至第n個(gè)節(jié)點(diǎn)的線路阻抗為RLn+jxLn,在分布式光伏電源未接入前,按照圖1假定有功功率與無功功率以10kV母線流向饋線負(fù)載末端為正方向,不計(jì)線路損耗,假定用戶都為第一類用戶,消耗的有功功率和無功功率均大于0,即PLn+j0Ln≥0,導(dǎo)致10kV饋線的電壓損耗均為正,線路某個(gè)節(jié)點(diǎn)m處的電壓與至線路初始節(jié)點(diǎn)的距離成反比。線路上第m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓Um為:

當(dāng)分布式光伏電源接入饋線后,相當(dāng)于在節(jié)點(diǎn)處增加新的有功或無功出力,節(jié)點(diǎn)不再是單純的負(fù)荷節(jié)點(diǎn),其等效為潮流網(wǎng)絡(luò)中的P○節(jié)點(diǎn)。所以,在n個(gè)光伏電源接入之后線路上第m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓Um為:

實(shí)際分布式光伏電源一般因最大功率追蹤(MPPT算法)會(huì)運(yùn)行在單位功率因數(shù),即0DGn=0,所以饋線的無功功率均由電網(wǎng)供給,又線路的電抗比較小,可以忽略其對電壓分布的影響,故線路上第m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓Um又可以表示為:

第m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓與第m-1個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓差可表示為:

由式(4)可以發(fā)現(xiàn),假如節(jié)點(diǎn)m后所有負(fù)載消耗的有功功率小于等于光伏的有功功率總出力,即

說明光伏出力后載盈余,會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)m的電壓局部上升至極大值:反之,節(jié)點(diǎn)m后所有負(fù)載消耗的有功功率大于等于光伏的有功功率總出力,即

說明光伏出力后載完全消納,節(jié)點(diǎn)m的電壓局部下降至極小值。因此,理論上可以分析出分布式光伏電源接入系統(tǒng)中,其有功出力的間歇性、波動(dòng)性、不確定性引起的有功功率快速波動(dòng)是導(dǎo)致10kV饋線電壓波動(dòng)的主要原因。不同容量分布式光伏電源接入不同位置對10kV饋線電壓的影響也不相同,分布式光伏電源接入位置越靠近本級線路末端,其對10kV饋線電壓的提升作用越大。隨著分布式光伏電源出力功率的增加,10kV饋線電壓較光伏發(fā)電接入前升高幅度增加,且呈現(xiàn)不同的變化趨勢,分布式光伏接入點(diǎn)可能是局部電壓的極大或極小值點(diǎn)。線路參數(shù)和負(fù)荷對大容量分布式光伏電源接入后電壓升高幅度有影響:電壓升高幅度與線路長度成正比,與10kV饋線截面積成反比:10kV饋線上所帶負(fù)荷越小,電壓升高幅度越大,此類情況下要關(guān)注線路電壓是否越限。

2.2分布式光伏電源接入饋線引起電壓波動(dòng)的解決措施

措施1:分布式光伏電源并網(wǎng)點(diǎn)加裝電抗補(bǔ)償器或者動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR),可以在進(jìn)行無功功率補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí),提供瞬時(shí)有功功率補(bǔ)償,將DVR串聯(lián)接入大容量分布式光伏電源接入點(diǎn)與后載欲補(bǔ)償?shù)闹匾?fù)荷之間,通過對直流側(cè)電源的逆變產(chǎn)生交流電壓,再通過變償裝置調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓跌落或抵消系統(tǒng)因有功功率不穩(wěn)定電壓上下的小幅度波動(dòng)。

措施2:將分布式光伏電源與蓄電池、超級電容器、飛輪等形式的儲能項(xiàng)目相結(jié)合,吸收分布式光伏電源后載盈余時(shí)的電能,并在分布式光伏電源出力不足或10kV饋線電壓偏低時(shí)放出電能,削峰填谷。

措施3:調(diào)整分布式光伏并網(wǎng)逆變器的控制方式。根據(jù)理論分析,由于分布式光伏并網(wǎng)接入點(diǎn)可能是局部電壓的極大或極小值點(diǎn),故可采用中央主控＋逆變器電壓無功控制的方式,使得并網(wǎng)的10kV饋線電壓的并網(wǎng)點(diǎn)電壓始終不超過線路運(yùn)行電壓的最大值。也可通過改變分布式光伏電源發(fā)電單元的P0指令值,根據(jù)每個(gè)電源并網(wǎng)點(diǎn)需要消耗的無功功率調(diào)節(jié)無功指令,改變運(yùn)行功率因數(shù),從而達(dá)到控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓的目的。

3結(jié)語

針對分布式光伏電源接入系統(tǒng)對電能質(zhì)量的影響,本文先給出兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的分布式光伏電源輸出特性曲線與典型的P0控制方式,再理論分析含分布式光伏電源的配電網(wǎng)電壓分布與波動(dòng),根據(jù)理論結(jié)果闡述了三種電壓波動(dòng)的原因與關(guān)鍵影響因素,并結(jié)合理論分析結(jié)果提出了分布式光伏電源接入饋線引起電壓波動(dòng)的三種有效解決措施,對實(shí)際的光伏工程項(xiàng)目運(yùn)行具有一定的參考價(jià)值。