分布式光伏接入对系统电能质量的影响分析与应对措施

引言

当今世界,由于人口过度增长,石油、煤炭等常规不可再生化石能源日益枯竭,能源危机已成为世界各国发展面临的首要问题,国家已将发展清洁能源作为应对能源危机与环境恶化的有效手段之一,其中太阳能的合理利用成为国内外各机构的研究重点。分布式光伏并网发电技术的研究与应用已成为未来能源形势发展的必然选择,但其也带来很多问题亟需解决[1]:一方面,分布式光伏电源的出力间歇性、波动性、不确定性对配电网馈线电压有影响:另一方面,分布式光伏组件中逆变器等非线性特征元件是谐波污染的主要来源。由于配电网中分布式光伏电源的接入容量相对较小,对并网馈线电压三相不平衡度、并网大电网的频率偏差、暂时过电压及瞬态过电压影响较小,所以本文暂不考虑分布式光伏电源在三相不平衡度、频率、暂瞬时过电压方面对系统电能质量的影响,主要对馈线电压偏差和电压波动进行分析。

1分布式光伏电源模型

分布式光伏电源可分为低压分布式光伏与中压分布式光伏。低压分布式光伏大多数为屋顶小型电源,主要由光伏组件、汇流箱、光伏并网逆变器及低压智能双向计量装置组成,一般当上网电价小于售电电价时,自发自用的比率越高,产生的经济效益越大。中压分布式光伏在容量、数量上明显区别于低压分布式光伏,可看作是多个光伏逆变器并联再由升压变压器统一将电能输入网架。分布式光伏电源并网类型主要有逆流型、非逆流型和切换型三种,本文主要研究对象为配网中常见的逆流型分布式光伏电源。如图1所示,在两相旋转dq坐标系下,将旋转的三相交流量变成直流分量,以此为基础,采用常规的恒有功无功控制方式(P0控制)对逆变器的电流指令进行调节,锁相环(PLL)实时追踪电网的相角,内环电流控制环节实时追踪并网电流跟踪控制,电压外环实时追踪直流侧电容电压并将其反馈至控制器,输出电压和电流再经滤波元件并网,既确保产生的电能质量符合要求,又保证输出的有功功率和无功功率能够稳定在给定参考值的附近,其中无功的参考值指令为0,正常运行在单位功率下不向电网提供无功功率。

图2是根据电池的外特性拟合电压与电流的光伏电池外特性模型并进行仿真的输出特性曲线图,在实际配网中分布式光伏并网运行时,可利用光伏发电单元的输出特性曲线所具有的单峰特性,即在最大功率点附近,光伏发电单元的输出电压增大或减少,都将使光伏输出的功率降低,利用该输出特性有利于光伏并网逆变器正常并网运行模式中的最大功率追踪(MPPT算法),能提高发电效率。

2分布式光伏接入对电压的影响与措施

2.1分布式光伏接入馈线电压分布与波动理论分析

图3为10kV配电网馈线上接入分布式光伏与用户排布的典型接线图,分布式光伏电源接入电网后强迫10kV配电网馈线的有功功率传输大小和方向发生变化,从而影响正常稳态运行时馈线上各接入点的电压分布。文献指出,分布式光伏电源接入系统后所导致的电能质量问题与所并入的电网结构、等效阻抗、负荷渗透率、并网电压等级、上一级变压器短路容量、并网的逆变器参数及其控制方法和出力大小等密切相关,以上均是影响分布式电源接入配电网电能质量的关键因素,也是进行定量分析的基础。

由于10kV配电网馈线中所接入的分布式光伏生产形式各异,本文暂不考虑逆变器设备参数、控制方式不同等内部因素的影响,将同一10kV馈线上的分布式光伏电源看作是无旋转惯量、出力不定的电源,假定10kV馈线上n个节点共接入n个分布式光伏电源,第n个光伏电源的有功出力为PDGn,无功出力为ODGn,接入节点处流向第n个用户的视在功率为PLn+j0Ln,10kV馈线的初始电压U0不变,节点n处电压为Un,第n-1个节点至第n个节点的线路阻抗为RLn+jxLn,在分布式光伏电源未接入前,按照图1假定有功功率与无功功率以10kV母线流向馈线负载末端为正方向,不计线路损耗,假定用户都为第一类用户,消耗的有功功率和无功功率均大于0,即PLn+j0Ln≥0,导致10kV馈线的电压损耗均为正,线路某个节点m处的电压与至线路初始节点的距离成反比。线路上第m个节点的电压Um为:

当分布式光伏电源接入馈线后,相当于在节点处增加新的有功或无功出力,节点不再是单纯的负荷节点,其等效为潮流网络中的P○节点。所以,在n个光伏电源接入之后线路上第m个节点的电压Um为:

实际分布式光伏电源一般因最大功率追踪(MPPT算法)会运行在单位功率因数,即0DGn=0,所以馈线的无功功率均由电网供给,又线路的电抗比较小,可以忽略其对电压分布的影响,故线路上第m个节点的电压Um又可以表示为:

第m个节点的电压与第m-1个节点的电压差可表示为:

由式(4)可以发现,假如节点m后所有负载消耗的有功功率小于等于光伏的有功功率总出力,即

说明光伏出力后载盈余,会导致节点m的电压局部上升至极大值:反之,节点m后所有负载消耗的有功功率大于等于光伏的有功功率总出力,即

说明光伏出力后载完全消纳,节点m的电压局部下降至极小值。因此,理论上可以分析出分布式光伏电源接入系统中,其有功出力的间歇性、波动性、不确定性引起的有功功率快速波动是导致10kV馈线电压波动的主要原因。不同容量分布式光伏电源接入不同位置对10kV馈线电压的影响也不相同,分布式光伏电源接入位置越靠近本级线路末端,其对10kV馈线电压的提升作用越大。随着分布式光伏电源出力功率的增加,10kV馈线电压较光伏发电接入前升高幅度增加,且呈现不同的变化趋势,分布式光伏接入点可能是局部电压的极大或极小值点。线路参数和负荷对大容量分布式光伏电源接入后电压升高幅度有影响:电压升高幅度与线路长度成正比,与10kV馈线截面积成反比:10kV馈线上所带负荷越小,电压升高幅度越大,此类情况下要关注线路电压是否越限。

2.2分布式光伏电源接入馈线引起电压波动的解决措施

措施1:分布式光伏电源并网点加装电抗补偿器或者动态电压恢复器(DVR),可以在进行无功功率补偿的同时,提供瞬时有功功率补偿,将DVR串联接入大容量分布式光伏电源接入点与后载欲补偿的重要负荷之间,通过对直流侧电源的逆变产生交流电压,再通过变偿装置调节系统的电压跌落或抵消系统因有功功率不稳定电压上下的小幅度波动。

措施2:将分布式光伏电源与蓄电池、超级电容器、飞轮等形式的储能项目相结合,吸收分布式光伏电源后载盈余时的电能,并在分布式光伏电源出力不足或10kV馈线电压偏低时放出电能,削峰填谷。

措施3:调整分布式光伏并网逆变器的控制方式。根据理论分析,由于分布式光伏并网接入点可能是局部电压的极大或极小值点,故可采用中央主控＋逆变器电压无功控制的方式,使得并网的10kV馈线电压的并网点电压始终不超过线路运行电压的最大值。也可通过改变分布式光伏电源发电单元的P0指令值,根据每个电源并网点需要消耗的无功功率调节无功指令,改变运行功率因数,从而达到控制并网点电压的目的。

3结语

针对分布式光伏电源接入系统对电能质量的影响,本文先给出两相旋转dq坐标系下的分布式光伏电源输出特性曲线与典型的P0控制方式,再理论分析含分布式光伏电源的配电网电压分布与波动,根据理论结果阐述了三种电压波动的原因与关键影响因素,并结合理论分析结果提出了分布式光伏电源接入馈线引起电压波动的三种有效解决措施,对实际的光伏工程项目运行具有一定的参考价值。