考虑电能质量问题的分布式光伏发电接入规划方法

考虑电能质量问题的分布式光伏发电接入规划方法

李勃良

宝鸡市水利水电规划勘测设计院 陕西宝鸡 721000

摘要：经济的发展，城市化进程的加快，人们对电能的需求也逐渐增加。电能质量的高低对生活和生产用电具有较大的影响。近年来，越来越多的分布式光伏发电接入配电网，对配电网的相关运行指标产生不同程度的影响。分布式光伏发电接入配电网会注入直流分量和谐波，不稳定的输出功率会造成电压不稳定，其他干扰因素导致波形畸变等电能质量问题。本文就考虑电能质量问题的分布式光伏发电接入规划方法展开探讨。

关键词：分布式光伏发电；配电网规划；电能质量评估

引言

从我国开始工业革命以来，应用传统石化能源会对生态环境造成严重的污染，加剧温室效应，因此人们更加关注新能源技术的应用。光伏发电作为新能源发电技术中不可或缺的重要部分，在我国的发展极为迅猛，尤其是光伏发电技术。将分布式光伏网并网接入配电网系统中，会对其产生一定影响，因此需要提高分布式光伏并网的应用效果，从而提高配电网的电能质量。

1分布式光伏系统结构模型

分布式光伏接入配电网主要包含两种典型的系统结构：单级式光伏发电系统和两级式光伏发电系统，两级式系统结构如图1所示。单级式光伏发电系统虽然控制简单，但其无升／降压的能力，输入波动鲁棒性差。两级式光伏发电系统主要采用ＤＣ－ＤＣ级联ＤＣ－ＡＣ的两级变换拓扑结构，可以适应宽输入电压范围，在分布式光伏发电中应用范围广泛。本文采用的是两级式光伏发电系统。

图 １ 分布式光伏系统结构图

分布式光伏系统组成部分主要包括光伏阵列、ＭＰＰＴ控制器、Ｂｏｏｓｔ转换器、滤波器和逆变器及其控制器等。光伏阵列由光伏电池单元组成，其Ｉ－Ｖ特性可表示为：

（1）

式中，ＩＳＣ表示太阳能电池通过外电路直接短路时的外电路电流大小，ＶＯＣ表示外电路开路时的端电压大小，Ｖｍ、Ｉｍ分别表示对应于最大功率点的电压和电流。对光伏电池单元模型进行推广可得光伏阵列的数学模型表达式为：

（2）

式中，ｍ、ｎ分别表示光伏电池并联和串联个数。对于最大功率点跟踪器，采用的是扰动观察法与Ｂｏｏｓｔ转换器相结合的方法，其主要工作原理为：根据光伏电池单元瞬时功率的变化情况，对Ｂｏｏｓｔ转换器的占空比进行动态改变，从而调节光伏电池的工作电压，使光伏电池朝着最大功率点的方向逼近。为使电能达到最大利用率，逆变器控制策略采用ＰＱ控制策略，以控制逆变器的输出功率始终与参考值相等，其控制策略原理如图2所示。逆变器的输出电压包含一定程度的谐波成分，因此分布式光伏需采用滤波器进行滤波处理。本文采用结构简单、参数设计容易的Ｌ型并网滤波器。

图2ＰＱ控制策略原理图

2分布式光伏并网对配电网电能质量的影响

在配电网的运行过程中，分布式光伏电源的渗透率会不断提升，分布式光伏并网会对传统电力系统造成一定影响，但也会提升电能的整体质量。通常分布式光伏接入线路的末端位置，与终端的负荷电气距离较近，可以使电能的功能更近，还可以使馈线中的传输功率降低，充分满足无功补偿要求，从而对接入部分的电压起到良好的支撑。将分布式光伏并网系统与新能源共同接入到配电网中，可以形成电网互相支撑的良好状态，增强电压的稳定性、减少系统扰动、提升系统频率的稳定性。若出现自然灾害等情况，分布式光伏可以含有一定的供给负荷，从而可以使自身达到独立运行的状态，加强负荷电力供给的可靠性。在配电网的末端位置，使用分布式光伏并网，可以不断提升渗透率，从而将配电网系统中存在的光伏供电负荷不断降低，避免配电网在运行过程中出现安全事故，降低电能质量，还可以提升系统承载负荷的能力，减少发电设备的整体容量，从而提高电能的利用效率，为电力系统运行稳定性、安全性提供保障。

3考虑电能质量指标问题的分布式光伏接入评估

3.1基于数据包络分析的电能质量综合评估方法

数据包络分析是对相同类型的多指标投入和多指标产出进行相对效率评估的一种综合评估方法。该方法由各个决策单元(DecisionMakingUnits,DMU)的实际数据确定输入和输出变量的最优权重，从最有利于决策单元的角度进行评估，可以避免主观因素的影响；并且，不必确定输入和输出的显示表达式，简化了输入指标和输出指标内化关系，在输入指标和输出指标关系复杂、不易确定的情况下，可以体现出其明显的优越性。

3.2在注入直流分量方面

通过装置监测到的谐波数据，无论光伏运行在何种功率下，均不含有直流分量。在正常状态下，光伏逆变器是无直流分量产生的。直流分量存在有以下两种情况:一是若光伏通过逆变器直接并入低压电网，在逆变器桥臂因故障击穿时，会出现大量的直流分量注入。此时逆变器处于异常工作状态，通过逆变器自身内部保护应能将逆变器从电网中断开。或因晶闸管性能老化，成对的上下桥臂暂时性同时导通时，出现间歇性直流电流注入。此种情况也属于逆变器工作异常，可通过对于并网点的谐波电流监测进行预防。二是若光伏通过变压器并网，当光伏出现上述第一条的情况，由于变压器本身的隔离作用，可以对直流分量以及光伏自身故障引起的对电网的冲击进行一定程度的隔离。

3.3考虑电能质量约束的分布式光伏规划流程

对电能质量进行评估首先需要对其进行分级，等级的划分很多种，其中IEC61000国际标准分为三级。国内的文献主要分为3、5、7、9、10等级，各等级区间按照均分或者不同百分比进行设定。本文将电能质量指标的评估等级分为5级，评估等级为Q，从Q1-Q5依次递减：优质、良好、一般、合格、不合格。假设待规划地区的光伏资源相似，即日照温度等情况相差不大。各光伏电源的有功出力在同一天的变化相同，其大小跟接入容量大小成正比。首先，对待规划地区进行潮流分析计算，根据待规划地区的光伏发展需求，选择符合电压偏差要求的可接入点；接着，按照基于最大准入容量的光伏电源优化配置模型，采用随机粒子群算法计算出光伏电源接入配网的接入点和接入容量；最后用数据包络分析(DEA)的电能质量评估方法对接入方案中的各接入点进行电能质量评估，如果接入方案中有接入点的电能质量评估指标在第5级，则给出修正方案，最后给出电能质量水平良好的分布式光伏电源接入的规划方案。

结语

分布式光伏系统输出电流的变化会引起系统电压变化，且一般同一区域的光伏电源出力有时具有同步性，这将使电压的波动加剧，电压的大幅度波动会引起配电网系统中无功补偿装置的动作次数增加。总之光伏电源的大规模接入配电网，势必降低电能质量并造成其他不良影响。电网在运行过程中应结合实际情况，加强并提高对分布式电源的管理。

参考文献

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