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摘要：近几年来，随着光伏发电技术的日益成熟以及国家政策的推动，分布式光伏电源并入配电网的规模及数量越来越大。这种完全依赖于自然条件的发电方式会对配电网电压产生很大的影响。本文研究了光伏发电系统的输出特性，通过理论公式推导，得出光伏电源影响配网电压质量的因素，即注入功率的变化、光伏电源的功率因数及所并入系统的短路容量，接着给出解决方案。
关键词：光伏发电；影响因素；电压波动；解决方案
引言
随着社会经济发展，能源及环境问题日益引起全社会的关注，可再生能源的开发与利用显得越来越迫切。在可见的未来，作为人类社会发展基础的能源在结构上将会发生根本性的改变，以化石原料为主体的能源体系将会过渡到以新能源和可再生能源为主体的新型能源体系。分布式光伏发电作为可再生能源的重要组成部分对我国的能源发展至关重要。
太阳能作为一种可永续利用的清洁能源，有着巨大的开发应用潜力，于近年得到迅速的发展，并在世界范围内得到广泛应用。分布式光伏发电特指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。目前应用最为广泛的分布式光伏发电系统，是建在城市建筑物屋顶的光伏发电项目。该类项目必须接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电。如果没有公共电网支撑，分布式系统就无法保证用户的用电可靠性和用电质量。分布式光伏发电是指位于用户附近，所发电能就地利用， 以 10（20）千伏及以下电压等级接入电网，且单个并网点总装机容量不超过 6 兆瓦的光伏发电项目。
光伏发电系统按是否与电力系统相连接可分为离网型光伏发电系统和并网型光伏发电系统。离网型光伏发电系统主要由光伏阵列、蓄电池、电源变换器及负荷构成，其建设主要为解决无电问题，一般应用于偏远山区用户或作为移动便携式电源，供电可靠性较差，易受负荷及环境影响离网运行的分布式光伏对电网没有影响，本文不做考虑。
并网型光伏发电系统与电力系统相连接，将光伏系统所发电能向电网输送，经输电、配电网络分配给用户。与独立型光伏发电系统相比，并网发电系统的优势在于：（1）光伏系统所发电能直接并入电网，节省了储能设备；（2）并网发电能有效改善电网供电质量、提高供电能力（3）并网光伏系统始终运行在最大功率点处，提高了发电的效率；（4）并网光伏系统不仅能够向电网注入有功功率，也可注入无功功率、谐波，能有效抑制电网谐波且补偿一定无功功率。
光伏发电系统并入电网，当自身的容量相对于电网较小时，其对电网稳定性的影响甚微，随着光伏发电在电网电源中比例不断增大，光伏系统对电网的影响逐渐显现，光伏发电系统在向电网提供有功能量的同时，也会对电网带来安全性的危害。随着光伏并网系统的迅速发展，这一问题将会越来越严重，电网从自身安全运行的角度出发，对并网光伏系统提出了新的要求。主要集中在以下几个方面：（1）有功功率独立控制，具备调频特性。（2）无功功率独立控制，具备调压特性。（3）孤岛保护。（4）低电压穿越。（5）电网低频振荡抑制。（6）光伏电站作为整体进行调节。（7）高效变换、有较好的电能质量注入。本文主要研究光伏接入对配电网电压的影响及解决方案。
一、光伏发电对配网电压影响的理论分析：
图1是一个光伏发电的等效电路，当光伏电源注入系统功率改变时，会使线路上的电流产生 的变化。由等效电路，可简单估算光伏电源输出功率产生波动时，在光伏接入点上的电压变化值为：
图1 光伏系统等效电路图
△S 为光伏电源的注入功率变化；
Sk 为光伏电源接入点处短路容量；
为电网等效阻抗；
△I 为线路电流变化量；
θ 为光伏电源功率因数角；
φ 为从光伏接入点看入的电网阻抗角；
U 为光伏接入点电压；
通常线路两端的相位移并不大，因此光伏接入点的垂直分量忽略不计，以水平分量来近似等效该处的电压。以此计算PCC 处相对电压变化率为
由上述分析，光伏电源对配电系统的电压影响与3 个因素有关：注入功率的变化、所并入系统的短路容量及分布式电源的功率因数。
光伏电池出功率输出是不确定的，与天气有很大关系，太阳能光伏发电的实际输出功率随光照强度的变化而变化，白天光照强度最强时，输出功率最大，夜间几乎无光照以后，输出功率基本为零。 并且是非线性的，这种几乎完全依赖天气条件的发电方式，使得光伏发电注入功率具有不确定性，这是造成配电系统电压波动的主要原因。
通过10（6）kV电压等级接入公共电网的光伏发电站，其并网点电压偏差为相应系统标称电压的±7%。通过35kV～110kV电压等级接入公共电网的光伏发电站，其并网点电压偏差为相应系统标称电压的-3%～+7%；事故后恢复电压为系统标称电压的±10%。通过220kV电压等级接入公共电网的光伏发电站，其并网点电压偏差为相应系统标称电压的0%～+10%；事故后恢复电压为系统标称电压的-5%～+10%。通过330kV及以上电压等级接入公共电网的光伏发电站，正常运行方式下，其并网点最高运行电压不得超过系统标称电压的+110%；为了更好的解决光伏并网后配电网电压不稳定问题，我们将在下文详细阐述解决方案。
二、分布式光伏接入配电网电压波动解决方案
目前解决电网电压偏差的主要方法有：接入点电抗器补偿、定功率控制、利用储能系统。下面将进行详细一一分析。
1接入点电抗器补偿
分布式光伏电源并网运行时，采用无功补偿与分布式光伏电源并网发电的复合式调节的控制技术，能够有效改善配电网电压分布。当分布式光伏电源正常发电并网运行时，可以根据配电网的电压调节要求，通过分布式光伏电源与SVC（静止无功补偿装置）补偿装置的复合式调节来调压。SVC可以动态调节无功功率。因此，线路上所传输的无功功率可以由分布式光伏电源和SVC共同提供，也可以由SVC单独提供通过分布式光伏电源与动态无功补偿器SVC补偿装置的复合式调节，使配电线路电压满足供电电压偏差要求。
2.定功率控制
现在太阳能的研究热点是最大功率点追踪（MPPT）控制，但对于电压稳定控制，并不需要光伏电池提供其最大输出功率，而是希望光伏电池提供稳定的输出功率。光伏电池的功率取决于光伏阵列数量、光照、以及温度，所以无法从控制外部条件来实现整个光伏发电系统的功率控制，但是可以通过加装控制装置实现定功率控制。下面对控制方法进行详细阐述：我们可以采用变步长的直接功率反馈控制，这种控制方法是将实时的功率数据与所设置的输出功率数值想比较，用此差值改变BUCK电路的占空比，以达到定功率控制的目的。
直流电源由PV电池板提供，然后通过BUCK降压电路把电压施加在输出负载上，并实时采集负载两端的电压和电流，计算出实时功率，再经过控制电路的控制算法改变BUCK电路的PWM占空比，从而将输出功率控制在预设的数值上，最终实现调节电压的目的。
3.安装储能装置
利用储能系统，光伏阵列保持最大功率输出状态，储能装置通过充放电维持系统功率的平衡，并且保持直流母线电压的稳定通过安装储能装置吸收光伏发电多余电能，并在夜晚或阴雨天气发出电能，解决光伏发电引起的电压越限问题。
最大功率点跟踪（MPPT）装置是保障光伏能源充分利用的必要控制环节，光伏电池阵列具有强烈的非线性特性，它的输出直接受光照、温度、负载等因素的影响，最大功率点跟踪控制可以保证光伏电池阵列在任何条件下始终可以输出相应的最大功率，储能系统是光伏并网发电系统的调节、控制环节，它在光照良好发电充足时将部分电能储存起来，再根据需要在适当时候释放这部分电能，起到稳定光伏电源输出和调节供用电平衡的作用。
定功率控制和安装储能装置方式需要大量投资，经济效益差，作为企业来说经济效益是放在首位的，因此不予以考虑，所以考虑经济效益较好的接入电抗器进行补偿。一般选择经济效益好的静止无功补偿器SVC。SVC安装在线路合适的地点分为两种情况：一种情况是SVC安装在分布式光伏电源并网点；另一种情况是SVC安装在其他需要通过无功补偿进行电压调节的节点（如线路末端等）。对于线路上已经安装了相应的无功补偿装置，考虑在并网点处安装。同时要求客户安装备无功功率调节及电压控制能力的逆变器。通过这两种方式保证分布式光伏电压不越限。
四、结束语
目前，分布式光伏发电在我国仅占极小比例，但可以预计未来的若干年内，分布式电源不仅可以作为集中式发电的一种重要的补充，还将在能源综合利用上占有十分重要的地位。支持分布式光伏并网是国家电网公司对我们企业使命“奉献清洁能源 建设和谐社会”的具体体现，但是支持并网的同时也应不断采取措施使得分布式光伏发电对电网电能质量的影响减少对最小，才能促使分布式光伏并网健康有序发展。
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论文作者:王斌,李志强,崔珊珊,杨林涛
论文发表刊物:《防护工程》2018年第5期
论文发表时间:2018/7/4
标签：光伏论文; 电压论文; 电网论文; 分布式论文; 系统论文; 功率论文; 电源论文; 《防护工程》2018年第5期论文;