光伏并网对电能质量影响的仿真分析及治理对策

方 谦

（长江水利水电开发集团（湖北）有限公司，湖北武汉 430000）

0 引言

随着近几年经济的快速发展，电网规模不断扩大，用电总量迅速增加。传统的集中式电站由于面积大、投资高，大多位于偏远地区，不仅成本高，输送距离远，而且很容易出现弃光等现象。而分布式能源通常分配在用户附近，主要在用户侧运行并把多余的电能输送到电网。传统式电网由于规模庞大，往往建设在空旷地段，远距离输电增加了电能损耗，为了就地实现能源的开发和利用，减小电能损耗，分布式电源不失为一种最好的选择[1-2]。

但是，太阳能等可再生能源发电系统的运行方式易受天气等自然因素的影响，具有不确定性，导致分布式系统的输出功率不稳定，严重影响配电网的电能质量。同时，光伏发电系统中有许多非线性电力电子器件，导致配电网有很多高次谐波分量注入[3-4]，从而导致电网的谐波污染。因此，研究分布式电源并网后对电能质量的影响是必不可少的。本文基于这种背景，对光伏发电并网后对配电网电能质量所产生的影响进行了建模分析，并根据仿真结果提出了合理、经济的治理方法。

1 国内外研究现状

国家发改委在《分布式生产管理暂行办法》中对分布式生产的定义进行了界定，但该定义并不是严格的技术定义，难以按定义编制我国分布式生产统计数据。目前，据中国供电企业不完全统计，从2018年起，中国累计装机容量达到174 GW，其中集中发电厂123.8 GW，分布式光伏发电厂50.6 GW，占全部发电量的29.08%，占水电、核能等清洁能源消费总量的22.1%[5]。

欧洲装机容量的扩大内容主要是可再生能源，其扩大内容的最终目标是大力发展分布式电源生产，而不是大规模集中生产。德国在世界上拥有4 000多万kW的分布式电源发电量，其2/3的发电厂都建设成了分布式系统结构，近年来，分布式系统已成为德国可再生能源开发和利用的最重要途径[6]。

虽然分布式电源有很多优势，被很多国家优先考虑，但是分布式发电技术仍然处于萌芽阶段，还需要国家和相关技术人员的大力支持，为分布式电源的快速发展提供保障。

2 光伏发电系统模型的建立

2.1 光伏发电系统组成

光伏发电系统一般由把光能转换为电能的光伏列阵、用于信号输送的控制器、储蓄多余电能的蓄电池组、将直流逆变成交流的逆变器等装置组成[7]，其结构如图1所示。

光伏并网系统由于环境光照强度的不稳定使得入射到光伏列阵的光照强度发生变化，从而导致功率点的电压不断变化。为了提高发电量，并保证太阳能电池板在任何光照强度下都能工作在最大功率点处，国内大多数厂家采用了目前世界上最先进的MPPT最大功率追踪技术，大大提升了发电效率，用户的收益得到保障。

2.2 光伏电池等效电路结构

光伏电池包含许多用于光电转换的P-N结。在足够的光照下，光照射到N区域的表面，激发价电子向正极移动，在P-N结两侧累积足够的正负电荷，产生电动势，即所谓的“光伏效应”[8]。

图2为光伏列阵等效电路图[9]。图中Isc为光感应电流，其大小与光伏列阵的光伏电池个数、光照面积及强度有关，与外部电路无关；Rsh为旁路电阻，表示光伏电池的并联电阻，与泄漏电流成反比关系，通常为几千欧姆；Rs为串联电阻，代表对电流的阻碍作用，通常小于1 Ω；V和I分别是光伏组件模块的输出电压和电流；Ish为太阳能电池自身的泄漏电流；Id是暗电流，暗电流是单向电流，当太阳能电池不暴露在光照下时，它会在外部电压下流经P-N结。

2.3 光伏电池数学模型的建立

由图2可以得到，当光伏电池处于发电过程中时，输出电流表达式为：

将式（2）和式（3）与式（1）联立，便可得到分布式光伏发电过程中光伏电池的I-V输出特性，其表达式为：

式中：Isc为光伏电流；Io为二极管饱和电流，约为10-4A；A为二极管系数；K为玻耳兹曼常数，约为1.38×10-23J/K；T为实际电池温度；q为电子电荷常数，约为1.6×10-19C；V为输出电压；I为输出电流；Rs为串联电阻；Rsh为并联电阻。

显然，式（4）已经反映出了光伏电池的工作原理，但考虑到该公式的一些参数不仅仅与太阳能光伏电池自身温度和太阳光辐射强度有关，还与各个生产太阳能光伏电池的厂商所使用的材料材质有关，因此对式（4）进行一定程度的改进后，得到光伏电池的实用型物理模型[10]，如式（5）所示：

式中：Iph为光伏电池中的光生电流；Voc为光伏电池中的开路电压；C1和C2为光伏电池出力的修正系数。

当功率位于运行状态的最大点时，可以得到式（6）所示的修正系数C1；当处于开路状态时，可以得到式（7）所示的修正系数C2。

式中：Im为峰值电流；Vm为峰值电压。

当外界环境发生变化时，Im、Vm、Iph和Voc这四个参数值会按照一定的规律发生变化，此时若想得到光伏电池的准确出力数据就需要变化相应的修正系数，进而得到在不同光照强度S以及温度T下的Iph′、Voc′、Im′和Vm′，表达式如式（8）所示：

式中：ΔT为环境温度与标称温度差值；T为环境温度；Tr为标称温度，Tr=25 ℃；ΔS为环境光照强度与标称光照强度差值；S为环境光照强度；Sr为标称光照强度，Sr=1 000 W/m2；α为电流-温度修正系数，α=0.003；β为电压-温度修正系数，β=0.004；γ为光照强度修正系数，γ=0.5。

太阳能光伏电池的运行特性受光照强度和温度的影响较大，结合上述数学表达式，得到光伏阵列的输出特性，如图3、图4所示。

图3 不同温度、光照强度下太阳能光伏电池的I-U特性曲线

图4 不同温度、光照强度下太阳能光伏电池的P-U特性曲线

由图3可知，在同一光照强度下，保持输出电压不变，光伏电池的输出电流随着外界温度的增强而增大，保持输出电流不变，光伏电池的输出电压随着温度的增大而减小，根据分析得出其输出功率必然有一个最大值。同理，在同一温度下，光伏电池的输出电流随着光照强度的增强而增大，输出电压随着光照强度的增强而降低。由图3还可以看出，当电压值偏小时，可以把光伏电池看作是一个恒定电流源[11]。

由图4可知，在外界温度一定的情况下，光照强度越强，光伏电池输出功率越大，而光伏电池电压也逐渐增大。在光照强度一定的情况下，光伏电池的最大输出功率不随温度的变化而变化，即在任何温度下，只要光照强度确定了，光伏电池的最大输出功率就确定了[12]。

3 光伏并网对电能质量影响仿真分析及治理对策

3.1 光伏并网对电能质量影响的仿真分析

本文设计配电网电压等级为10 kV，线路采用LGJ-150 mm型架空线，设置相邻两个节点之间的距离为1 km，为了简化计算，负荷用三相对称的恒定功率静态模型，且不考虑三相之间的互感作用。搭建的光伏并网仿真系统如图5所示。

图5 含光伏发电系统的配电网仿真模型

3.1.1 改变光伏并网位置

光伏发电系统容量大小设置为6 MW，光照强度设置为1 000 W/m2，温度设置为25 ℃，将光伏电源分别接入1～6号节点，即改变光伏系统的并网位置，然后测量光伏电源不同并网位置下各节点电压值的波动与谐波电压畸变率。具体数据如表1、表2所示。

表1 并网位置不同时各节点电压值 单位：kV

表2 并网位置不同时各节点THD%

3.1.2 改变光伏容量并网

设置每个光伏列阵的工作温度为25 ℃，光照强度1 000 W/m2，光伏容量为0.047 MW，在无功功率很小的情况下，可以通过增大光伏系统的输出功率来实现光伏系统的不同容量。分别测量容量大小为1～6 MW的光伏系统接入节点4后，对各个节点电压值的影响以及各个节点的谐波电压畸变率。数据记录如表3、表4所示。

表3 并网容量不同时各节点电压值 单位：kV

3.1.3 影响分析

由图6可知，光伏系统接入配电网的不同位置时，公共接点处的电压几乎不变，而光伏系统接入配电网末端时，各节点电压提升最明显。可见光伏发电系统接入对线路末端和中段的节点提供了电压支撑，从而改善了配电网电压质量。

图6 光伏并网位置不同各节点ΔU

由图7可知，对于节点1位置接入光伏发电系统的情况，配电网各节点的谐波畸变率几乎没有变化，注入系统的谐波分量对电网造成的影响最小。光伏发电系统的并网位置越靠近线路末端，节点的谐波畸变率变化越明显。

由图8可知，光伏系统的容量对配电网节点电压的大小有重要的影响，接入配电网的光伏系统容量越大，对各个节点电压大小的影响越明显，并网点的位置越靠近配电网支路末端，各个节点电压的波动越大。总之，光伏系统容量越大，并网位置越靠近支路末端，对系统各个节点的电压影响越明显。并网位置和分布式电源容量的大小决定了电压升降的程度。

综上所述，光伏发电系统并网后对配电网电能质量的影响有以下几点：

1）分布式电源的并网位置越接近支路末端节点，配电网线路各节点电压被抬高的程度越大。

2）配电网线路各个节点电压的波动量与光伏发电系统的并网容量呈正相关。

3）光伏并网给配电网带来的谐波量随着光伏并网容量的增加而增大。

4）光伏发电系统引入的谐波量大小与并网位置有关。光伏发电系统并网位置越接近支路末端，所引入的谐波量大小对配电网的影响就越大，且在公共接点处接入分布式电源对配电线路的影响最小。

因此，控制好分布式电源的并网位置和并网容量是平衡系统电压的有效途径。设置好相关参数，建立精准可靠的分布式发电系统，分布式电源并网后对配电网造成的电压波动量和谐波畸变率都能符合国家标准要求，从而有效改善线路末端的电压水平。

3.2 光伏并网对电能质量影响的治理对策

对系统电能质量的治理主要包含电压质量和谐波两个方面：

1）电压质量方面。系统电压质量治理的主要方式是优化配电网结构，合理规划布置系统网络结构构架，预留未来可能增加的容量。分布式电源并网最适合的位置是线路中间偏前的节点，但是综合谐波影响考虑，分布式电网并网位置最好选用公共节点，这样既不会引入大量的谐波电流，又能够提升电能质量。

2）谐波方面。通过分析可知，在含分布式电源的配电网中，谐波含量的大小与分布式电源并网位置有极大的关系，并网位置越靠近公共母线，配电网受到谐波带来的影响越小；相反，并网位置越靠近支路末端，配电网受到谐波带来的影响越大。综上所述，单从谐波考虑，光伏发电系统适合在线路靠近公共母线的节点处并入配电网。实际上，系统谐波治理的主要方式就是通过改变变压器接线组别来抑制用户的输入谐波。

4 总结及展望

本文对光伏分布式电源及其对配电网性能的影响进行了仿真分析，但是由于笔者自身能力不足以及知识面限制，对分布式电源并网时的性能质量分析仍然存在许多不足，例如涉及的分布式电源类型仅限于光伏发电系统，仅对光伏分布式能源并网时对配电网的影响进行了建模和仿真。实际上，多种分布式电源可以同时并网，在此基础上，需要考虑如微型涡轮机和燃料电池等多种类型的分布式电源，考虑各种类型的分布式电源交叉接入配电网对电能质量的影响。针对多种分布式电源同时并网如何选择控制策略以及它们之间如何相互配合才能使得对配电网电能质量的影响程度最低等相关问题，仍需进一步开展深入研究。