分布式光伏发电系统接入煤矿配电网设计与研究

王 振，吴继宗，郝 杨，李 阳

(中煤天津设计工程有限责任公司，天津 300120)

自2020年“双碳”目标提出以来，光伏、风电等新能源确立了未来主体能源的地位，其在能源使用中的占比不断增加。煤矿企业属于耗能较大的企业，年生产能力为800万t的矿井，其年用电量将近2亿kW·h。分布式光伏发电系统一般以直接接入企业内部配电网的方式运行，是有效降低企业能源消费总量的途径。煤矿企业拥有厂房屋顶、排矸场、蓄水池、铁路专用线等大量可用于分布式光伏建设的闲置土地资源，具有较好开发建设条件。

光伏发电系统具有间歇性和波动性，并且系统内具有以电力电子设备为代表的谐波源，会引起配电网电压波动、谐波含量超标等问题[1]，煤矿生产用电负荷中一部分负荷为一级负荷，对供电的可靠性要求较高，上述问题对供电的可靠性具有一定的影响。煤矿企业配电网一般为单端电源放射式供电网络，接入分布式光伏发电系统后，不仅会引起短路电流的增加，还有可能引起潮流逆流，相继带来继电保护调整、电压越限、线路功率越限等问题[10]。因此，合理设计分布式光伏发电系统接入煤矿配电网的并网方案是保证接入后供电可靠性与经济性的关键因素。本文从分布式光伏发电系统接入煤矿配电网的影响分析入手，结合煤矿配电网特点，阐述其接入煤矿配电网的设计原则。

1 运行方式

根据《供配电系统设计规范》(GB 50052—2009)中相关规定，分布式光伏发电系统属于自备电源的一种。对于具备发展分布式电源条件的煤矿，《矿山电力设计标准》(GB 50070—2020)提出可以将其做为自备电源予以应用。从国家规范中的定位来看，分布式光伏发电系统可以以自备电源的形式接入煤矿配电网运行。

煤矿中主要通风机、井下主要排水泵、升降人员的立井提升机等电力负荷为一级负荷，其配电系统具备两回独立的电源，两回独立电源间设有备自投装置，保证一回电源故障后，一级负荷不停电。考虑到光伏发电系统受气象因素影响较大，具有随机、间歇和波动的特点，其接入煤矿配电网后，不作为单独的供电电源使用，其与工作电源并列运行，作为工作电源的补充。当光伏电源故障时，光伏电源立即退出运行，负荷由工作电源供电；当工作电源故障后，并列运行的光伏电源随之退出运行，避免形成非计划孤岛，一级负荷转由备用电源供电。

2 影响分析

2.1 潮流分布改变引起的影响

图1 两端供电网络等效电路图

由式(1)可以看出，分布式光伏发电系统接入后，减少了供电线路上的有功功率的需求，线路末端电压升高，对末端电压起到支持提升的作用，对配电系统而言是有益的。

由式(2)可知，此时线路末端电压将超过首端电压。若原供电线路设计选型合理，在PL

2.2 短路电流增加引起的影响

理论上而言，在系统中接入电源系统，均会造成各支路短路电流的增加。按照《光伏发电系统建模导则》(GB/T 32826—2016)提供的短路计算模型，交流侧短路故障时，逆变器宜等效为一个电流源，其最大输出电流为电流饱和限值Is，Is=kIN，IN为逆变器额定电流，k为逆变器电流饱和系数(典型值取1.2～1.5)。当接入光伏发电系统后，煤矿配电网并网点短路电流值为电力系统提供的短路电流+1.5倍光伏发电系统额定工作电流[11]。对于分布式光伏发电系统，受可利用土地面积及电网接入政策限制，其安装容量不会太大，本文选取几个典型容量进行计算，计算结果详见表1。

由表1计算结果可知，光伏发电系统对短路点贡献的短路电流不大，最大值在2kA左右，叠加上系统短路电流后，一般也不会超过设备的短路水平。随着并网电压等级的升高，短路电流的贡献值更小。对于继电保护整定值而言，通过互感器变比及相关系数的影响作用，通常情况，2kA级别的扰动不会影响其动作的可靠性与灵敏性。

2.3 光伏功率波动与谐波源注入的影响

分布式光伏发电系统功率的波动是引起配电网电压波动的根本原因。电压波动的大小要综合考虑光伏功率波动大小、并网点短路容量、系统等效阻抗比、光伏功率因数等因素[1]。文献[1]提供了分布式光伏功率波动引起配电网的电压波动的公式：

由式(4)可知，并网点电压波动随着光伏功率波动量的增大而增大，其与并网点短路容量成反比。

光伏电源可等效为内阻无穷大的谐波电流源，分布式光伏发电系统并网时会向电网注入谐波，造成电网的谐波污染[1]。根据文献[1]提供的方法，绘制图1电路所对应的谐波等效电路，如图2所示。图中角标h代表h次谐波对应的数值。

图2 谐波等效电路

当分布式光伏接入配电网时，光伏并网点的谐波电压最高[1]。并网点谐波电压公式为：

由式(5)可知，并网点谐波电压与负荷阻抗、系统阻抗均成正比关系。

3 设计原则

本文通过对接入模型的定性分析可知，虽然光伏系统接入后会引起短路电流增加，但其影响较小。潮流分布改变、光伏功率的波动及谐波源的注入是光伏发电系统接入后对既有配电网产生影响的主要因素。充分利用煤矿配电网既有特性，合理地设计接入并网方案，不仅可以避免或减少接入后的不利影响，也可以避免既有配电网的大范围改造。结合煤矿配电网特点及光伏接入后的影响，接入系统的设计原则如下：

3.1 保证并网点具有足够的消纳能力

潮流分布的改变与既有负荷大小密切相关。煤矿企业用电负荷较大，分布式光伏的安装容量较小，整体上看，煤矿负荷具备完全消纳光伏电量的能力，但从局部上看，也存在无法完全消纳的负荷节点。根据此特点可以看出，在煤矿配电网中至少有一个可以完全消纳光伏电量的节点。利用此节点作为并网点，可以保证潮流的分布不发生改变，进而避免产生线路功率越限、电压越限。

文献[6]、文献[10]针对分布式光伏接入公用配电网进行了分析，提出了分布式电源总容量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内最大负荷的25%的原则性接入条件。通过文献6提供的分析算例可看出，此结论建立在电网负荷变化较大的基础上，轻载状态接入光伏容量可达到变压器额定容量，重载状态下接入光伏容量超过25%则会出现电压越限[6]。煤矿配电网中负荷运行较为稳定，通过典型日负荷运行情况可以便利地判断光伏功率消纳比例，因此，可以突破25%变压器最大负荷的限制。

分布式光伏一般依托于建筑物屋顶安装，布局分散，单点并网物理连接困难，会采用多点并网的方式，此情况下，潮流分布更加复杂，引起的线路功率越限、电压越限情况难以准确计算与预测[6]。当并网点的消纳比例控制在100%时，则可以避免多点接入的复杂影响，依托煤矿用电负荷较大的特点，完全消纳的并网点是较为容易寻找的。矿井配电接线形式以放射式为主，负荷侧至电源侧一般分为建筑内380V配电室、区域10/0.4kV变电所、110(或35)/10kV总降站三个层级的配电点，并网点选择可按照“就近消纳、逐级上溯”的方法，由光伏安装位置的负荷侧向电源侧逆潮流方向选择，这样可兼顾技术性与经济性。

3.2 合理控制短路比

从前面分析可以看出，电压波动与光伏功率波动量、等效阻抗比和短路容量有关，光伏功率波动量与天气状况、天体运动、污染情况密切相关，很难做到人为干预；等效阻抗比与光伏组件、逆变器、电缆的固有参数有关，也难以做到有效控制；短路容量与既有配电网的参数相关，通过并网点的选择可以进行调整。对于谐波电压，其与负荷阻抗、系统阻抗有关，既有负荷阻抗与设备参数有关难以调整，系统阻抗与短路容量相同，通过并网点的选择同样可以进行调整。

4 结 论

1)分布式光伏发电系统不作为单独的电源使用，其与工作电源并列运行，作为工作电源的补充。

2)分布式光伏发电系统接入煤矿配电网后，潮流分布的改变、光伏功率的波动及谐波源的注入是产生不利影响的主要因素。

3)通过合理设计接入系统方案，利用煤矿配电网内既有负荷与短路电流进行限制，可以有效避免接入后产生的不利影响。

4)接入系统的设计原则：采用“就近消纳、逐级上溯”的原则选择接入方案，实现光伏电量在并网点100%消纳，避免潮流逆流；采用分布式光伏发电系统额定电流与并网点最小三相短路电流之比低于10%的原则校验接入方案，以保证电压波动与谐波含量不超标。