Качество электроэнергии в распределительной сети при интеграции солнечных электростанций

В данном исследовании рассматриваются проблемы качества электроэнергии (ЭЭ), возникающие при массовом присоединении солнечных электростанций (СЭС) к низковольтным распределительным сетям. Путем создания детальной имитационной модели в работе проводится системный анализ влияния трех типовых случаев интеграции СЭС на ключевые показатели качества ЭЭ: напряжение, частоту, несимметрию трехфазных напряжений и гармонические искажения. Результаты показывают, что подключение СЭС к одной фазе является основной причиной серьезного ухудшения качества ЭЭ. В то время как равномерное распределение СЭС по трем фазам позволяет существенно улучшить ситуацию по отдельным параметрам, однако при высокой степени проникновения сохраняются риски превышения допустимых отклонений напряжения и уровня несимметрии. Соотношение между нагрузкой и генерируемой мощностью служит ключевым фактором, определяющим направление и величину изменения напряжения, а резонансные явления являются основной причиной нелинейного ухудшения гармонических искажений.

Го Л., аспирант кафедры ГВИЭ ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»
Васьков А.Г., к.т.н., доцент, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Системы управления солнечно-дизельными комплексами» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

В Российской Федерации под термином «солнечная микрогенерация» обычно понимается система на основе солнечных панелей мощностью до 15 кВт при трехфазном подключении и до 5 кВт при однофазном, предназначенная для частных домостроений. Такая система работает совместно с центральной электросетью: она снижает потребление энергии из сети, позволяет передавать в нее излишки и тем самым снизить расходы на электроэнергию (ЭЭ) [1].

Интеграция значительного количества солнечных электростанций (СЭС) создает серьезные вызовы для распределительных сетей. К ним относятся отклонение напряжения, колебания частоты, несимметрия трехфазного напряжения и повышенные гармонические искажения, что в целом ведет к ухудшению качества ЭЭ.

После интеграции СЭС электросеть трансформируется из однонаправленной радиальной структуры в активную сеть с большим количеством источников. Традиционные потоки мощности от высшего к низшему напряжению становятся двунаправленными. Обратная передача мощности от СЭС в сеть при низком потреблении является ключевым фактором, вызывающим повышение напряжения в близлежащих узлах сети. Напряжение в узле больше не определяется исключительно подстанцией и нагрузкой. Оно становится функцией локальной генерации. Это может вызывать рост напряжения вдоль линии, противоположный традиционному падению напряжения [2].

Основными параметрами, напрямую определяющими степень и характер отклонения напряжения, являются [3–5]:

• установленная мощность СЭС — чем выше мощность СЭС относительно предельно допустимой мощности фидера, тем значительнее превышение напряжения;
• точка подключения — наиболее выраженные проблемы с повышением напряжения обычно возникают в удаленных концах слабых (с высоким импедансом) распределительных фидеров, где эффект от передачи мощности в сеть максимален;
• соотношение генерации и нагрузки — режим, когда местная генерация превышает местное потреб ление, является наиболее критическим с точки зрения роста напряжения.

Основным показателем для анализа характеристик напряжения является отклонение напряжения:

Массовое подключение СЭС к распределительным электросетям нарушает существующий баланс мощности и работу систем регулирования частоты, оказывая многоаспектное влияние на колебание частоты этих сетей.

Резкое увеличение мощности СЭС при неизменной нагрузке в электросети распределения приводит к кратковременному повышению частоты. Для устранения этого явления требуется быстро отключить часть источников энергии или увеличить потребление нагрузки. В случае резкого уменьшения мощности СЭС при неизменной нагрузке необходимо быстро компенсировать дефицит за счет других источников энергии [6, 7].

Основным показателем при исследовании частоты является отклонение частоты:

Более того, большинство СЭС подключаются к сети однофазно [8]. Массовое подключение таких установок увеличивает несимметрию трехфазных напряжений в распределительных электросетях. Данная неравномерность, а также усиление гармоник косвенно влияют на стабильность частоты. При подключении большого количества СЭС к сети необходимо использовать множество силовых электронных преобразователей (преимущественно инверторов), которые являются нелинейными элементами и вызывают искажения форм сигналов напряжения и тока, а также приводят к появлению гармоник в сети [9–11]. Основным показателем при исследовании гармоник является коэффициент суммарных гармонических искажений (Total Harmonic Distortion, THD) [12, 13].

Ключевые факторы, влияющие на несимметрию трехфазных напряжений, приведены в таблице 1 [14–16].

Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности (K_2U) — это показатель качества ЭЭ, определяющий степень неравенства фазных напряжений и углов между ними в трехфазной системе:

где U₁ — прямая последовательность напряжений; U₂ — обратная последовательность напряжений.

На основании анализа литературных источников [17–21] методы решения проблем качества ЭЭ могут быть обобщены в таблице 2.

Актуальность углубленного изучения сетевой интеграции однофазных СЭС обусловлена их массовым распространением, контрастирующим с недостаточным объемом специализированных исследований. В отличие от хорошо изученных трехфазных систем, массовое подключение однофазных СЭС приводит к более острым проявлениям проблем качества ЭЭ. Следствием этого является настоятельная потребность в целенаправленных исследованиях, призванных предложить эффективные решения.

Требования к качеству ЭЭ для СЭС в России в основном регламентируются национальным стандартам ГОСТ 32144-2013 [22] и приведены в таблице 3.

Для проведения исследования в качестве примера была выбрана распределительная сеть 0,4 кВ, расположенная в поселке Люберецкого района на территории Москвы.

Для анализа влияния однофазных СЭС на качество ЭЭ авторами была создана имитационная модель электросети в программном комплексе PSCAD. Модель СЭС, подключенной к распределительной сети, определяется шестью параметрами: температурой в реальном времени T, интенсивностью в реальном времени S, индуктивностью L преобразователя (boost), емкостью выходного конденсатора C преобразователя (boost), коммутационной частотой f_sw, емкостью конденсатора инвертора C_dc (рисунок 1). Целью работы является изучение воздействия различных сценариев интеграции СЭС (подключение всех однофазных СЭС к одной фазе, равномерное подключение СЭС по трем фазам и изменение соотношения P_СЭС/P_НГ) на напряжение, частоту, гармоники и несимметрию трехфазного напряжения.

Рассматриваемая распределительная сеть 0,4 кВ представлена на рисунке 2. Сеть включает в себя четыре распределительные линии напряжением 0,4 кВ. К каждому узлу сети подключены нагрузки и СЭС. Таким образом, всего имеется 60 нагрузок и 60 СЭС. В обозначениях схемы: ТР — трансформатор; L1, L1.2, … — провод; П 1.2, П 1.3, … — потребитель (место подключения СЭС и нагрузок). На линии 1 подключены 21 СЭС, на линии 2 подключены 8 СЭС, на линии 3 — 15, на линии 4 — 16. Для упрощения анализа предполагается, что нагрузка всех узлов является трехфазной и симметричной, с одинаковыми значениями активной (2,5 кВт) и реактивной (0,2 кВАр) мощности для первого и второго сценариев. Данное допущение позволяет изолированно оценить влияние несимметрии, вносимой СЭС. Для сценария с отключенными СЭС все показатели соответствовали нормам.

1. Все СЭС подключены к одной фазе

Все СЭС подключены к фазе А, и мощность каждой отдельной СЭС варьировалась в диапазоне от 1 до 5 кВт. На основе полученных результатов (таблица 4) построена диаграмма, показанная на рисунке 3.

На основании предоставленных данных в соответствии с требованиями российского стандарта можно сделать следующие выводы. При всех рассмотренных значениях мощности СЭС наблюдается серьезное ухудшение ключевых показателей качества ЭЭ, причем наиболее критические отклонения зафиксированы по коэффициенту несимметрии напряжений и суммарному коэффициенту гармонических искажений. Значения K_2U, составляющие от 27,38% до 35,11%, многократно превышают установленное нормой предельное значение в 4%, что является прямым следствием несимметричного подключения однофазных СЭС к трехфазной сети, приводящего к сильному дисбалансу фаз. Показатель THD также превышает допустимые 8%, демонстрируя четкую тенденцию к росту — от 12,19% до 23,62% при росте мощности каждой СЭС с 1 кВт до 5 кВт.

Подключение СЭС также существенно влияет на напряжение в сети. С ростом мощности СЭС отклонение напряжения уменьшается. Превышение установленного стандартом предела в 10% наблюдается лишь при мощностях, равных 1 кВт и 2 кВт.

Как показано в таблице 4, диапазон колебаний частоты составил от —0,97 до 0,97 Гц, что превышает установленный нормой предел ±0,4 Гц. Таким образом, полученные результаты подтверждают, что массовое подключение однофазных СЭС создает комплексные проблемы для распределительной сети, основными из которых являются недопустимая несимметрия, высокий уровень гармоник и колебания напряжения. Это обусловлено фундаментальным несоответствием между традиционно симметричной архитектурой сети и хаотичным однофазным характером интеграции СЭС. Поэтому целесообразно избегать централизованного подключения СЭС к одной фазе, отдавая предпочтение равномерному трехфазному подключению, при котором мощность солнечных установок распределяется между фазами A, B и C в равномерных пропорциях при симметричной нагрузке потребителей.

2. СЭС распределены по трем фазам

На основании показателей раздела 1 СЭС распределяются между фазами А, В и С в равномерных пропорциях (все 60 СЭС распределяются по 20 на фазу). Мощность каждой отдельной СЭС варьируется в диапазоне от 1 до 5 кВт.

Полученные результаты для каждого показателя в общей точке подключения отражены в графике рисунка 4.

При трехфазном равномерном подключении отклонение напряжения демонстрирует стабильный линейный рост с увеличением мощности СЭС — с +2,75% при 1 кВт до +10,50% при 5 кВт. Данная тенденция свидетельствует о том, что равномерное распределение мощности между фазами приводит к плавному повышению уровня напряжения во всей сети. Однако при максимальной мощности (5 кВт) отклонение напряжения незначительно превышает установленный российским стандартом верхний предел в +10%.

Несмотря на применение равномерного распределения однофазных СЭС по трем фазам, коэффициент несимметрии трехфазных напряжений остается критическим. Его значение возрастает с 7,24% (при 1 кВт) до 12,36% (при 5 кВт), существенно превышая норматив ≤4% на всех рассмотренных уровнях мощности. В сравнении с высокой несимметрией при однофазном подключении (K_2U достигал 27–35%), трехфазное равномерное подключение позволило снизить данный показатель примерно на 60–65%, что является значительным улучшением. Это подтверждает, что равномерное распределение СЭС по фазам является одной ключевой мерой для смягчения проблемы несимметрии, но его недостаточно для полного соответствия исключительно жестким требованиям национального стандарта.

Во всех случаях трехфазного равномерного подключения диапазон отклонения частоты оставил от —0,15 до +0,17 Гц, что полностью удовлетворяет требованию российского стандарта. В сравнении с данными предыдущего однофазного централизованного подключения, диапазон колебания частоты при трехфазном равномерном подключении является более узким, а их пиковые значения — более низкими.

Поведение коэффициента суммарных гармонических искажений имеет выраженную двухфазную динамику. При мощности СЭС от 1 до 4 кВт уровень THD сохранялся на отличном уровне от 2,10% до 4,04%, что значительно ниже предельного значения в ≤8%. Однако при увеличении мощности каждой СЭС до 5 кВт показатель THD резко возрастает до 14,84%, что является значительным превышением нормы. В сравнении с устойчивой тенденцией к ухудшению при однофазном централизованном подключении (рост с 12,19% до 23,62%), трехфазное равномерное подключение обеспечивает принципиальное улучшение при мощности каждой СЭС от 1 до 4 кВт, сохраняя уровень гармоник на очень низком уровне. Однако на высоком уровне мощности (каждой СЭС 5 кВт) при трехфазном равномерном подключении возникает проблема превышения THD.

Трехфазное равномерное подключение по фазам (в сравнении с однофазным централизованным) демонстрирует существенную эффективность в улучшении качества ЭЭ при интеграции СЭС. И тем не менее не позволяет полностью решить все проблемы соответствия стандартам: коэффициент несимметрии напряжений устойчиво превышает национальные нормативы при разных мощностях СЭС.

3. Изменения соотношения мощности СЭС и мощности нагрузки

В данном разделе проводится углубленный анализ влияния соотношения мощности СЭС и мощности нагрузки (доля СЭС) на ключевые показатели качества ЭЭ в сети. Установленные значения данного соотношения для различных рассматриваемых вариантов представлены в таблице 5.

На основании полученных результатов построен график значений отклонения напряжения (рисунок 5).

Когда P_СЭС/P_НГ < 1, напряжение снижается; когда P_СЭС/P_НГ > 1, напряжение повышается; а при их балансе P_НГ/P_СЭС = 1 напряжение наиболее близко к номинальному значению. Коэффициент P_СЭС/P_НГ определяет направление и характер отклонения напряжения, в то время как абсолютное значение установленной мощности СЭС усиливает этот эффект — чем больше мощность, тем значительнее вызванные ей изменения напряжения. В районах с высокой долей СЭС в периоды низкой дневной нагрузки (когда коэффициент P_СЭС/P_НГ слишком большой) существует высокая вероятность превышения верхнего допустимого предела напряжения из-за интенсивной обратной передачи мощности.

На основании значений коэффициента несимметрии напряжений построен график, представленный на рисунке 6.

При фиксированной мощности СЭС с увеличением соотношения P_СЭС/P_НГ коэффициент несимметрии напряжений в целом имеет тенденцию к увеличению. При фиксированном соотношении P_СЭС/P_НГ зависимость коэффициента несимметрии напряжений от мощности СЭС не является простой линейной, а демонстрирует сложное нелинейное поведение.

В случае P_СЭС/P_НГ = 2,0 и P_СЭС = 3 кВт коэффициент несимметрии напряжений аномально возрастает. В то же время рабочие точки, удаленные от резонансной частоты (как в том же соотношении при P_СЭС = 5 кВт), демонстрируют нормальные значения.

При различных значениях мощности СЭС и соотношениях нагрузок в данном случае значения коэффициента несимметрии напряжений, находящиеся в диапазоне от 9,08% до 30,11%, существенно превышают установленный российским стандартом предел (≤4%). Это подтверждает, что в условиях существующей типовой структуры распределительной сети и при преобладающей модели однофазного подключения СЭС удовлетворить столь жесткие требования по несимметрии лишь за счет регулирования уровня генерируемой мощности или соотношения нагрузок не представляется возможным.

На основании значений THD построен график, представленный на рисунке 7.

При фиксированной мощности солнечной электростанции, когда P_СЭС/P_НГ = 1, THD сохраняется на исключительно низком уровне (<2%); однако при снижении этого соотношения до P_СЭС/P_НГ = 2 THD резко ухудшается. Резкие изменения THD вызваны не изолированным влиянием мощности СЭС или соотношения нагрузка/генерация, а тем, возбуждает ли рабочая точка системы параллельный или последовательный резонанс в сети. При фиксированном соотношении P_СЭС/P_НГ зависимость THD от мощности СЭС не является монотонной — напротив, наиболее сильные искажения наблюдаются при низкой мощности (например, 1 кВт), достигая 29,29% при P_СЭС/P_НГ = 2, в то время как при мощности 3–5 кВт THD значительно улучшается. Это дополнительно подтверждает доминирующую роль резонанса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

На примере распределительной сети 0,4 кВ поселка Люберецкого района на территории Москвы проведено моделирование на платформе PSCAD, которое позволило всесторонне оценить влияние однофазных СЭС на показатели качества ЭЭ. Анализ трех случаев интеграции — концентрационного подключения к одной фазе, равномерно�