分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網的影響與對策

劉 潔，袁松振，楊海柱

（1．河南理工大學 計算機科學與技術學院，河南 焦作454000；2．河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作454000）

0 引 言

近年來，中國的光伏產業(yè)發(fā)展迅速，隨著國家對新能源產業(yè)支持力度的加大，尤其是“金太陽工程”的實施，光伏產業(yè)在政策面上將會得到更大力度的支持。根據(jù)中國2007年制定的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，2020年太陽能發(fā)電總容量將達180萬kW。按照最近的專家預計這一數(shù)字有望達到1000萬kW。這就意味著有越來越多的分布式光伏電源接入到配電網中，對傳統(tǒng)的配電網提出了新的挑戰(zhàn)。

對于配電網絡而言，由于光伏并網發(fā)電的特性有別于常規(guī)發(fā)電方式，因此有必要通過分析光伏發(fā)電的特性，采用新方法、新技術，在充分發(fā)揮出光伏電源作用的同時，將光伏電源對配電網的影響減到最小。

1 分布式光伏發(fā)電的技術特點

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)有兩種并網形式：其一是通過低壓線路接入配電網；其二是經過變壓器升壓接入到高壓電網。前者是農村屋頂光伏電源或者是城市小規(guī)模光伏建筑電源；后者則是很多光伏電站的選擇。其基本結構如圖1所示。

圖1 分布式光伏發(fā)電并網結構圖

從圖1可以看出，分布式光伏發(fā)電主要包括太陽能電池板、最大功率點跟蹤（MPPT）、逆變器、變壓器以及控制系統(tǒng)等。對于一些偏遠的電網不穩(wěn)定地區(qū)，往往還有儲能電池，以為備用。而在并網系統(tǒng)中，逆變器又是整個系統(tǒng)的重中之重，它之后一般還要帶有一個濾波器，使輸出的波形較為平滑，往正弦波靠攏。目前的并網逆變器是通過控制輸出電流的幅值、頻率和相位三要素參量跟蹤并網點電壓來實現(xiàn)并網和功率輸出。

并網光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)容量的大小，可以有多種不同電壓等級的并網形式。如云南電網公司在云電科技園建設的160 kW光伏發(fā)電項目采用的380 V低壓并網方式；上海崇明島1 MW光伏發(fā)電項目則采用10 kV電壓等級并入電網。

通過對光伏系統(tǒng)的分析計算，可以發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電具有以下特點：

（1）光伏發(fā)電受外界天氣條件影響極大，發(fā)電功率會隨著天氣的變化而劇烈地變化，夏天的多云天氣尤為明顯，其功率在瞬間的輸出變化率甚至能超過10%。

（2）現(xiàn)有主要的并網逆變器的控制方式基本上都是通過控制輸出電流以跟蹤并網點電壓，達到并網的目的。其輸出為純有功功率，功率因數(shù)接近1，沒有對電網功率因數(shù)調節(jié)的能力。

（3）由于光伏發(fā)電輸出功率的快速波動性，當進行大容量并網的時候，就要通過旋轉發(fā)電機的工作來進行功率調整的補償，這樣就增加了一個合理安排發(fā)電計劃的研究課題。

（4）隨著逆變器輸出負載的變化，諧波也隨之發(fā)生變化，在輸出減小到額定輸出的90%時，其輸出電流THD甚至會達到20%以上，這樣就會對電網產生污染。

（5）并網逆變器的抗孤島保護功能與負荷狀況的相關性：隨著并網容量不斷加大，光伏并網系統(tǒng)中會有多種類型的并網逆變器（不同保護原理）接入同一并網點，導致互相干擾，同時在出現(xiàn)發(fā)電功率與負載基本平衡的狀況時，抗孤島檢測的時間會明顯增加，甚至可能出現(xiàn)檢測失敗。

由以上光伏發(fā)電的特性可知，現(xiàn)有的光伏并網系統(tǒng)并不是“電網友好型”電源，它與傳統(tǒng)火電、水電、乃至新興的風電、生物質能都有很大的不同，當其接入電力系統(tǒng)時應就相關問題進行專門的研究。

2 分布式光伏電源接入配電網的相關問題

大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入，不可避免地會對傳統(tǒng)電網的規(guī)劃設計、調度運行等多方面產生影響。研究和掌握這些影響，為下一步電網根據(jù)自身安全穩(wěn)定運行需要，提出并制定PV并網的相關技術要求，是一項非常有意義的工作。

2．1 對電壓的影響

集中供電的配電網一般呈輻射狀。穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，電壓沿饋線潮流方向逐漸降低。接入光伏電源后，由于饋線上的傳輸功率減少，使沿饋線各負荷節(jié)點處的電壓被抬高，可能導致一些負荷節(jié)點的電壓偏移超標，其超標量與接入光伏電源的位置及總容量大小密切相關。通常情況下，可通過在中低壓配電網絡中設置有載調壓變壓器和電壓調節(jié)器等調壓設備，將負荷節(jié)點的電壓偏移控制在符合規(guī)定的范圍內。另外，合理設置光伏電源的運行方式也很重要。在正午時分，光伏電源出力通常較大，若線路輕載，光伏電源將明顯抬高接入點的電壓。

光伏電源對電壓的影響還體現(xiàn)在可能造成電壓的波動和閃變。由于光伏電源的出力隨入射的太陽輻照度而變，可能會造成局部配電線路的電壓波動和閃變。若跟負荷改變疊加在一起，將會引起更大的電壓波動和閃變。另外，PV輸出電流的變化也會引起電壓波動（ΔU ＝IPV（Xsinθ＋Rcosθ）），而同一區(qū)域的PV發(fā)電功率受光照變化的影響具有一致性，這將加劇電壓的波動，可能引起電壓／無功調節(jié)裝置的頻繁動作。雖然目前實際運行的光伏電源并沒引起顯著的電壓波動和閃變［2，3］，但當大量并網光伏電源接人時，對接入位置和容量進行合理的規(guī)劃依然很重要。

2．2 光伏并網系統(tǒng)對電流保護的影響

光伏系統(tǒng)接入對短路點的短路電流增益很明顯，并且隨著光伏系統(tǒng)距故障點的接近而增大。如果光伏系統(tǒng)接入位置距離故障點足夠近光伏系統(tǒng)容量達到一定值時，很可能引起誤動；故障點在保護和光伏系統(tǒng)的中間時，短路點的短路電流增幅明顯，流過保護的電流主要由根節(jié)點提供，與不接光伏系統(tǒng)時相差不大；而故障點在光伏系統(tǒng)的下游時，流過保護的短路電流反而比未接光伏系統(tǒng)時小，此時會降低保護的靈敏度。

光伏系統(tǒng)產生逆向短路電流即光伏系統(tǒng)在保護的下游，而短路點在保護的上游，光伏系統(tǒng)會對故障點和光伏系統(tǒng)之間的保護產生影響，當光伏系統(tǒng)容量足夠大時會向短路點提供很大的短路電流而使保護誤動作跳閘。隨著光伏系統(tǒng)接入容量的增大，通過光伏系統(tǒng)上游保護的短路電流持續(xù)減小，對上游保護不會產生影響；而通過光伏系統(tǒng)下游保護的電流持續(xù)增加，提高了速斷保護靈敏度及保護范圍，如果容量沒有加以限制，隨著保護距離的不斷增大，保護延伸至下一級線路，可能會引起誤動，失去保護選擇性。

2．3 孤島效應

分布式光伏電源通過并網逆變器并網，必須具備防孤島效應保護。孤島效應對電網有很多危害，首先就是對電網檢修人員的人身安全的威脅；其次是沒有了大電網的支持，供電質量受到影響，容易損壞用電設備；再次電網恢復供電之后因為相位不同步引起強大的電流沖擊。鑒于孤島效應的危害，現(xiàn)代并網系統(tǒng)基本上都有完善的反孤島檢測，只要在2 s之內能夠解列，就能夠消除對電網的影響。近年來，大量研究結論表明：即使將來有大量分布式電源接入到配電網中，只要措施得當，發(fā)生非正常孤島的風險可控制在合理的范圍內，并不會使系統(tǒng)發(fā)生非正常孤島風險的可能性有實質性增加。因而發(fā)生非正常孤島不會成為妨礙光伏電源等分布式電源接入的一個技術壁壘。

2．4 注入電流諧波

逆變器使用了大量的電力電子元件，在逆變器將直流轉換為交流的過程中，不可避免地會產生諧波。所以并網逆變器的質量與性能對并網交流電的電能質量有著至關重要的影響，應謹慎選擇。

光伏并網電站諧波電壓和電流的允許水平主要取決于配電系統(tǒng)的特性、供電類型、所連接的負載／設備類型，以及電網的現(xiàn)行規(guī)定。

按照《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》光伏發(fā)電站并網運行時，向公共連接點注入的諧波電流應滿足GB／T14549－1993的要求。各次諧波應限制在表1所列的百分比內。此范圍內的偶次諧波應小于低的奇次諧波限值的25%。建議供電公司在工程投產后測試相關電網的諧波，以保證電壓質量。

表1 并網電流諧波限值

2．5 對配電網的負荷特性、規(guī)劃和調度自動化的影響

分布式光伏電源的發(fā)電功率隨日照強度變化，晴天時大致呈單峰曲線形狀，功率峰值一般在10時到14時之間，光伏電源接入會改變配網的負荷曲線特征及最大負荷點。以某含光伏發(fā)電的小區(qū)為例，在10：00到14：00時間段，園區(qū)從配電網吸收的功率（等效負荷）明顯變小，全天最高負荷點出現(xiàn)在10時前（光伏電源未接入時出現(xiàn)在12時之后）。這不僅改變了配電網的配電規(guī)劃，同時，由于光伏電源的接入，改變了配電網的潮流。而且現(xiàn)有的光伏并網系統(tǒng)不具備調度自動化的功能，不能參與對電壓、電網頻率的調整，這樣就會減少配網的可調度發(fā)電容量，從而加大配網與調度的難度。

3 對 策

為了適應大規(guī)模、高容量PV接入電網運行，同時保證電網的安全穩(wěn)定，除了在技術層面外，同時還需要在經濟政策和法規(guī)標準方面積極應對光伏發(fā)電并網給大電網帶來的新問題。

3．1 研究開發(fā)支撐光伏發(fā)電接入公共電網運行的監(jiān)測、保護和控制設備

（1）配電網的實時監(jiān)視、控制、調節(jié)和計量單位。原有的配電系統(tǒng)的監(jiān)控和調度是由供電部門統(tǒng)一管理的，由于原配電網是一個無源的放射形電網，信息的采集、開關的操作、能源的調度相應都比較簡單。光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入使此過程趨于復雜化，電網運行需要監(jiān)視的信息類型和范圍增加，需要協(xié)調控制的對象增加。此外，由于分布式光伏電源的加入，個別的配電網區(qū)域內的潮流流向可能由原來的單一方向變?yōu)殡p向的，這樣就有必要將原有的電能計量模式進行更改。

（2）含有分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電系統(tǒng)電能質量分析與控制技術。光伏發(fā)電存在功率波動的問題，這樣就給用戶帶來了電能質量的問題。逆變器產生的諧波也會提升配電系統(tǒng)的諧波水平。如果光伏電源以單相的形式并網的話，會加大電網的三相不平衡度。因此需要研究含光伏發(fā)電并網的配電系統(tǒng)的電能質量綜合監(jiān)控與控制技術。

（3）含分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電系統(tǒng)的保護原理和技術。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網，改變了原配電系統(tǒng)發(fā)生故障時的特征，使故障后的電氣量的變化更加復雜，傳統(tǒng)的保護原理和故障檢測方式將受到巨大的影響，甚至無法做出正確的判斷，需要探討新的保護方法和技術［7］。

（4）孤島檢測及緊急控制與繼電保護。研究光伏并網系統(tǒng)孤島檢測的方法，研究緊急狀態(tài)下負荷切除和孤島劃分的優(yōu)化選擇技術，研究孤島運行和聯(lián)網運行的無縫切換控制技術，研究光伏發(fā)電對配電網中短路電流大小、流向及分布的影響，以及含光伏電源的配電網保護與控制技術，以保證故障的快速、可靠切除和及時智能地恢復供電。

3．2 健全分布式光伏發(fā)電接入配電網的技術標準與規(guī)范

研究分布式光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的技術參數(shù)和控制特性及承受大電網擾動能力的技術要求與標準，研究光伏發(fā)電系統(tǒng)并網的規(guī)模、接入電壓等級、無功配置和電能質量等方面的技術標準，研究大電網接納光伏發(fā)電系統(tǒng)應具備的條件等技術標準與規(guī)范，健全光伏發(fā)電接入公共電網的技術標準與規(guī)范，將有利于引導與規(guī)范光伏發(fā)電等新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)有序的接入大電網，確保這些新型發(fā)電系統(tǒng)及其控制設備不會對大電網的安全穩(wěn)定運行造成危害。

4 結 論

分布式光伏發(fā)電技術，以其節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢，具有勢不可擋的發(fā)展勢頭，隨著這些分布式電源的接入，配電網的設計、規(guī)劃、營運和控制都要升級換代來適應其發(fā)展。隨著越來越多的分布式光伏電源接入到配電網中，開展分布式光伏發(fā)電并網對原配電網影響的研究很有必要。根據(jù)研究結果，應用新的技術，制定相應的管理措施，在保證光伏發(fā)電系統(tǒng)電能質量、安全和可靠的前提下，最大程度地利用太陽能資源具有重要意義。

［1］ 尹 淞，郝繼紅．我國太陽能光伏發(fā)電技術應用綜述［J］．電力技術，2009，73（3）：1－4．

［2］ SJEFC．Impact of Photovoltaic Generation on Power Quality in Urban Areas with High PV Population［EB／OL］．OL］．Ju1．2008．http：／／www．pvupscale．org．

［3］ FARIDK．Integration 0f Photovohaic Power Systems in High－Penetration Clusters for Distribution Networks and MiniGrids［EB／OL］．Jan．2009．http：／／canmetenergycanmetenergie．nrcanrncan．gc．ca／eng／renewables．

［4］ 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．GB／T19939－2005光伏系統(tǒng)井網技術要求［S］．2006．

［5］ 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．GB／Z19964－2005光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定［S］．2005．

［6］ 孫 艷．分布式光伏并網系統(tǒng)在國內的應用［J］．太陽能，2012，5：23－26．

［7］ 王成山，王守相．分布式發(fā)電功能系統(tǒng)若干問題研究［J］．電力系統(tǒng)自動化，2008，32（20）：1－4，31．