分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)問題研究

劉繼軍

(太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030024)

1 引言

太陽能光伏發(fā)電與生物質(zhì)能、風(fēng)能等幾種常見的新能源發(fā)電相比，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。如太陽能取之不盡、用之不竭，發(fā)電過程中對環(huán)境無污染，最少環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換，無需運(yùn)輸就地取用等。近年來，隨著全球能源危機(jī)的日益緊迫和各國加大光伏補(bǔ)貼，光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。

我國擁有光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模尤其是產(chǎn)能上的絕對優(yōu)勢，但一直以來都是以出口為主，如何減少歐美國家對光伏產(chǎn)業(yè)“雙反”所帶來的影響，如何擴(kuò)大內(nèi)需進(jìn)而促進(jìn)我國光伏產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，成為亟待解決的問題。對于配電網(wǎng)絡(luò)而言，由于光伏并網(wǎng)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)電的特性研究其對電網(wǎng)的影響，從而在充分發(fā)揮光伏電站作用的同時，將光伏電站對配電網(wǎng)的影響降到最低。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是常見的一種裝機(jī)規(guī)模較小，布置在用戶附近的發(fā)電系統(tǒng)，它采用光伏組件，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能。[1]為了保證用戶用電的可靠性及電能質(zhì)量，此系統(tǒng)通常需接入公共電網(wǎng)。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入對公網(wǎng)的影響

2.1 對公網(wǎng)規(guī)劃的影響

負(fù)荷預(yù)測是電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的基礎(chǔ)，能否準(zhǔn)確地預(yù)測負(fù)荷是電網(wǎng)規(guī)劃的前提條件。分布式光伏電站的并網(wǎng)，加大了其所在區(qū)域的負(fù)荷預(yù)測難度，改變了既有的負(fù)荷增長模式。大量的分布式電站的接入，使配電網(wǎng)的改造和管理變得更為復(fù)雜。

2.2 對電能質(zhì)量的影響

2.2.1 對饋線穩(wěn)態(tài)電壓的影響

電力系統(tǒng)中一般通過投切電容器和改變有載調(diào)壓變壓器(LTC)的分接頭調(diào)壓調(diào)節(jié)電壓，很少配置其他的動態(tài)無功調(diào)節(jié)設(shè)備。若新能源發(fā)電接入電網(wǎng)所占比例較大，新能源發(fā)電站的功率波動性將使線路的負(fù)荷潮流也極易波動，加大電網(wǎng)正常運(yùn)行時的電壓調(diào)整難度。[2]圖1中光伏發(fā)電站未接入時配電饋線1～13節(jié)點(diǎn)電壓均在限制范圍內(nèi)，此時變電站有載調(diào)壓變壓器分接頭位于+4檔，當(dāng)光伏發(fā)電站接入變電站低壓側(cè)時，由于流過主變壓器功率減少，若分接頭沒有降檔位仍位于+5檔，則此時饋線后端節(jié)點(diǎn)的電壓將越限。

圖1 新能源發(fā)電接入前后饋線電壓

2.2.2 對電網(wǎng)電壓波動和閃變的影響

電網(wǎng)電壓波動和閃變主要由分布式光伏發(fā)電站開停機(jī)、出力波動變化以及發(fā)電站補(bǔ)償電容器投切造成。分布式光伏發(fā)電站輸出功率波動是其引起電網(wǎng)電壓波動和閃變的直接原因。光伏發(fā)電站的輸出功率隨光照強(qiáng)度和溫度波動變化，圖2為某地6MW光伏并網(wǎng)發(fā)電站接入電網(wǎng)時，發(fā)電站與電網(wǎng)公共連接點(diǎn)在24h時間內(nèi)的相電壓波動曲線，圖中C相電壓波動大于A和B相，且C相電壓波動多次超出4%。通常光伏發(fā)電站所接入的電網(wǎng)短路容量越大，則表明該配電網(wǎng)絡(luò)越堅強(qiáng)，光伏發(fā)電站的功率波動以及啟停引起的公共接入點(diǎn)的電壓波動和閃變就越小。

圖2 分布式光伏發(fā)電公共連接點(diǎn)電壓波動

2.2.3 對電網(wǎng)諧波的影響

由于并網(wǎng)光伏逆變器的絕緣柵雙極型功率開關(guān)(IGBT)的物理特性，以及采用脈寬調(diào)制控制方法的逆變器自身特點(diǎn)，并網(wǎng)光伏電站運(yùn)行時會產(chǎn)生相應(yīng)的電壓電流諧波，且由光照強(qiáng)度變化引起光伏電站輸出功率的波動間歇變化以及光照不對稱都會引起諧波污染。[3]圖3為并網(wǎng)光伏發(fā)電站在晴轉(zhuǎn)多云天氣的實測電流諧波畸變率曲線，可見在出力較小的凌晨和傍晚時電流諧波畸變率較大，中午多云時電流諧波畸變率也有所突增。此外，電網(wǎng)不對稱故障產(chǎn)生的負(fù)序電壓以及配網(wǎng)自身的電壓諧波，將導(dǎo)致新能源發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生附加的諧波電流，該部分電流諧波特性由變流器的控制策略決定。

圖3 光伏發(fā)電站總電流諧波畸變率

2.3 對繼電保護(hù)的影響

我國的配電網(wǎng)大多為單電站放射狀結(jié)構(gòu)，多采用速斷、限時速斷保護(hù)形式，不具備方向性。這種保護(hù)方式在現(xiàn)有的輻射型配電網(wǎng)上，能夠有效的保護(hù)全部線路。但是，在配電網(wǎng)中接入分布式電站后，其注入功率會使繼電保護(hù)范圍縮小，不能可靠的保護(hù)整體線路，甚至在其他并聯(lián)分支故障時，引起安裝分布式光伏的繼電保護(hù)誤動作。

2.4 孤島效應(yīng)

孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障或自然因素等原因中斷供電時，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍然向周圍的負(fù)載供電，從而形成一個電力公司無法控制的自給供電孤島。孤島效應(yīng)對電網(wǎng)有很多危害，首先就是對電網(wǎng)檢修人員的人身安全的威脅;其次是某些特殊情況下斷開公網(wǎng)支持，將會損壞用電設(shè)備;再次電網(wǎng)恢復(fù)供電之后因為相位不同步引起強(qiáng)大的電流沖擊。

3 應(yīng)對措施

3.1 健全分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

研究分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)和控制特性及承受大電網(wǎng)擾動能力的技術(shù)要求與標(biāo)準(zhǔn)，研究光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的規(guī)模、接入電壓等級、無功配置和電能質(zhì)量等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)與規(guī)范分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)有序地接入電網(wǎng)，確保發(fā)電系統(tǒng)及其控制設(shè)備不會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成危害。

3.2 建立計算全電網(wǎng)電壓波動的頻域分析方法

若光伏發(fā)電站接入的電網(wǎng)較薄弱時，則在設(shè)計時需要選擇合適的并網(wǎng)點(diǎn)和電壓等級。為了分析發(fā)電站的功率波動所引起的電網(wǎng)電壓波動，需要區(qū)分發(fā)電站和電網(wǎng)其他部分產(chǎn)生的電壓波動，建立計算全網(wǎng)電壓波動的頻域分析方法，通過對接入電網(wǎng)的電站進(jìn)行電流源等效，將實際測量的電站的輸出電流分解為有限數(shù)量正弦波形后進(jìn)行分析。

3.3 研究改進(jìn)監(jiān)測控制軟件

加強(qiáng)對配電網(wǎng)的實時監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)，原配電網(wǎng)是一個無源的放射形電網(wǎng)，信息的采集、開關(guān)的操作及能源的調(diào)度相對簡單。光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入使此過程趨于復(fù)雜化，電網(wǎng)運(yùn)行需要監(jiān)視的信息類型和范圍增加，需要協(xié)調(diào)控制的對象增加。此外，由于分布式光伏電站的加入，個別的配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的潮流流向可能由原來的單向變?yōu)殡p向，這樣就需要對電能計量模式從軟件端進(jìn)行修改。

3.4 加強(qiáng)反孤島檢測

研究光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島檢測的方法，研究緊急狀態(tài)下負(fù)荷切除和孤島劃分的優(yōu)化選擇技術(shù)，研究孤島運(yùn)行和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的無縫切換控制技術(shù)，研究光伏發(fā)電對配電網(wǎng)中短路電流大小、流向及分布的影響，以及含光伏電站的配電網(wǎng)保護(hù)與控制技術(shù)，以保證故障的快速、可靠切除和及時智能地恢復(fù)供電。另外還需加入遠(yuǎn)程控制，有效對光伏電站進(jìn)行檢測并控制。

3.5 區(qū)分和控制諧波污染

按照《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》光伏發(fā)電站并網(wǎng)運(yùn)行時，向公共連接點(diǎn)注入的諧波電流應(yīng)滿足GB/T 14549－1993的要求。各次諧波應(yīng)限制在表1所列的百分比內(nèi)。此范圍內(nèi)的偶次諧波應(yīng)小于低的奇次諧波限值的25%。建議供電公司在工程投產(chǎn)后測試相關(guān)電網(wǎng)的諧波，保證電能質(zhì)量。[4]

表1

為了區(qū)分光伏發(fā)電站和配電網(wǎng)各自承擔(dān)的諧波責(zé)任，可根據(jù)系統(tǒng)和負(fù)荷參數(shù)確定參考諧波阻抗，再由PCC點(diǎn)諧波電流測量值估計用戶諧波電壓發(fā)射水平?；蛲ㄟ^研究用戶波動與背景諧波變化對公共聯(lián)結(jié)點(diǎn)諧波電流、諧波電壓的影響，建立一種基于用戶主導(dǎo)波動量篩選原理的用戶諧波發(fā)射水平估計方法。對于含光伏發(fā)電站的電網(wǎng)，正確區(qū)分配電網(wǎng)和光伏電站在公共連接點(diǎn)產(chǎn)生的電壓電流諧波水平，有利于監(jiān)測和治理光伏發(fā)電并網(wǎng)所帶來的諧波污染。

4 綜述

隨著上游晶體硅產(chǎn)業(yè)和光伏發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，每千瓦光伏發(fā)電的建設(shè)成本相比其他可再生能源已具有相同的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。然而，通過本文對光伏電站接入電網(wǎng)問題的研究可看到，光伏發(fā)電其實還存在不少的技術(shù)問題需要解決和完善。

[1]王長貴.并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)綜述(上)[J].太陽能，2008(2)：14 －17.

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

[3]王建，李興源，邱曉燕.含有分布式發(fā)電裝置的電力系統(tǒng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29(24)，90 －96.

[4]何艷榮.世界太陽能行業(yè)發(fā)展趨勢[J].太陽能信息光伏?？?006，8：(5 －6).