光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

葉偉銓

【摘 要】隨著社會(huì)對(duì)清潔能源的需求越來越大，光伏發(fā)電商業(yè)投資規(guī)模不斷擴(kuò)大，光伏發(fā)電的裝機(jī)總?cè)萘恳约敖尤朦c(diǎn)不斷增加，光伏發(fā)電有關(guān)特性對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行以及電能質(zhì)量產(chǎn)生了一定影響，成為制約光伏發(fā)電容量和規(guī)模的一道障礙。因此，為使光伏能有序接入電網(wǎng)并發(fā)揮最大的優(yōu)勢(shì)，研究光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響顯得十分重要。

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電；配電網(wǎng)；電能質(zhì)量；光伏并網(wǎng)

中圖分類號(hào)： TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）17-0030-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.014

【Abstract】With the increasing demand for clean energy， the scale of commercial investment in photovoltaic power generation continues to expand， the number of total installed capacity and access point of photovoltaic power generation are increasing. Because of the characteristics of photovoltaic power generation， there is a certain impact on the safe operation of the distribution network and the quality of power which has become one of the restrictions on the capacity and scale of photovoltaic power generation. Therefore， it is very important to study the impact of PV electric on the power quality of distribution network in order to make photovoltaic power orderly access to the grid and give full play to its advantages.

【Key words】Photovoltaic Electric； Distribution Network； Power Quality； Photovoltaic Grid-connected System

隨著我國人民生活水平的提高和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用電負(fù)荷不斷創(chuàng)新高，電力資源的需求日趨上升，而且對(duì)清潔能源的需求也越來越大。清潔能源分布式發(fā)電技術(shù)作為傳統(tǒng)供電模式的一種補(bǔ)充甚至替代被提出。分布式發(fā)電技術(shù)有別于傳統(tǒng)供電方式的集中發(fā)電、跨地區(qū)長距離傳輸、大互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的特征，并網(wǎng)功率在幾萬到幾十兆瓦范圍內(nèi)，設(shè)備建設(shè)在用電重負(fù)荷地區(qū)附近。光伏發(fā)電作為分布式發(fā)電技術(shù)的代表，早以進(jìn)入了人們的視野，從路邊的電動(dòng)車太陽能充電棚到普通居民屋頂?shù)男⌒吞柲馨l(fā)電板，甚至廠房棚頂?shù)拇笠?guī)模光伏發(fā)電板。光伏發(fā)電利用可再生、無污染的太陽能進(jìn)行發(fā)電，其安裝不受地域限制，安裝容量可以根據(jù)客戶需求以及空間進(jìn)行定制。

1 光伏發(fā)電類型

目前市場上主流的的光伏發(fā)電類型主要為以下三種：

（1）獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨(dú)立光伏發(fā)電是指脫離大電網(wǎng)的支持，離網(wǎng)、獨(dú)立地為用電負(fù)荷進(jìn)行供電。一般安裝容量為千瓦級(jí)以上，可以單獨(dú)為某一用電地區(qū)或者機(jī)構(gòu)供應(yīng)全部的用電量，是我國商業(yè)光伏發(fā)電持續(xù)增長的主要應(yīng)用案例。

（2）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)指通過光伏發(fā)電板以及電網(wǎng)共同向用戶供電的光伏發(fā)電模式，并網(wǎng)逆變器將光伏發(fā)電板輸出的直流電轉(zhuǎn)換為符合供電標(biāo)準(zhǔn)的交流電上網(wǎng)。當(dāng)前廠房頂棚光伏發(fā)電系統(tǒng)是此類系統(tǒng)的典型案例。

（3）屋頂發(fā)電

屋頂發(fā)電是適合普通居民或者商業(yè)大廈用戶的發(fā)電模式，將光伏發(fā)電與建筑物設(shè)計(jì)巧妙融合，減少了前兩者發(fā)電方式的占地面積，在土地資源緊張的市區(qū)用電區(qū)域提供清潔的能源。其發(fā)出的電量除了供給用戶設(shè)備使用外，多余的電量可以上網(wǎng)銷售，既提高了能源的利用效率，也增加了經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，上述三種光伏發(fā)電模式中并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)備受矚目，被譽(yù)為未來光伏發(fā)電應(yīng)用的主流。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)并網(wǎng)位置不同，分為集中式并網(wǎng)與分布式并網(wǎng)。集中式并網(wǎng)的接入位置一般分布在電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)，發(fā)出的電量直接上網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度，不直接給用戶負(fù)荷使用；分布式并網(wǎng)的接入位置則比較分散，通常分布在用戶附近，可直接為用戶負(fù)荷供電，多余電量或者負(fù)荷缺口可以通過外部電網(wǎng)適度調(diào)節(jié)。

并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)作為未來的主流應(yīng)用方向，本文接下來的討論將圍繞并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

2 配電網(wǎng)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是衡量供配電可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，評(píng)價(jià)電網(wǎng)供給用戶側(cè)的交流電能的品質(zhì)。理想情況下，配電網(wǎng)用電設(shè)備按照額定頻率（50Hz）和額定電壓的標(biāo)準(zhǔn)正弦波形的方式為用戶提供電能，并且要求三相電壓和電流對(duì)稱，即各相電壓和電流幅值相等，相位相差120度。但在實(shí)際使用環(huán)境下，配電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)存在各種非線性元件設(shè)備、干擾以及故障等原因，很難實(shí)現(xiàn)理想的情況。根據(jù)中國1990年以后頒發(fā)、修訂的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，上網(wǎng)電能量質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)包含電壓偏差、頻率偏差、電壓波動(dòng)和閃變、諧波、三相不平衡、電壓暫降等內(nèi)容。

（1）電壓偏差

電壓偏差指某一時(shí)間段內(nèi)，電壓幅值緩慢變化而偏離額定值的比例，以實(shí)際電壓值與額定值之差或其百分比值來表示。電壓偏差超過允許范圍時(shí)，供用電設(shè)備會(huì)因過壓或過流而損壞。電網(wǎng)電壓過低也造成線損上升，降低了電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)有關(guān)條例規(guī)定，10kV及以下用戶端三相供電電壓，允許偏差為額定電壓的-7%至+7%；220V單相用戶端供電電壓偏差為額定電壓的-10%至+7%。

（2）頻率偏差

頻率偏差指電網(wǎng)實(shí)際頻率與額定頻率之間的差值或差值與額定值之間的百分比值。電網(wǎng)頻率過高或過低，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)有關(guān)損耗升高，從而降低經(jīng)濟(jì)性。不符合規(guī)定的電網(wǎng)頻率也會(huì)引起動(dòng)力設(shè)備的轉(zhuǎn)速的改變，影響有關(guān)工業(yè)制品的質(zhì)量。根據(jù)有關(guān)條例規(guī)定，系統(tǒng)容量較小時(shí)，允許偏差為正負(fù)0.5Hz。

（3）電壓波動(dòng)

電壓波動(dòng)指某一段時(shí)間內(nèi)電壓急劇變化而偏離額定值的現(xiàn)象。通常以電壓變化速率大于1%時(shí)為 電壓急劇變化。電壓波動(dòng)以電壓急劇變化過程中相繼出現(xiàn)的最大值和最小值之差表示。一般情況下，電壓波動(dòng)是由于配電網(wǎng)中有沖擊性大負(fù)荷接入或退出引起的。根據(jù)有關(guān)條例規(guī)定，10kV以下系統(tǒng)為2.5%。

（4）諧波

理想工況下，配電網(wǎng)電壓波形應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，但由于系統(tǒng)內(nèi)存在大量具有鐵芯結(jié)構(gòu)的設(shè)備或者整流裝置、電弧爐等，這些干擾源運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)注入可觀的諧波，引起電壓正弦波形畸變。諧波增加了配電網(wǎng)系統(tǒng)中的功率損耗，可能沖擊繼保設(shè)備引起誤動(dòng)，以及增大感應(yīng)式電能表的計(jì)量偏差等等。根據(jù)有關(guān)條例規(guī)定，公用電網(wǎng)10kV系統(tǒng)電壓總諧波畸變率為4%；220V為5%。

（5）三相電壓不平衡

理想三相交流系統(tǒng)中，三相電壓值應(yīng)相同，并且互成120度相角。但由于故障、負(fù)荷不對(duì)稱等因素，實(shí)際系統(tǒng)并不能做到完全平衡。三相不平衡意味著存在負(fù)序分量，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)力矩并發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)引起繼保誤動(dòng)。三相不平衡的程度以電壓負(fù)序分量與正序分量的均方根的百分比值來表示。

（6）電壓暫降

電壓暫降指供電電壓的有效值短時(shí)間暫時(shí)下降的現(xiàn)象。引起電壓暫降的原因主要是電網(wǎng)發(fā)生短路故障，一些用電設(shè)備啟動(dòng)或者突然負(fù)荷上升。實(shí)際系統(tǒng)中，電壓暫降發(fā)生的頻率比停電事件要高得多，而且經(jīng)歷時(shí)間短，事故原因難以調(diào)查，處理困難較大。

3 光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

與傳統(tǒng)能源相比，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)只在白天并網(wǎng)情況下輸出有功功率，其利用效率比較低，而且分布式光伏發(fā)電基于天氣情況的隨機(jī)性、間歇性以及頻繁投退等特性也會(huì)給電網(wǎng)帶來運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。光伏發(fā)電設(shè)備中使用的電力電子轉(zhuǎn)換裝置也會(huì)給配電網(wǎng)帶來大量的諧波污染以及無功損耗。如不考慮上述因素影響，光伏發(fā)電有可能導(dǎo)致配電網(wǎng)的供電質(zhì)量大打折扣，對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成潛在風(fēng)險(xiǎn)以及不可挽回的后果。光伏并網(wǎng)能為系統(tǒng)提供電壓支持，但是也會(huì)使配電線路有功、無功發(fā)生一定變化，隨之而來的是系統(tǒng)潮流以及穩(wěn)態(tài)電壓的變化，會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量的下降以及網(wǎng)損的升高，對(duì)配電網(wǎng)的安全性造成嚴(yán)重影響。

配電網(wǎng)安全運(yùn)行需要保證電壓在允許正常范圍內(nèi)，從而確保良好的電能質(zhì)量。配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓反映了該處無功的供需關(guān)系，電壓偏差的根本原因是系統(tǒng)無功出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。無功不平衡容易導(dǎo)致電壓超出正常運(yùn)行范圍，嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的安全以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。當(dāng)光伏滲透率超過最大運(yùn)行允許值或者配電網(wǎng)系統(tǒng)輕載運(yùn)行時(shí)，極容易出息逆功率現(xiàn)象，大幅度抬升該節(jié)點(diǎn)電壓，導(dǎo)致配電網(wǎng)潮流和運(yùn)行方式的變化，也影響了繼保設(shè)備的動(dòng)作正確率。分布式光伏系統(tǒng)由于經(jīng)濟(jì)性原因選址離負(fù)荷中心有一定距離，配電線路越長，并網(wǎng)線路各節(jié)點(diǎn)電壓損耗就越大，電壓畸變也會(huì)更加嚴(yán)重，也會(huì)使電能質(zhì)量造成很大影響。

光伏發(fā)電主要受到太陽輻射強(qiáng)度和溫度的影響，這些不可控且難以預(yù)測(cè)的因素造成了光伏發(fā)電的波動(dòng)特性，也嚴(yán)重影響了接入的配電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及運(yùn)行安全。當(dāng)并網(wǎng)光伏輸出功率的波動(dòng)水平達(dá)到一定程度時(shí)，配電網(wǎng)電壓也會(huì)隨之發(fā)生顯著波動(dòng)，從而影響頻率也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)光伏系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，太陽輻射強(qiáng)度因云層或者其他原因突然減弱，光伏逆變器隨之進(jìn)入輕載模式，對(duì)配電網(wǎng)注入大量諧波，引起電壓正弦波形畸變，功率損耗增加。陰天期間，光伏系統(tǒng)只能提供較少的功率甚至無功率輸出，機(jī)組將會(huì)停機(jī)脫網(wǎng)，頻繁的啟停機(jī)會(huì)對(duì)配電網(wǎng)造成很大沖擊以及影響設(shè)備壽命。

4 結(jié)束語

光伏發(fā)電作為未來清潔能源的發(fā)展方向之一，特別是作為城市地區(qū)最具有投資價(jià)值實(shí)用形式。但是光伏發(fā)電由于自身的不穩(wěn)定性以及調(diào)度要求，對(duì)接入公用配電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。研究和討論光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響能夠有效避免有關(guān)的事故，使光伏發(fā)電更加高效更加穩(wěn)定。

【參考文獻(xiàn)】

[1]黃巍.電能質(zhì)量約束下主動(dòng)配電網(wǎng)光伏最大滲透率研究[D].北京交通大學(xué)，2016.

[2]袁龍.電力系統(tǒng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供負(fù)荷研究[D].天津大學(xué)，2012.

[3]丁偉.王偉勝，王秀麗，等.大規(guī)模光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)影響綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（1）：1-14.

[4]康珍.高滲透率下光伏電源并網(wǎng)電能質(zhì)量問題及其交互影響[D].長沙；湖南大學(xué)，2011.