分布式光伏發(fā)電的并網(wǎng)接入探究

管裕金

（作者單位：江西廣播電視臺(tái)）

1 我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

近幾年來，我國光伏發(fā)電項(xiàng)目以獨(dú)特的政策利好優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了行業(yè)的迅速發(fā)展和投資規(guī)模的日益擴(kuò)增。國家能源局網(wǎng)站公告的數(shù)據(jù)顯示，2016—2021年我國光伏發(fā)電裝機(jī)容量分別為0.77億 kW、1.3億kW、 1.74億kW、2.04億kW、2.53億kW、3.06億kW。

作為“十四五”開局之年，2021年我國光伏發(fā)電建設(shè)實(shí)現(xiàn)新突破，全國光伏發(fā)電量約為3259億kW·h， 同比增長約25.1%，年平均利用小時(shí)數(shù)達(dá)到1163 h，同比增加3 h。其中利用率排行最高的前三個(gè)省份（區(qū)）分別為內(nèi)蒙古自治區(qū)1558 h、吉林省1536 h、四川省1529 h。

2021年，新增并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，分布式光伏發(fā)電新增容量約2900萬kW，占2021全年新增并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)總?cè)萘康?5%左右。光伏發(fā)電分布式與集中式并舉發(fā)展，已經(jīng)成為助推“碳達(dá)峰、碳中和”和“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”等國家戰(zhàn)略發(fā)展的一股重要力量。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1 基本原理

“光伏效應(yīng)”是分布式光伏發(fā)電應(yīng)用的基本原理。光伏電池中的半導(dǎo)體材料，內(nèi)部組成了一個(gè)個(gè)PN結(jié)，當(dāng)光伏電池因太陽光照射，其內(nèi)部半導(dǎo)體的PN結(jié)受到激發(fā)，則產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，電子向N型半導(dǎo)體一側(cè)移動(dòng)，空穴向P型半導(dǎo)體一側(cè)移動(dòng)，使得電池組向光側(cè)累積負(fù)電荷，電池組背光側(cè)累積正電荷，故光伏電池的兩側(cè)產(chǎn)生了電壓差，利用導(dǎo)線將光伏電池兩側(cè)與各類用電負(fù)載連通，形成閉合的電路，則產(chǎn)生工作電流，從而實(shí)現(xiàn)了太陽能轉(zhuǎn)化為電能的特殊 過程[1]。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由光伏電池組件、控制器、逆變器、配電網(wǎng)、負(fù)荷等組成的特殊供電系統(tǒng)，其以小容量、多布點(diǎn)為特點(diǎn)，幾乎都建設(shè)在用戶用電場地附近，是一種平衡調(diào)節(jié)配電網(wǎng)的光伏電源[2]。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池組件利用“光伏效應(yīng)”原理，在太陽光照的作用下，將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，該電能可以供給直流負(fù)荷使用，同時(shí)也可經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電源，經(jīng)過濾波處理后直接供給交流負(fù)載或并電網(wǎng)接入。根據(jù)功能設(shè)計(jì)，有些光伏發(fā)電系統(tǒng)還會(huì)配置一定數(shù)量的蓄電池組進(jìn)行蓄能，并由系統(tǒng)中的控制器決定所發(fā)電能是進(jìn)入蓄電池組進(jìn)行儲(chǔ)存，還是直接輸出供給各用電負(fù)荷。

光伏電池組件是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，其本質(zhì)是一種以硅為基本元素的光電半導(dǎo)體材料，主要分為單晶硅和多晶硅。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)光伏電池的上表面會(huì)增添一些柵狀電極，有時(shí)也會(huì)在在電池受光面上增加一層減反射層，進(jìn)而提升光伏電池組的電能轉(zhuǎn)化效率。

由于單位光伏電池發(fā)出的電壓和有效功率是微弱的，故需要由一定數(shù)量的光伏電池組形成光伏電池陣列，并在電路上通過串聯(lián)、并聯(lián)方式組合而成，最終達(dá)到系統(tǒng)要求的輸出電壓和功率[3]。

2.3 分布式光伏發(fā)電的等效電路

光伏電池組件與負(fù)載閉合連接，成為一個(gè)有效而穩(wěn)定的電源回路，其等效電路如圖1所示。

圖1 分布式光伏發(fā)電的等效電路

光伏電池組件可看作是一個(gè)恒流源與二極管的并聯(lián)電路，IL用來表示光伏電池組發(fā)出的恒定電流，即光生電流。RL用來表示與外部連接的負(fù)載。

由于光伏電池組發(fā)出的電能受到現(xiàn)場各種因素的作用，會(huì)出現(xiàn)一定量的外界損耗，用電阻Rs來表示。同時(shí)，受到制造、安裝等因素影響，電池組自身會(huì)存在一定的輕微裂紋，形成了一定規(guī)模的金屬橋，故在等效電路中，用旁漏電阻Rsh來等效表示。

由等效電路可計(jì)算出電流IR與輸出電壓UR的函數(shù)關(guān)系：

其中，I0表示為光伏電池組的等效二極管反向飽和電流，T表示為絕對(duì)溫度，q表示的是單位電子電荷（1.602×10-19C）。k表示為玻耳茲曼常量（取值1.38×10-23J·K-1）。

3 分布式光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

分布式光伏發(fā)電廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，它不僅是推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命前進(jìn)的重要力量，也是促進(jìn)新能源技術(shù)發(fā)展的重要方式，其優(yōu)點(diǎn)主要如下：第一，接近用戶負(fù)荷中心，能就地消納，降低了輸電成本，減少了線路損耗。第二，節(jié)能又環(huán)保，減少了石化能源消費(fèi)，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。第三，組件結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)搭建靈活，建設(shè)周期短，易與建筑物相結(jié)合，如屋頂、墻面等，可節(jié)省占地空間。第四，可緩解區(qū)域供電緊缺，尤其是對(duì)于一些公共電網(wǎng)無法覆蓋的偏遠(yuǎn)地域，能夠切實(shí)地解決供電 問題。

當(dāng)然，作為一種新興的供電方式，分布式光伏發(fā)電也存在自身的缺點(diǎn)，主要如下：第一，能量密度偏低。雖然太陽能分布廣，但由于各地區(qū)的差異，以及太陽光照在時(shí)間上分布的不均勻，導(dǎo)致供電穩(wěn)定性不佳，供電質(zhì)量難保證。第二，存在間歇性工作。光伏發(fā)電幾乎只能在白天工作，夜晚就無法發(fā)電。第三，受氣候環(huán)境因素影響大。尤其是雨、雪、陰等影響日照的天氣，加上長年在戶外運(yùn)行，光伏電池組件表面被灰塵等顆粒物覆蓋，導(dǎo)致光伏發(fā)電功率的驟減，對(duì)光伏電池組件也有不可避免的損耗。

隨著分布式光伏發(fā)電建設(shè)成本的大幅降低和運(yùn)維管理水平的日益成熟，以及國家“雙碳計(jì)劃”的推廣和落地，相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電能源，分布式光伏發(fā)電還是有較大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，未來可期。

4 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)接入方式

當(dāng)前，分布式光伏發(fā)電所發(fā)電量的消納方式主要有三種：全額上網(wǎng)型、自發(fā)自用余電上網(wǎng)型、全部自用型[4]。

根據(jù)以上的三種消納方式，用戶結(jié)合分布式電源裝機(jī)容量及原有電網(wǎng)特點(diǎn)、負(fù)荷分布情況，從而確定并接入網(wǎng)的方案。因分布式光伏發(fā)電的容量相對(duì)于電網(wǎng)而言是偏小的，則主要涉及的并網(wǎng)電壓等級(jí)有10 kV、 380 V和220 V。

4.1 采用10 kV并網(wǎng)接入

分布式光伏發(fā)電裝機(jī)容量在400～6000 kW時(shí)，并網(wǎng)電壓等級(jí)應(yīng)為10 kV。即光伏發(fā)電系統(tǒng)需配置升壓變壓器，將輸出的電壓升至10 kV后再T接至公共線路或通過10 kV專線并網(wǎng)接入開關(guān)站（變電站） 10 kV母線。其中，升壓變壓器應(yīng)配置電流速斷保護(hù)裝置，若電流速斷保護(hù)的靈敏度不能滿足系統(tǒng)要求時(shí)，可使用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)方式進(jìn)行替代[5]。

4.2 采用380 V并網(wǎng)接入

分布式光伏發(fā)電裝機(jī)容量在8～400 kW時(shí)，并網(wǎng)電壓等級(jí)應(yīng)為380 V。

4.2.1 380 V接入公共電網(wǎng)母線

該并網(wǎng)接入方式如圖2所示，并網(wǎng)接入點(diǎn)選擇為公共電網(wǎng)380 V低壓母線，該方式需占用公共配電室或箱變的低壓出線開關(guān)。

圖2 380 V接入公共母線示意圖

4.2.2 380 V接入用戶配電系統(tǒng)母線

該并網(wǎng)接入方式如圖3所示，并網(wǎng)接入點(diǎn)選擇為用戶配電室或箱變低壓母線。用戶采用自有電力變壓器供電，并網(wǎng)時(shí)需占用用戶配電室或箱變的低壓出線開關(guān)。

圖3 380 V接入用戶母線示意圖

4.3 采用220 V并網(wǎng)接入

分布式光伏發(fā)電裝機(jī)容量在8 kW及以下時(shí)，并網(wǎng)電壓等級(jí)應(yīng)為220 V。該并網(wǎng)接入方式如圖4所示。選擇220 V并網(wǎng)接入的大部分為居民用戶，其并網(wǎng)接入點(diǎn)通常設(shè)在用戶220 V的電能表箱處，且?guī)缀醵际遣捎米园l(fā)自用余量上網(wǎng)的消納方式。值得注意的是，在并網(wǎng)接入具體相序時(shí)，需核驗(yàn)該區(qū)域各相序已并網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電總?cè)萘?，避免出現(xiàn)三相功率不平衡問題。

圖4 220 V并網(wǎng)接入示意圖

4.4 并網(wǎng)接入的主要技術(shù)要求

按照相關(guān)電力技術(shù)規(guī)范，分布式光伏發(fā)電的并網(wǎng)接入的主要技術(shù)要求如下：

（1）并網(wǎng)接入的切換裝置應(yīng)設(shè)置閉鎖，有明顯開斷點(diǎn)，其開關(guān)能開斷故障電流，并帶接地保護(hù)等功能。同時(shí)，需具備失壓跳閘及檢有壓合閘功能，失壓跳閘定值宜整定應(yīng)為額定電壓U的30%、延時(shí)10 s動(dòng)作，檢有壓定值宜整定應(yīng)為額定電壓U的85%。

（2）并網(wǎng)接入點(diǎn)的電能計(jì)量裝置應(yīng)具備電壓、電流、功率、電度等數(shù)據(jù)采集以及ABC三相電流不平衡監(jiān)測(cè)功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的通信與存儲(chǔ)。

（3）在并網(wǎng)接入點(diǎn)應(yīng)配置防逆流保護(hù)等裝置。

（4）三相電壓（10 kV、380 V）并網(wǎng)接入時(shí)，應(yīng)采用三相逆變器，且在同一位置同時(shí)并網(wǎng)接入。

5 并網(wǎng)接入的影響

隨著分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的容量和規(guī)模日益擴(kuò)增，使得電網(wǎng)潮流方向更加復(fù)雜，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響更加顯著。同時(shí)，因并網(wǎng)接入的位置、容量大小及消納方式的變化，都很有可能會(huì)造成電網(wǎng)的電壓質(zhì)量、繼電保護(hù)動(dòng)作及相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的有功功率等參數(shù)的變化[6]。

5.1 對(duì)電壓質(zhì)量的影響

當(dāng)一定規(guī)模的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)接入配電網(wǎng)，會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的電壓質(zhì)量發(fā)生較為明顯的波動(dòng)。并網(wǎng)接入的光伏發(fā)電容量越大，各節(jié)點(diǎn)電壓上升的幅值就明顯。同時(shí)，并網(wǎng)接入位置也是影響電壓質(zhì)量的一個(gè)重要因素，與配電網(wǎng)線路末端更接近的并網(wǎng)接入位置，其電壓上升幅值就更加平穩(wěn)。

5.2 對(duì)繼保的影響

分布式光伏發(fā)電的并網(wǎng)接入改變了原電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及潮流分布，故電網(wǎng)發(fā)生相關(guān)短路故障時(shí)，其電流的大小和分布都會(huì)受到了一定程度的影響。且分布式光伏發(fā)電的并網(wǎng)接入，改變了電網(wǎng)電能單一方向的傳輸方式，使得電網(wǎng)的供電結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，分布式光伏電源也會(huì)成為故障電流的來源，故需對(duì)原有繼保方向判斷功能作出相應(yīng)的調(diào)整。

5.3 對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的影響

分布式光伏發(fā)電的并網(wǎng)接入對(duì)電網(wǎng)可靠性的影響有一定的不確定性。其改善了電能質(zhì)量，一定程度上提高了用電的可靠性，保障了各用電設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行，當(dāng)線路故障或計(jì)劃停電時(shí)，分布式光伏發(fā)電可作為一定規(guī)模的保安電源，其供電的可靠性從而進(jìn)一步得到提高。但是，當(dāng)大容量的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)接入時(shí)，極可能會(huì)造成區(qū)域節(jié)點(diǎn)電壓越限。當(dāng)供電線路發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)，也可能會(huì)造成自動(dòng)重合閘失效，這些對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語

不管分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用哪種并網(wǎng)接入方式，都要確保其輸出電壓的相位、頻率、幅值等參數(shù)與接入電網(wǎng)相匹配，并達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[7]。且在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)接入前，應(yīng)及時(shí)將并網(wǎng)接入方案及相關(guān)并網(wǎng)點(diǎn)的檢測(cè)合格報(bào)告報(bào)所接入電網(wǎng)主管部門進(jìn)行備案，需取得并網(wǎng)接入許可證后方能并網(wǎng)運(yùn)行。同時(shí)，應(yīng)充分考慮并網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響因素，采用柔性并網(wǎng)控制技術(shù)，將故障風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

分布式光伏發(fā)電的相關(guān)技術(shù)已非常成熟、穩(wěn)定，單位建設(shè)成本近年來也是逐步降低，目前在工業(yè)廠房、倉儲(chǔ)物流、通信基站、高速公路、體育場館等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。分布式光伏發(fā)電的投入，不僅給用戶帶來了一定的經(jīng)濟(jì)收益，還促進(jìn)了全社會(huì)“節(jié)能減排”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。目前，建設(shè)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，已成為公共機(jī)構(gòu)節(jié)能工作考核的一個(gè)重要加分項(xiàng)。

未來，隨著國家節(jié)能環(huán)保政策的不斷推進(jìn)，以及碳市場與電力市場的耦合發(fā)展，分布式光伏發(fā)電的應(yīng)用將成為能源供給的重要焦點(diǎn)，其并網(wǎng)接入的規(guī)模會(huì)有一次井噴式發(fā)展歷程。嚴(yán)控并網(wǎng)接入技術(shù)參數(shù)，降低其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，已成為配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重點(diǎn)。