關(guān)于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在配電網(wǎng)中接入方式探析

國(guó)網(wǎng)蘭州供電公司 趙曉君

發(fā)電主要來(lái)源分為傳統(tǒng)的火電、水電和近年來(lái)出現(xiàn)核能、風(fēng)能、光伏發(fā)電等新能源。傳統(tǒng)能源方式如火力發(fā)電雖可帶來(lái)一定的電能產(chǎn)出，不過(guò)在其處理過(guò)程中會(huì)帶來(lái)很多的污染，且在電能的輸送過(guò)程中還會(huì)帶來(lái)一定程度的浪費(fèi)。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)具備了安裝簡(jiǎn)單、能量傳輸損失較低、安全效果明顯的優(yōu)勢(shì)，因此能在一定意義上有效解決局部地區(qū)的供電壓力情況，并可很好地解決電力系統(tǒng)電壓升高問(wèn)題。

1 分布式光伏系統(tǒng)

1.1 分布式光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)主要方式

在將布置式光伏管理系統(tǒng)接到配電網(wǎng)流程中，還應(yīng)充分考慮投入流程中對(duì)二者所形成的環(huán)境影響。在分布式的光伏系統(tǒng)中，應(yīng)達(dá)到連續(xù)平衡輸出電流、電壓的效果，以防止在輸出過(guò)程中電流、電壓的波動(dòng)過(guò)大，破壞二者功能平衡。在利用逆變器處理電量時(shí)，應(yīng)采用先進(jìn)的技術(shù)手段以減少電量損耗，并提高電量轉(zhuǎn)化率[1]。此外，由于在納入供電系統(tǒng)的整個(gè)過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)事故產(chǎn)生，因此分布式光伏管理系統(tǒng)還應(yīng)掌握故障監(jiān)測(cè)技術(shù)，以防止意外事件的出現(xiàn)，并防止在納入供電系統(tǒng)整個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)短路或斷線，甚至產(chǎn)生過(guò)低電流。

現(xiàn)階段，在布置式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的計(jì)入配電網(wǎng)中一般有兩類形式，依次是分散式連接和集中式連接。分散式接入適合于電流較小或個(gè)別客戶連接供電；匯集型接入應(yīng)用于負(fù)載范圍較大，在連接設(shè)備過(guò)程中先利用逆變器的交流通道使電流完全集中到低壓母線上，然后再通過(guò)升壓裝置提高低壓母線電壓，最后再通過(guò)回路接通母線，以便于為電源裝置帶來(lái)持久的穩(wěn)壓電流。二類接入方法均存在優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際連接配電網(wǎng)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)針對(duì)實(shí)際具體情況選用恰當(dāng)?shù)倪B接方法。分散式由于對(duì)電流的需求較小，可直接接入。匯聚式接入對(duì)電流管理能力較大，可維持相對(duì)平穩(wěn)的輸出電壓與電流，安全性更高[2]。

1.2 分布式光伏電源的并網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)研究與仿真內(nèi)容

光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)一般包括兩大類：一是單獨(dú)光伏開發(fā)網(wǎng)絡(luò)，二是光伏并網(wǎng)開發(fā)體系。單獨(dú)發(fā)電裝置大多用來(lái)緩解農(nóng)村地區(qū)缺電問(wèn)題，而光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置則因能并入現(xiàn)有的供電系統(tǒng)，因此變成對(duì)太陽(yáng)能地區(qū)提供電力的最重要方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球的平均并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置比率已達(dá)到80%以上。美國(guó)在1997年發(fā)布“百萬(wàn)屋頂計(jì)劃”，當(dāng)年的太陽(yáng)能發(fā)電量已增至3000MW，而政府亦透過(guò)減稅等政策扶持其國(guó)內(nèi)的光電工業(yè)發(fā)展，計(jì)劃到2020年光伏發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)到200GW。

并網(wǎng)光伏根據(jù)連接的形式和范圍，又可分為聚集式光伏電站和分布式光伏電站。集中式光伏電站基本上是采用在荒漠區(qū)域充足得較為固定的太陽(yáng)能資源，直接接入高壓輸電體系并網(wǎng)供應(yīng)長(zhǎng)距離的負(fù)載；而布置式光伏電站則基本上是為了就近緩解客戶的電力困難，利用并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行電能費(fèi)用的補(bǔ)助和外送，由于普通單體電站容量較小，因此通常納入低壓配電網(wǎng)中。

分布式光伏水力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)的最大特征是所發(fā)電能全部安排在用戶供電負(fù)荷上，而過(guò)剩或欠缺的輸出功率則由接入設(shè)備進(jìn)行控制，因此分布式光伏水力發(fā)電輸出功率是不能調(diào)節(jié)的。當(dāng)光伏發(fā)電能力總是超過(guò)載荷、或與水力發(fā)電時(shí)向載荷供水的能力不相同時(shí)，通常應(yīng)設(shè)置為可逆流控制系統(tǒng)，以保持能量均勻，但由于有的反饋能力，對(duì)可逆流控制系統(tǒng)功率計(jì)算、維護(hù)的要求也很高；當(dāng)光伏發(fā)電量總是小到或超過(guò)載荷的耗電量時(shí)，通常應(yīng)設(shè)置為非可逆流控制系統(tǒng)，將光伏電源和電網(wǎng)電源并聯(lián)向載荷供水。

1.3 配電網(wǎng)中接納分布式光伏電源的能力設(shè)計(jì)

通常由于壓力誤差、電流波動(dòng)性及就地消納限制等條件的，典型變電所中可容納分布式光伏電源的容積主要受公用銜接點(diǎn)處負(fù)載水平、負(fù)載波動(dòng)性狀況、負(fù)載功率因子、光伏供電效率因數(shù)等的限制；如公用銜接點(diǎn)處負(fù)載水平平穩(wěn)，則可容納的光伏供電容積很大：但如公用銜接點(diǎn)負(fù)載波動(dòng)性很大，則公用銜接點(diǎn)處負(fù)載波動(dòng)性和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)功率波動(dòng)性重疊，將在公用銜接點(diǎn)處形成很大的電流波動(dòng)性，則變電所中可容納光伏供電容積將大大降低；而針對(duì)于較小容量光伏供電或采用10kV饋電并上網(wǎng)的情形，饋線負(fù)載功率因數(shù)對(duì)光伏供電準(zhǔn)入能力的作用較小，公共連接點(diǎn)母線負(fù)載較重，光電出力效率因數(shù)越靠近于l（超前或落后）、并網(wǎng)路徑更短，也利于企業(yè)采用專線接受更多的分布式光伏電源。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

2.1 系統(tǒng)組成

布置式光伏管理系統(tǒng)的組成主要是太陽(yáng)能光伏組件、逆變器和電源系統(tǒng)，其中包含了太陽(yáng)能電池組、逆變器、直流電纜系統(tǒng)等。隨著光伏發(fā)電形式的不同，電力供應(yīng)的組成成分也不同。太陽(yáng)能電池通常分為集約型和分散型。集中式光伏設(shè)備是指在太陽(yáng)能電池裝置功率較大的情況下，通過(guò)將直流電源和直流電源的輸出功率聚集到低電壓母線上，利用交流變壓器升到10kV，再通過(guò)特定的路徑連接至變電站10kV母線及開閉所/環(huán)網(wǎng)柜等公用配電裝置。采用集中式換流法接入的電池組數(shù)量多，適用于尺寸與型態(tài)一致的情況：各個(gè)面板位置傾斜、位置偏移及光照強(qiáng)度均相等。但因集中式逆變器的總?cè)萘亢艽?，因此須確?？刂茀^(qū)有一定空間以滿足設(shè)備布置的要求。

2.2 并網(wǎng)方式

分布式光伏水力發(fā)電的并網(wǎng)方法主要包括全部入網(wǎng)、自發(fā)自用和利用余電入網(wǎng)三種方法。自發(fā)利用即俗稱的離網(wǎng)運(yùn)營(yíng)，一般并不對(duì)配電網(wǎng)路產(chǎn)生影響，因?yàn)殡娔苋慷际怯墒褂谜咦约何?，而這種運(yùn)營(yíng)方法通常要求安裝蓄能池用來(lái)儲(chǔ)備臨時(shí)用不完的能量。但由于充電費(fèi)用昂貴，所以其基本費(fèi)用要比無(wú)充電站的價(jià)格高出一倍以上，且用戶的電量也會(huì)受到能量?jī)?chǔ)存的影響，價(jià)格也會(huì)相應(yīng)降低，這并不是一件好事。

2.3 逆變器

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的作用，是將由光伏發(fā)電元件所形成的直流電轉(zhuǎn)換為可被并入到電力分配系統(tǒng)中的交流電力。如：對(duì)光伏設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)可隨時(shí)斷電，記錄運(yùn)行狀態(tài)并將信號(hào)傳送給控制中心。而反相器通常包括直升型和逆變橋型的地線。逆變器不但能控制并變化流量，且能控制整個(gè)光伏發(fā)電裝置的工作情況。

3 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后產(chǎn)生的影響

產(chǎn)生系統(tǒng)潮流。散布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后將形成雙線潮體系，造成功率消耗、電壓降低。所以在并網(wǎng)時(shí)要針對(duì)散布式光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)實(shí)行潮流設(shè)計(jì)，以最大程度減少功率消耗，并增加能量轉(zhuǎn)換率。傳統(tǒng)系統(tǒng)的潮流計(jì)算方法在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用受限，考慮也不充分，使得結(jié)算結(jié)果偏差很大。故需采用新型潮汐計(jì)算方法以改善網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接入方法，從而減少了能量浪費(fèi)。

系統(tǒng)電壓。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在接到配電網(wǎng)路時(shí)產(chǎn)生最大的改變便是負(fù)載上升，電流的上升將會(huì)造成整個(gè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載出現(xiàn)很大變化，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)法接受極大電流變化時(shí)出現(xiàn)短接或通斷的發(fā)生，最后造成整個(gè)供電系統(tǒng)發(fā)生問(wèn)題。所以在并網(wǎng)過(guò)程中應(yīng)減少負(fù)載變化發(fā)生，減少意外事件發(fā)生。

系統(tǒng)損害。分布式光伏發(fā)電體系在接入城市供電網(wǎng)后將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)體系形成很大變化，在并網(wǎng)后又將對(duì)輸配電網(wǎng)絡(luò)路形成很大負(fù)面影響。一般情況下，由于配電網(wǎng)的全部裝置均處于開放式結(jié)構(gòu)，因此并網(wǎng)后將會(huì)使得整個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成巨大損失，從而破壞固有構(gòu)造形式。

系統(tǒng)電能質(zhì)量。并網(wǎng)時(shí)，當(dāng)供電系統(tǒng)無(wú)功率損耗時(shí)電流也會(huì)出現(xiàn)較小波動(dòng)，這是正常情況。但并網(wǎng)后，若配電網(wǎng)中接通較大電流時(shí)會(huì)造成大諧波影響，從而造成電流浮動(dòng)濃度變大。特別是在集中式連接時(shí)，過(guò)高的壓力給線路、整個(gè)供電系統(tǒng)帶來(lái)很大負(fù)擔(dān)，使得發(fā)電機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備產(chǎn)生很大損壞。而在連續(xù)高壓過(guò)程中會(huì)引起整個(gè)供電系統(tǒng)的各種器件產(chǎn)生很大發(fā)熱，如不及時(shí)采取相應(yīng)方法加以解決，會(huì)繼續(xù)增加器件的損失。

4 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)電壓波動(dòng)、越限處理措施。針對(duì)光伏供電引起配網(wǎng)接入點(diǎn)的電壓偏移量超標(biāo)的情形，最普遍的方法是在低壓配電網(wǎng)絡(luò)上設(shè)置穩(wěn)壓器等調(diào)壓設(shè)備。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)資料進(jìn)行系統(tǒng)的剖析與理解，并對(duì)其運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行研究，判斷可能出現(xiàn)電壓過(guò)點(diǎn)的時(shí)間和區(qū)域，再提出適當(dāng)?shù)恼{(diào)控對(duì)策，使負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電力偏移量控制在符合國(guó)家規(guī)定的范圍內(nèi)。

針對(duì)短路電流的處理措施。針對(duì)故障電壓的解決方法，通常情況下對(duì)輸出的電壓變動(dòng)進(jìn)行控制。通過(guò)對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)：通常情況下，PV開關(guān)供電的失效電壓為正常工作狀態(tài)下的2~4倍，時(shí)間為1.2ms~5ms。因?yàn)槟孀兤鞯臒徇^(guò)載效應(yīng)比較微弱，因此必須控制短路額定電流，在達(dá)到限制值后再斷開線路，以保護(hù)內(nèi)部元器件。而通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕湍軌驕p少光伏電源對(duì)事故點(diǎn)附近的故障設(shè)備輸出電壓的貢獻(xiàn)電壓。

針對(duì)直流注入的處理措施。從基本原理上來(lái)講，對(duì)直流輸入的處理方式主要包括電容隔直法和檢測(cè)補(bǔ)償法。電容隔直法的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是能通過(guò)屏蔽直流分量的逆變器，半橋逆變電路也是當(dāng)中一個(gè)主要集成電路形式。在這種集成電路中，由于電容的阻尼作用，使輸出的任意DC成分均能被自動(dòng)地均衡，使直流電壓的輸入不會(huì)發(fā)生。除半橋逆變外，其它的集成電路也可用來(lái)解決直流分量的輸出，只不過(guò)必須先要考量其輸出功率、使用情況、經(jīng)濟(jì)效益等指標(biāo)，然后再選擇使用哪種逆變器。

綜上，由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)大面積并網(wǎng)發(fā)電，光伏系統(tǒng)對(duì)國(guó)家電網(wǎng)的危害也將越來(lái)越明顯，因此為了確保區(qū)域供電和光伏技術(shù)體系的安全運(yùn)營(yíng)，深入研究其對(duì)國(guó)家電網(wǎng)的危害就變得尤為重要。而分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后，產(chǎn)生電壓波動(dòng)性和電流越限的最關(guān)鍵因素就是陽(yáng)光輻照度的改變。當(dāng)周圍溫度固定時(shí)間，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度愈高輸出功率愈大、對(duì)電力系統(tǒng)的傷害愈大，而太陽(yáng)照射強(qiáng)度愈小、對(duì)電力系統(tǒng)的傷害愈小。從整體上看，光伏發(fā)電系統(tǒng)的短路電流所占比例很低。