分布式光伏發電系統并網問題研究

劉繼軍

(太原工業學院，山西 太原 030024)

1 引言

太陽能光伏發電與生物質能、風能等幾種常見的新能源發電相比，具有其獨特的優勢。如太陽能取之不盡、用之不竭，發電過程中對環境無污染，最少環節的能量轉換，無需運輸就地取用等。近年來，隨著全球能源危機的日益緊迫和各國加大光伏補貼，光伏產業迅速發展。

我國擁有光伏產業規模尤其是產能上的絕對優勢，但一直以來都是以出口為主，如何減少歐美國家對光伏產業“雙反”所帶來的影響，如何擴大內需進而促進我國光伏產業的持續發展，成為亟待解決的問題。對于配電網絡而言，由于光伏并網發電的特性有別于常規發電方式，因此有必要通過分析光伏發電的特性研究其對電網的影響，從而在充分發揮光伏電站作用的同時，將光伏電站對配電網的影響降到最低。

分布式光伏發電系統是常見的一種裝機規模較小，布置在用戶附近的發電系統，它采用光伏組件，將太陽能直接轉換為電能。[1]為了保證用戶用電的可靠性及電能質量，此系統通常需接入公共電網。

2 分布式光伏發電系統接入對公網的影響

2.1 對公網規劃的影響

負荷預測是電網規劃設計的基礎，能否準確地預測負荷是電網規劃的前提條件。分布式光伏電站的并網，加大了其所在區域的負荷預測難度，改變了既有的負荷增長模式。大量的分布式電站的接入，使配電網的改造和管理變得更為復雜。

2.2 對電能質量的影響

2.2.1 對饋線穩態電壓的影響

電力系統中一般通過投切電容器和改變有載調壓變壓器(LTC)的分接頭調壓調節電壓，很少配置其他的動態無功調節設備。若新能源發電接入電網所占比例較大，新能源發電站的功率波動性將使線路的負荷潮流也極易波動，加大電網正常運行時的電壓調整難度。[2]圖1中光伏發電站未接入時配電饋線1～13節點電壓均在限制范圍內，此時變電站有載調壓變壓器分接頭位于+4檔，當光伏發電站接入變電站低壓側時，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，則此時饋線后端節點的電壓將越限。

圖1 新能源發電接入前后饋線電壓

2.2.2 對電網電壓波動和閃變的影響

電網電壓波動和閃變主要由分布式光伏發電站開停機、出力波動變化以及發電站補償電容器投切造成。分布式光伏發電站輸出功率波動是其引起電網電壓波動和閃變的直接原因。光伏發電站的輸出功率隨光照強度和溫度波動變化，圖2為某地6MW光伏并網發電站接入電網時，發電站與電網公共連接點在24h時間內的相電壓波動曲線，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%。通常光伏發電站所接入的電網短路容量越大，則表明該配電網絡越堅強，光伏發電站的功率波動以及啟停引起的公共接入點的電壓波動和閃變就越小。

圖2 分布式光伏發電公共連接點電壓波動

2.2.3 對電網諧波的影響

由于并網光伏逆變器的絕緣柵雙極型功率開關(IGBT)的物理特性，以及采用脈寬調制控制方法的逆變器自身特點，并網光伏電站運行時會產生相應的電壓電流諧波，且由光照強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為并網光伏發電站在晴轉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，電網不對稱故障產生的負序電壓以及配網自身的電壓諧波，將導致新能源發電機組產生附加的諧波電流，該部分電流諧波特性由變流器的控制策略決定。

圖3 光伏發電站總電流諧波畸變率

2.3 對繼電保護的影響

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

2.4 孤島效應

孤島效應是指當電網由于電氣故障或自然因素等原因中斷供電時，并網發電系統仍然向周圍的負載供電，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;其次是某些特殊情況下斷開公網支持，將會損壞用電設備;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。

3 應對措施

3.1 健全分布式光伏發電接入配電網的技術標準與規范

研究分布式光伏并網發電系統的技術參數和控制特性及承受大電網擾動能力的技術要求與標準，研究光伏發電系統并網的規模、接入電壓等級、無功配置和電能質量等方面的技術標準，引導與規范分布式光伏發電系統有序地接入電網，確保發電系統及其控制設備不會對電網的安全穩定運行造成危害。

3.2 建立計算全電網電壓波動的頻域分析方法

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

3.3 研究改進監測控制軟件

加強對配電網的實時監視、控制、調節，原配電網是一個無源的放射形電網，信息的采集、開關的操作及能源的調度相對簡單。光伏發電系統的接入使此過程趨于復雜化，電網運行需要監視的信息類型和范圍增加，需要協調控制的對象增加。此外，由于分布式光伏電站的加入，個別的配電網區域內的潮流流向可能由原來的單向變為雙向，這樣就需要對電能計量模式從軟件端進行修改。

3.4 加強反孤島檢測

研究光伏并網系統孤島檢測的方法，研究緊急狀態下負荷切除和孤島劃分的優化選擇技術，研究孤島運行和聯網運行的無縫切換控制技術，研究光伏發電對配電網中短路電流大小、流向及分布的影響，以及含光伏電站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。另外還需加入遠程控制，有效對光伏電站進行檢測并控制。

3.5 區分和控制諧波污染

按照《光伏發電站接入電力系統技術規定》光伏發電站并網運行時，向公共連接點注入的諧波電流應滿足GB/T 14549－1993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，保證電能質量。[4]

表1

為了區分光伏發電站和配電網各自承擔的諧波責任，可根據系統和負荷參數確定參考諧波阻抗，再由PCC點諧波電流測量值估計用戶諧波電壓發射水平。或通過研究用戶波動與背景諧波變化對公共聯結點諧波電流、諧波電壓的影響，建立一種基于用戶主導波動量篩選原理的用戶諧波發射水平估計方法。對于含光伏發電站的電網，正確區分配電網和光伏電站在公共連接點產生的電壓電流諧波水平，有利于監測和治理光伏發電并網所帶來的諧波污染。

4 綜述

隨著上游晶體硅產業和光伏發電技術的日趨成熟，每千瓦光伏發電的建設成本相比其他可再生能源已具有相同的經濟優勢。然而，通過本文對光伏電站接入電網問題的研究可看到，光伏發電其實還存在不少的技術問題需要解決和完善。

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

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

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

[4]何艷榮.世界太陽能行業發展趨勢[J].太陽能信息光伏專刊2006，8：(5 －6).