光伏建筑一體化并網發電系統及配電網關鍵技術研究

協鑫集團設計研究總院 ■ 焦曉雷 吳洪寬 潘高楓 蘇保剛

0 引言

隨著近幾年分布式光伏發電的發展，分布式光伏發電系統在配電網中所占的比例快速增加。為了優化光伏發電結構，國家能源局實施了由傳統光伏電站向分布式光伏轉變的基本策略。按照國務院的相關要求，“十二五”期間，我國要將光伏發電容量升高到35 GW，而分布式光伏能源容量要占20 GW，這也是促進能源結構調整的積極信號[1]。“十三五”期間，國家能源局又進一步提出，地區應當加快光伏發電示范區建設，爭取在2020年，全國范圍內要落成100個分布式光伏示范區，并在80%的新建屋頂安裝分布式光伏發電裝置，以及現有的屋頂要有一半左右的覆蓋率[2]。國家能源政策調整后，分布式光伏能源容量持續走高，雖然在一定程度上優化了能源結構，但其固有的不穩定性也嚴重影響了配電網的安全運行。分布式光伏發電系統接入配電網已引起業內對分布式接入方式的高度關注。

將建筑屋頂、頂棚等和光伏陣列相結合，即可構成光伏建筑一體化并網發電系統，它是將建筑物配電網和光伏能源相結合的具有創新意義的產物，是一個由多逆變器組成的集群系統。文獻[3]對配電網最小負荷時光伏能源滲透配電網的最大值進行了分析和研究。不同于水電和煤電，分布式光伏發電容易受到光照強度的影響，當光照不均時其所產生的電能也存在差異，波動性較大，因此可控能力較差。隨著分布式光伏發電系統對配電網滲透率的提高，對系統控制水平的要求越來越高。因此，對本地資源和負荷量及分布式光伏系統發電功率做到準確預測，達到可調、可控將是建筑光伏系統未來的發展方向。

1 研究現狀及發展趨勢

1.1 短路電流對配電網的影響

傳統的配電網都是以煤電和水電為主，光伏、風能等清潔能源所占的容量很小。在接入光伏能源時，需要由光伏能源向短路節點提供一個短路電流，由此便會影響整個傳輸網絡的故障定位，但通常配電側的短路故障并不會引起整個傳輸網絡短路電流發生較大的變化。結合相關數據可知，短路瞬間的電流峰值跟光伏逆變器自身的儲能元件和輸出控制性能有關。文獻[4]對分布式能源對配電網短路電流的影響情況進行了介紹。此外，分布式能源向短路節點提供的短路電流峰值是固定的，一般要求不能高于公共節點允許的短路電流[5]。

在電力系統中，熔斷保護一般采用保險管來防止因過流而引起的線路中的設備損壞。結合分布式光伏電源的特性可知，饋線短路故障發生時，會出現由于光伏電源提供絕大部分短路電流而導致饋電線路無法檢測出短路故障的情況。在文獻[6]中，劉健等借助仿真軟件對配電網系統中常見的相間短路故障進行了模擬和分析，并得出結論：當光伏電源發生故障時的短路電流一般不會高于其正常工作值的1.5倍，并且在逆變器回路中應當單獨設置熔斷保護措施。

1.2 防孤島保護及反孤島策略

2002年，IEA-PVPS-Task-5結合故障樹理論，指出光伏能源存在非正常孤島現象，并介紹了當分布式光伏能源滲透率超過最低負荷工作時間段的6倍以上時，光伏能源的非正常孤島并不會引起觸電事故，觸電事故的概率小于10-9次/年。結合上述結論，在管理工作到位和逆變器具有孤島功能的條件下，光伏電源的計入并不會給配電網帶來安全風險。有荷蘭學者曾經對當地具有光伏電源的配電網的孤島情況進行了分析和計算，指出光伏電源發生孤島的可能性是10-6～10-5次/年。通過上述分析可知，住宅區接入光伏電源引發非正常孤島現象的概率幾乎為零。

在文獻[7]中，歐盟Dispower項目研究了德國使用的帶監測電網阻抗變化的反孤島策略，并對帶頻率監測的光伏逆變器和電網電壓進行了測試。結果表明，若電網處于低阻抗運行狀態時，逆變器的工作狀態較為穩定；若電網處于高阻抗運行狀態時，光伏逆變器檢測阻抗的精度變差。從目前情況來看，對光伏電源反孤島策略的標準并不統一，因此還未制定出完善的解決措施。

當前，世界范圍內對孤島檢測方法主要包括：被動檢測(Passive Method)、主動檢測(Active Method)及基于通信的聯鎖跳閘(Inter-tripping)。其中，前2種檢測方法都是在本地局部信息的基礎上完成，其安裝位置一般布置在分布式光伏電源的輸出端[8]。

1.3 光伏發電系統與儲能系統穩定控制技術

儲能系統作為光伏發電系統必要的能量緩沖環節，其地位的重要性不言而喻。作為配電網調峰的主要系統，光伏發電系統具有調度功能，對配地網的負荷控制、頻率調整具有重要意義。雙向逆變器作為儲能系統與光伏發電系統相耦合的核心器件，其性能決定了儲能系統能否實時準確地存儲或補償系統的有功或無功。

由于受外界因素的影響，光伏發電系統的輸出功率并不穩定，因此在文獻[9]中，王中秋等提出了采用蓄電池作為儲能裝置的解決方案，思路是：將儲能控制主電路布置在母線上，通過檢測母線電壓大小來對蓄電池進行充電或放電，維持電源側和負荷側的平衡，防止供電頻率發生波動。此外，文獻[10]中程志江等提出了將超級電容和蓄電池相結合的解決方案，其思路是：低頻功率由蓄電池負責控制，高頻功率則由超級電容控制，雙管齊下，避免負載變化引起直流母線電壓的波動。

1.4 電能質量

為了保障電網的運行安全與穩定性，世界各國對并網光伏發電系統輸出的電能質量提出了較高的要求，并以此來對其并網標準進行規范。現行比較典型的標準主要有IEEE Std 929-2000、IEEE Std 1547-2003 等，上述標準主要是從光伏發電系統的功率因數、電流諧波等方面進行了規定[4]。我國在GB/T l2325-2008《電能質量供電電壓允許偏差》中對不同電壓等級的無功補償原則進行了規定，無功應盡量做到就地補償，盡可能降低配電網的無功潮流。電壓等級在10 kV以下的線路允許在公用變壓器上設置用于無功補償的電容組，以保證線路處于最大負荷時的補償需求，同時也可避免負荷較低時發生無功功率倒送現象[11]。

美國電科院(Electric Power Research Institute ，EPRI)的Hingorai博士[12]早在1988年就提出了用戶電力技術的配電系統概念，其中心思想是應用現代電力電子技術和控制技術，實現對配電網系統電能質量和供電可靠性的控制。我國對諧波電流總畸變率的問題也進行了研究，其中浙江省電科院分別對220 V、400 V、10 kV的接入系統進行了測試，結果發現系統都存在畸變率過大的現象。從理論上來看，光伏能源容量的增大會在一定程度上提高電網的諧波電流，因此，國際上很多學者提出將光伏發電和電能質量調節一起作為控制對象進行研究，并探索出兩者之間的關系[13]。

1.5 并網逆變對輸出有功和無功功率的影響

就理論而言，光伏發電系統的無功和有功可以通過逆變器來控制，并以此來對功率因數進行調整，進一步達到穩定電網電壓的目的。目前，很多學者都對光伏發電的無功控制進行了研究：在文獻[14]中，趙爭鳴等分析了電網功率和光伏電源之間的傳遞關系模型；在文獻[15]中，Komatsu建立了電網矢量電壓同步旋轉坐標系，并利用d-q軸電流實現了光伏發電系統到配電網的有功和無功解耦控制模型；在文獻[16]中，Wang等在瞬時無功理論的指導下，提出了利用負荷指令來對電網無功和有功進行補償的控制策略；在文獻[17]中，吳理博等將直流母線電壓控制、配電網無功控制、最大功率點跟蹤等結合起來，提出了功率因數的超前滯后控制方案，并在經過多次試驗后發現，該方案不僅可以補償無功，同時也可以有效減小電網的電流諧波。

光伏發電系統檢測到直流母排電壓突然增大時，根據光伏系統特性就可以判斷其輸出功率降低，這樣有利于實現低電壓穿越。在文獻[18]中，Gustavo等搭建了光伏并網發電試驗平臺，并結合瞬時有功理論對有功上限值和參考電流進行設置，采用比例-諧振的控制方案對系統發生相位故障和接地故障時的情況進行了仿真，揭示了低電壓穿越現象。文獻[19]針對一個l0 MVA的靜止同步補償器，未采用額外裝置，僅使用減小輸出容量、改變直流母排參考電壓的方式，實現了低電壓穿越，證明了大容量并網逆變裝置實現低電壓穿越的可行性。

1.6 光伏能源對配電網絡設計、規劃和營運的影響

隨著能源結構的不斷變化，光伏能源所占的比例會不斷增加，這也會引起配電網結構的調整。因此，電網應當從設計和規劃入手，從根源上處理好電力系統的安全穩定運行。

從用戶角度看，低電壓配電網絡會是未來發展的主力，因此對配電網進行升級和改造具有重要意義。為了適應網絡電流的雙向流動，可以適當對配電網絡的結構進行必要的調整。此外，當大容量的分布式光伏能源接入到配電網系統后，可以適當增強用戶端的調節能力，鼓勵其積極參與到電力能源的管理當中，這樣一來，原有的配電網模型就需要重建。從上述分析可知，配電網一方面要面臨電力市場的自由化，同時還要盡可能利用國家對光伏能源的補貼政策來獲得更多的經濟效益。隨著電網技術的不斷進步，一些學者研究并提出了模擬電站[20]，并將它應用在分布式光伏能源的管理上，把隨機性較強的分布式光伏能源和儲能裝置結合在一起，作為模擬電站并入到目前的電力生產和輸送系統中。

2 未來的研究方向

1 )集群控制策略。該策略的做法是將多個逆變器進行并聯，然后根據系統的整體運行情況來投切對應的變壓器和逆變器，進而應對光照因素對分布式光伏能源輸出功率的影響；同時通過逆變器的輪流工作使整個系統不受單臺逆變器維修或故障的影響，并能使系統各部分的工作達到最優。

2)諧波檢測的實時性、準確性及諧波環流的治理。諧波檢測的實時性和準確性會直接影響諧波補償電流的大小，如果實時性和準確性達不到要求，不但不能有效補償諧波，還有可能放大諧波。此外，多個逆變器并聯運行會產生較大的諧波環流，這也是傳統逆變器無法克服的，因此，要想保證諧波補償電流監測的準確性，必須對諧波環流進一步研究和分析，消除其對配電網的影響。

3)大容量能量轉換的多機并聯協作。為了實現大容量能量轉換，各種多機并聯協作的方案也處在論證和競爭中，有無變壓器隔離、共用變壓器方案的實現，以及多電平、多重化和功率器件的串并聯都是大容量光伏產品的核心問題。

4 )減小或消除孤島檢測時對配電網電壓的影響。在對光伏系統功率、電壓和電流等參數檢測時，擾動不同步會對檢測結果產生影響；即使保證了擾動同步，也會因為光伏系統并網輸出功率的快速變化而引起配電網電壓、負荷和電流值的不穩定，因此，怎樣在主動孤島檢測時消除對配電網電壓穩定性的影響成為亟待解決的難題。

5 )智能化能量管理系統。智能化能量管理系統的主要目標是實現能源兩側的供需平衡，維護配電網的供電電壓、頻率穩定在合理的區間內，并結合用戶側所需負荷的變化量來對供給側進行自適應控制和調節。此外，該系統中還加入了儲能單元、供電優化單元、經濟效益分析單元等，這也是未來智能電網發展的必然方向。

6)逆變模塊與建筑光伏模塊的協調控制策略。當多個建筑光伏模塊在直流母線上并聯集中逆變輸出時，由于模塊的特性及容量等存在差異，需要對集中逆變模塊中協調控制器的性能及系統的穩定性進行研究。

3 一種典型的高滲透率分布式光伏系統拓撲結構

能量滲透率(Energy Penetration，EP)定義為：在系統總負荷中分布式光伏能源所占的比例。圖1為高滲透率分布式光伏系統的網絡結構圖，其中，MGCC(Micro-grid control center)為微電網控制中心；FU為本地控制單元；FACTS為柔性交流輸電系統。

1)并網的穩定控制。圖1中，儲能裝置和光伏陣列構成了功率可調節的光伏儲能系統，通過雙向變流器控制該系統的有功功率，維持系統的功率平衡，實現并網的穩定。

2)電能質量調節。電能質量調節分為諧波治理和無功補償2個方面，其中全局的無功補償由FACTS實現，本地無功補償在DC/AC逆變器環節實現。

3)系統的安全保護。孤島保護和繼電保護都是用于保護系統安全，其中，繼電保護采用系統級和單元級的分級保護方式，孤島保護分為集中式孤島保護和分散式孤島保護。

4)能量管理。在整個供電系統中，能量管理涉及系統內部所有的環節，屬于一個多輸入、多輸出的多變量控制系統。該拓撲結構以一個全局能量管理和多個單元能量管理的“1+N”管理模式呈現，由MGCC中心依托通信網絡和中央測控系統實現全局的能量管理，即能量管理系統的“1”；FU和分散計量系統及各個所控單元實現分散的能量管理，即能量管理系統的“N”。該拓撲結構有較強的可擴展性。能量管理系統拓撲如圖2所示。

按照系統中不同模塊的位置和功能劃分，能量管理系統包括：中央測控系統、監控和通信網絡、分散計量測控系統。光伏發電系統的分散計量測控系統是利用計算機技術對光伏發電系統中的各單元分別進行集中監視、操作、管理和分散控制的一種控制技術；中央測控系統將從各分散計量系統獲得的數據進行統一管理和調度，以使整個系統達到最優；監控和通信網絡負責MGCC與各子單元間的通信連接。

圖1 一種典型的高滲透率分布式光伏系統的拓撲結構

圖2 能量管理系統拓撲結構

4 總結

大型地面光伏電站的建設浪潮過后，各光伏企業的目光都瞄準了光伏建筑一體化市場，從2015年底開始，國內分布式光伏的裝機容量和占比迅速增加，而大量分布式光伏建筑一體化的滲透，勢必對配電網造成很大的沖擊和影響，且該問題會越來越嚴重。早在2010年，國家高技術研究發展計劃(863計劃)就將高密度、多接入點的建筑光伏列為重點研究課題，并制定了國家的2020年中長期發展規劃。本文分析了目前國內外對光伏建筑一體化的研究現狀及可能的研究方向，并給出了一種典型的高滲透率分布式光伏系統的拓撲結構，供相關人員參考。

[1]國家能源局.國務院關于促進光伏產業健康發展的若干意見[EB/OL]. http://www.nea.gov.cn/2014-09/29/c_133682222.htm, 2013-07.

[2]國家發展和改革委員會.太陽能發展“十三五”規劃[EB/OL]. http://www.ndrc.gov.cn/fzgggz/fzgh/ghwb/gjjgh/201708/t20170809_857322.html, 2016-12.

[3]趙波, 張雪松, 洪博文.大量分布式光伏電源接入智能配電網后的能量滲透率研究[J].電力自動化設備, 2012, 32(8): 95-100.

[4]IEEE Std 1547-2003, IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems[S].

[5]Q/GDW 480-2010,分布式電源接入電網技術規定[S].

[6]劉健，林濤, 同向前, 等.分布式光伏電源對配電網短路電流影響的仿真分析[J].電網技術, 2013: 37(8): 2080/2085.

[7]Dispower. State-of-the-Art solutions and new concepts for islanding protection [EB/OL]. https://wenku.baidu.com/view/16b7b115866fb84ae45c8dc1.html, 2006.

[8]Econnect. Assessment of islanded operation of distribution networks and measures for protection[EB/OL]. https://www.researchgate.net/publication/288895789_Assessment_of_islanded_operation_of_distribution_networks_and_measures_for_protection,2001-01.

[9]王中秋, 李鋼. 微網中光伏發電系統的儲能控制研究[J].電網與清潔能源，2013, 29(10): 91-96.

[10]程志江, 李永東, 謝永流, 等.代超級電容的光伏發電微網系統混合儲能控制策略[J].電網技術，2015, 39(10): 2739-2745.

[11]GB/T 12325-2008, 電能質量供電電壓允許偏差[S].

[12]Hingorani N G. High Power Electronics and Flexible AC Transmission System[J]. IEEE Power Engineering Review, 1988,8(7): 3-4.

[13]禹華軍，潘俊民.一種同時實現無功補償的光伏并網發電技術[J].上海交通大學學報, 2005, 39(8): 49-52.

[14]趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，等．太陽能光伏發電及其應用[M].北京：科學出版社, 2006．

[15]Komatsu Y．Application of the extension pq theory to a mains—coupled photovoltaic system[A]．Proceedings of the IEEE Power Conversion Conference[C]. Osaka, 2002．

[16]Wang Haining，Su Jianhui，Ding Ming，et a1. Photovoltaic grid connected power conditioner system[J]．Proceedings of the CSEE，2007，27(2): 75-79．

[17]吳理博, 趙爭鳴, 劉建政, 等．具有無功補償功能的單級式三相光伏并網系統[J]. 電工技術學報，2006, 21(1): 28-32．

[18]Azevedo G M S，Vazquez G，Luna A，et a1．Photovoltaic inverters with fault ride-through capability[A]．IEEE International Symposium on Industrial Electronics[C]. 2009．

[19]Liu Y，Huang A Q，Tan G, et a1. Control strategy improving fault ride-through capability of cascade multilevel inverter based STATCOM[A]. IEEE Industry Applications Society Annual Meeting[C]. Canada, 2008．

[20]Schulz C，Roder G，Kurrat M. Virtual power plants with combined heat and power micro-units [A].International Conference on Future Power Systems[C].Netherlands, 2006.