分布式光伏并網發電對電網的影響研究

張繼成 周艷華 宋曉薇

摘 要：文中簡單介紹了分布式光伏并網發電系統的概念，著重從孤島效應、電能質量、繼電保護、電網規劃等方面闡述了分布式光伏并網發電對電網的不利影響，并提出科學合理規劃、健全技術標準和規范的對策，希望能為下一步研究提供參考。

關鍵詞：分布式光伏；并網發電；影響；電網安全；對策

Abstract：This article described the distributed photovoltaic grid connected power generation system briefly.Selective analyzing the influence of distributed grid-connected photovoltaic power generation on power grid in terms of anti-islanding，power quality，relay protection，and power grid planning.Meanwhile，such countermeasures are given as rational planning，sound technical standards and standards to provide reference for further research.

Key words：Distributed photovoltaic；Grid connected power generation；Influence；Grid security；Countermeasures

能源是人類生存和發展的基礎。電力作為一種重要的能源，在人們生產生活中扮演者十分重要的角色。隨著人類社會的快速發展，人們對電能的需求量越來越大，傳統火力和水力發電出現了供應不足的狀況。火力發電消耗大量煤炭資源，加之煤炭在燃燒過程中會產生大量的有害氣體和固體顆粒，帶來溫室效應、霧霾等環境問題。發展清潔能源代替傳統能源是解決能源和環境問題的有效途徑。近年來，以太陽能、風能、生物質能、地熱能為代表的可再生能源發電技術發展迅速，特別是光伏發電技術，因其資源豐富、清潔無污染、發電成本低等諸多優點發展尤為迅猛。截至2017年底，我國光伏發電裝機量達1.3億千瓦，同比增長68.7%，連續3年位居全球首位；新增光伏發電裝機5306萬千瓦，增幅達53.6%，連續5年位居世界第一，展現出廣闊的發展前景。分布式光伏發電技術作為新型可再生能源發電技術的代表，憑借其資源豐富、無污染、并網流程簡化等優點呈現出爆發式增長。[1]隨著光伏發電技術的日漸成熟，未來將有大量的分布式光伏并網發電系統接入電網，大規模分布式光伏并網發電很可能會改變現有電網穩定的運行狀態，對智能電網安全運行產生一定的影響。所以，開展分布式光伏并網發電對電網影響的研究工作，對構建穩定堅強智能電網具有重要意義。

光伏發電及并網發電系統簡介

太陽能光伏發電技術是指通過半導體界面的光生伏特效應將光能轉換為電能的一種發電技術，其工作原理是半導體PN結的光生伏打效應。如圖1是光伏發電原理示意圖，在接受太陽光照射時，部分擁有特定能量的光子進入半導體內，將會產生帶負電荷的電子和因失去電子而帶正電荷的空穴，在PN結產生的靜電場的作用下，電子將向N型半導體運動，而空穴則向P型半導體運動，并各自聚集在兩電極部分，達到動態平衡后，PN節中會產生一定的電勢差，如果接通外部負載，負載中就會有電流通過。[2]光伏電池陣列發出的直流電經過逆變器轉化為符合要求的交流電后直接或通過變壓器接入電網。

圖2是典型的分布式光伏并網發電系統控制示意圖，可以看出其主要由光伏陣列、逆變器以及濾波器構成。在分布式光伏接入電網運行時，通過對光伏陣列的最大功率點跟蹤MPPT和并網電流的檢測，將信息實時傳遞到逆變器中，從而不斷調節逆變器輸出的電壓電流，向電網提供合格的電能。

分布式光伏并網發電對電網的影響

2. 孤島效應

當分布式光伏接入電網發電時，“孤島效應”可能是對電網產生的最直接的影響。分布式光伏并網發電系統的孤島效應是指與光伏發電系統連接的電網線路因故障停電時，客戶端的分布式光伏發電系統沒有及時檢測出停電狀態并脫離電網絡，繼續保持向所帶負荷供電，形成公共電網無法控制的自給自足的供電孤島。發生“孤島效應”會對配電網和用戶產生嚴重的影響和危害，主要表現為以下四個方面[3-5]：

（1）威脅電網運維人員的人身安全。當發生故障時，電網停止向供電，并網逆變器仍保持向周邊電網供電時，若運維人員進行電力線路或電力設備檢修，可能引發觸電傷亡的嚴重事故；

（2）損壞用電設備。缺少了電網的支持，電力孤島區域的供電電壓和頻率不穩定，如果孤島運行的分布式光伏并網發電系統無儲能元件或儲能容量太小，用戶負荷還會發生電壓閃變，造成電力客戶的電器設備損壞；

（3）損壞電網設備。供電恢復時，分布式光伏輸出的電壓和電網的電壓可能不同步，恢復供電瞬間將產生很大的電流，對電網設備造成損傷；

（4）對用戶電壓產生影響。如果發生分布式光伏并網發電系統斷開所并入電網的情況，其原有的單相供電模式可能會引起配電網內出現三相負載不對稱的問題，從而對周邊用戶的電壓質量帶來影響。

2. 對電能質量的影響

所謂電能質量，是指電力系統不干擾或影響負荷運行的能力。下面從電壓偏差、電壓波動與閃變及諧波污染三個方面闡述分布式光伏并網發電對電能質量產生的影響。

電壓偏差指的是電力系統改變運行方式或者負荷正常變化時，致使配電系統各點實際電壓偏離額定電壓的現象。現有的配電網通常呈現出輻射的形態，在電網穩態運行狀況下，電壓沿著饋線潮流方向逐漸降低。[6]大量分布式光伏涌入電網發電后，電網的潮流分布改變，會引起饋線的各負荷節點電壓被抬高，造成負荷側電壓越限。[7]此外，受太陽光照度、輻照度等自然條件不斷變化的影響，分布式光伏發電的輸出功率不穩定，造成輸出電壓處于不穩定狀態。[8]

所謂電壓波動指的是電網電壓有效值一系列隨機的快速變動。電網的潮流決定了電網的電壓分布情況，所以電網中負荷消耗和電源注入功率的變化都會引起電網各母線節點的電壓波動。[9]光伏發電的間歇性和波動性決定了其輸出功率的不穩定性，從而引起電網電壓波動。

分布式光伏所發的直流電流必須通過逆變轉換為交流電才可并入公共電網，整流裝置和逆變裝置是分布式光伏發電系統接入電網后不可缺少的設備。整流和逆變裝置具有很大的功率，在將分布式光伏所發的直流電流轉變為交流電的過程中會產生大量的諧波。這些諧波注入電網后將帶來很大的危害，一方面會降低電能在發、輸、配、用過程中的效率，另一方面會嚴重減少電氣設備使用壽命，甚至造成電氣設備燒毀。加之，電網諧波很難被消除，大量的諧波累計會引發功率諧振，嚴重影響電力系統的電能質量。[10]

2.3 對繼電保護的影響

目前，單電源放射狀結構在我國配電網中占據主流，系統潮流方向單一（電源流向負荷），繼電保護裝置以速斷保護形式為主，并不具備方向性。分布式光伏光伏接入電網后，電網潮流將會發生改變，從而對配電網原有的繼電保護將產生一定的影響：[3]

（1）分布式光伏的接入改變了配電系統的網架結構，變成了多電源。在發生故障時，如果分布式光伏接入位置不合理，可能會引起原有的保護裝置發生拒動或誤動現象；[11]

（2）當分布式光伏并網點發生故障，且分布式光伏處于孤島運行狀態時，故障重合閘時可能會引起保護誤動作，導致無法按時恢復供電，降低供電可靠性；

（3）通常情況下，當分布式光伏并網發電系統的功率注入電網時會縮小原有繼電保護區域，干擾繼電保護裝置正常工作。

2.4 對電網規劃的影響

考慮到分布式光伏并網發電系統并網的方式通常是直接接入配電網，當其大規模接入電網時，將會極大地影響電網規劃。

由于大規模分布式光伏發電系統的并入，傳統的配電網計算分析和規劃方法將難以適用于。需要根據分布式光伏運行的特點以及并網的方式重新制定其接入電網的設計方案；[12]

負荷預測是電網規劃的一個重要依據，受自然環境的影響分布式光伏發電具有間歇性和波動性的缺陷，導致電網規劃人員很難準確預測負荷的變化情況，從而影響電網規劃的準確性；[13]

位置和容量是分布式光伏發電系統并網時需要考慮的兩個重要因素，如果選擇不恰當會加大電能的損耗，導致電網絡中某些節點電壓下降或者出現過電壓的現象。

3 對策

大規模分布式光伏并網發電是未來發展趨勢，從保障電網安全穩定運行的角度出發，筆者認為除了加強在諸如光伏并網發電系統的孤島效應檢測技術等技術層面的研究外，還需要在規劃和技術標準方面積極應對分布式光伏發電并網給大電網帶來的新問題

3. 科學合理規劃

針對分布式光伏并網發電對電網安全運行的影響，供電公司要科學合理規劃，為電網安全穩定運行提供保障。大規模分布式光伏接入電網后，裝機容量在電力系統中所占比例將會越來越大，這種情況一方面會改變電網運行控制方式，另一方面原有電網結構的穩定性也會隨之改變。未來電力客戶所用電能很可能主要來自低壓配電網，且電力用戶能夠參與電能運營，這些改變無疑對供電公司提供優質電能提出了挑戰。供電公司應結合當地電網實際情況，科學繪制分布式光伏并網藍圖。以分布式光伏選址和定容、電網安全運行指標等為出發點，開展大規模分布式光伏接入的電網規劃研究工作，為將來大量分布式光伏并網發電后，電網的安全運行提供有效保障。

3. 健全相關技術標準及規范

得益于自身諸多優勢和國家政策的支持，分布式光伏發展迅速，然而與之并網發電相匹配的相關技術標準及規范發展相對滯后。從分布式光伏并網發電系統安全、有序地接入大電網發電的角度出發，電力部門一方面要充分研究分布式光伏并網發電系統的基本技術參數、分析電網抗干擾的能力、掌握分布式光伏并網發電系統的控制特點、細化分布式光伏并網規模、并網電壓等級等方面的技術參數，建立完備的技術標準和規范；另一方面，制定分布式光伏產品進入電網的標準，把好接入網分布式光伏設備的質量關。通過相關技術標準和規范引導分布式光伏合理并網發電，降低對電網的影響[14]。

4 結語

分布式光伏發電技術是解決能源和環境問題的有效途徑，大規模分布式光伏并網發電是未來有利用效能源的快捷方式，但其在電能質量、繼電保護、電網規劃等方面給電網帶來的影響不可忽視，開展分布式光伏并網發電對電網影響的研究工作很有必要。供電公司可以從網源協同的角度出發，通過科學合理規劃，建立健全相關技術標準和規章制度，減少分布式光伏并網給電網帶來的影響，確保電網安全穩定運行以及分布式光伏的健康發展。

參考文獻：

[1]婁素華，胡斌，吳耀武，等.碳交易環境下含大規模光伏電源的電力系統優化調度[J] 電力系統自動化，2014，38（17）：91-97.

[2]何娣.太陽能光伏并網發電系統的研究[D].西安：長安大學，2013.

[3]匡兆平.光伏發電對電網安全穩定的影響[J].江蘇科技信息，2017，35：46-47.

[4]鄒超文.簡析光伏并網發電系統對電網的影響[J].低碳世界，2016，（36）：15-17.

[5]李建坤.光伏發電并網對電網運行的影響及解決策略[J].通訊世界，2017，13（6）：122-123.

[6]趙巖，胡學浩.分布式發電對配電網電壓暫降的影響[J].電網技術，2008，32（14）：5-9.

[7]周峰，楊志雄，王朋.分布式光伏并網對電能質量影響研究[J].通訊世界，2016，19（192）：181-183.

[8]Choi J H，Kim J C.Advanced voltage regulation method of power distribution system interconnected with dispersed storage and generation systems[J].IEEE Trans on Power Delivery，2001，16（2）：329-334.

[9]韓民曉，代雙寅.分布式電源并網中電能質量及相關標準探討[J].中國標準化，2010，8（12）：28-32.

[10]陳煒，艾欣，吳濤，等.光伏并網發電系統對電網的影響研究綜述[J].電力自動化設備，2013，33（2）：26-32.

[11]玄京巖，張艷，劉德馨，等.分布式光伏發電對吉林省電網的影響分析[J].電器與能效管理技術，2018，（6）：66-69.

[12]趙爭鳴，雷一.光伏發電并網對三水電網的影響及對策研究[J].中國電業，2015，12（6）：101-107.

[13]趙爭鳴，雷一.大容量光伏發電技術與并網影響綜述[J].電力系統自動化，2010，35（12）：164-167.

[14]劉潔，袁松振，楊海柱.分布式光伏發電系統對電網的影響與對策[J].通信電源技術，2013，30（2）：41-43.

作者簡介：張繼成（1992-），男，湖北襄陽人，工學碩士，從事電能計量方面的工作；周艷華（1984-），女，湖北襄陽人，工學學士，從事電能計量方面的工作；宋曉薇（1994-），女，湖北襄陽人，工學學士，從事配電運維方面的工作。