光伏發電接入智能配電網后的系統問題及解決措施

王宏彬

五家渠愛康電力開發有限公司，新疆 昌吉 831100

0 引言

中國自進入工業革命時期之后，已開發并使用了許多常規的一次能源。BP 能源數據表示，未來20 年內，中國會更多地使用不可再生能源，使用量將遠高于全球的平均值。與此同時，中國對天然氣、石油和煤炭的需求量高于其他國家，并且已經連續五年居全球第一。大量地使用不可再生能源資源會對生態環境產生很大的影響。而且，近年來，世界石油價格持續不穩定，對我國的經濟發展極為不利。為了實現“碳中和”“碳達峰”的戰略目標，我國必須大力發展風電、太陽能、水電等。太陽能發電系統的建設引起人們的關注。鑒于光伏發電靈活、經濟的特點，某些邊遠的地區可以采用光伏發電。由于當前太陽能發電成本高昂，國家為促進太陽能發電發展實施了一系列激勵政策，如制定可再生能源法、發放光伏發電補貼等。

光伏并網是20 世紀80 年代初期發展起來的，此后數十年間，國外大力發展光伏并網，投入了大量的資金和財力。配電網因引入光伏發電系統而改變了電網的布局，若無相應的對策，將會對原電網電壓指數、電流諧波含量、電網頻率等產生不利影響。當電力系統長時間不能滿足電力供應、電力設施等的要求時，電力系統的安全性就會受到威脅。為了確保電網和設備的正常運轉，以及滿足客戶不斷增加的用電要求，必須對并網后的系統問題進行綜合評價。

1 光伏發電技術及并網規范的現狀

1.1 各國光伏發電技術的發展現狀

自20 世紀五六十年代起，各國相繼開展了光伏發電技術的研究。

1.1.1 德國

德國是歐洲各國中最早發展光伏發電技術的國家。根據聯邦太陽能產業協會（BSW-Solar）發布的報告數據顯示，2013 年德國全年新裝光伏系統3.3 GW，符合聯邦網絡管理局12 月初的數字，達成了德國政府的全年3.0～3.5 GW 的預定目標。至此，德國太陽能光伏裝機總量已達到令人驚訝的水平。德國政府的目標是，到2025 年度，以太陽能和風力發電為主的電力占到全球能源消費總量的40%[1]。德國的相關措施值得所有國家借鑒。

1.1.2 美國

美國已建立了專門的機構來研究太陽能，如美國能源部（DOE）、美國能源協會（EPRI）。在20 世紀20 年代末期，美國曾是太陽能技術的領導者，但隨后被德國、日本等國超越。為了重新在光伏發電技術上保持世界領先地位，美國在21 世紀初期就開始制訂新的光伏發電技術發展方案，持續加大資金投入。

1.1.3 日本

日本在緩解能源供需矛盾上尋求突破性進展。目前，日本的太陽能總產量已躋身全球前列。

1.1.4 中國

按照中國能源局“十三五”發展規劃，到2020 年，太陽能發電裝機規模將達到150 GW。實際上，中國在2018 年就達到了這個目標，并在2020 年達到250 GW以上。在中國實現“碳中和”“碳達峰”目標的進程中，將加大對風電、太陽能、水電等可再生資源的投入。我國的供電系統也出現了多樣化的發展態勢。由于光伏發電接入智能配電網能夠有效地降低傳統能量的消耗量，因此并網發電將會是一個新的研究領域。2021 年，我國的光伏發電行業將會進入一個新的發展階段。政府制定了一系列政策，以促進光伏發電行業的發展。中國在一定程度上已經進入了光伏并網的新階段。

1.2 光伏發電接入電網的并網規范發展現狀

電力系統的“并網規范”是電力企業在電力系統中應遵守的基本技術規范。由于國家電網的結構和運作模式的差異，世界上的電網標準也不盡相同，但由于新技術的不斷發展，世界各國都在逐步完善電網標準。在新的電力并網技術中，風力并網技術較為成熟，目前國內外的風力并網發電技術的并網標準比較完善。與之相比，太陽能并網發電技術的并網標準發展比較滯后，并且因為其并網發電的規模較小，所以國外還沒有頒布光伏并網發電的并網規范。只有幾個光伏技術發展迅速的歐洲國家，如德國和西班牙，對中低壓電網的并網標準進行了研究。隨著太陽能技術的迅速發展，太陽能光伏系統的并網能力得到了極大的提高，在技術上也有了較為成熟的標準。接入的配電網絡的電壓水平不同，其并網標準也各有差異。低壓水平通常要求采用單級防護，中高壓光伏并網系統要求具有較高的低電壓穿越能力（LVRT）。中國的并網規范部分參考了國外的太陽能并網技術，于2013 年6 月開始實行。

2 光伏發電技術接入智能配電網后系統存在的問題

2.1 電壓穩定性難以得到有效控制

在智能電網中引入光伏發電技術，會給整個系統帶來巨大的壓力。光伏發電依靠太陽能，受到氣候、光照等自然條件的影響，穩定性較差。將太陽能光伏發電技術引入配電網絡，不僅會對配電網絡的穩定性產生不利影響，還會對供電質量產生一定的影響，嚴重時還可能發生短路、斷路[2]。比如，在大型光伏發電廠中，系統會因高壓而發生故障或停機。由于光伏發電在配網中的輸出功率不能低于配網總容量的10%，如果輸出功率出現錯誤，將會對供電系統的功率循環產生不利影響。

2.2 諧波污染

在智能配電網絡中，直流電能轉化為交流電能會產生大量的諧波，對電網造成諧波污染。因此，必須在直流、交流兩種情況下，設計濾波器，嚴格控制諧波污染。此外，當電力供應系統存在多個諧波源時，會導致諧波能量的累積，造成電力系統的諧波污染[3]。目前，在智能配電網絡中，光伏發電的比重進一步加大。為此，相關部門應采取相應的對策以治理諧波污染。

2.3 系統結構和潮流發生改變

太陽能發電系統與智能配電網絡相結合，使得電力系統負載的變化較大，且電流分布不均衡。一方面，在智能配電網絡中引入分布式電源，將使電網的負載發生改變。另一方面，由于光伏與智能配電網絡之間的互聯，尤其是與負載節點的互聯，使得整個電網的電流分布呈現不規則的漂移和交錯，整個電網的潮流具有隨機性，從而對電力系統的整體潮流產生一定的影響[4]。需要針對電力系統的運行特點、光伏系統的供電特性、節點類型的負載轉移方式，建立一個穩定的電力網絡模型。采用彈性補償的統計方法，構建適合的電力系統。另外，由于電網結構的改變，使供電品質下降，給人民群眾的正常生活帶來不便，對電力工業的穩定發展也產生了一定的影響[5]。在系統運行過程中，由于電流的不規律交替和轉換，會使電力系統的可變性減弱，從而影響電力系統的穩定運行。目前，研究者們正致力于研發更穩定、更安全的電力網絡，使潮流的功能與價值最大化，建立一個綜合的電力分配系統，保證電力的穩定、可靠傳輸。

2.4 電壓偏差

以往的配電系統的網絡結構單一，使得潮流中的節點電壓逐步下降，但目前節點電壓及潮流模式已有較大不同。當采用分布式光伏系統時，電力系統中的有功功率可以對電力系統的輸電能力進行有效控制，同時由于電網中多個結點的電壓持續升高，很可能造成負荷點上的電壓偏移。由于電力系統的容量增大，以及太陽能電池持續發電，往往會導致系統的電壓過高。目前，配電系統低壓調整的方法有有功調整和無功調整兩種。針對低壓系統，采用光伏并網方式，利用有功調整進行低壓調整，可達到節能效果。通過多種交叉轉動的方式對無功進行調整，實現了對無功的增益，既具有靈活性，又無須存儲[6]。若無功功率過多，則會造成電力分配系統的性能因子下降，從而出現電網損耗問題。

2.5 存在孤島效應

孤島效應，簡而言之，就是指在電網失壓或斷開的情況下，發電設備仍作為孤立電源對負載供電，形成供電孤島的現象。孤島效應不僅會損壞用電設備和電力系統，還會威脅維修人員的生命安全，必須采取措施有效預防孤島效應。

3 光伏發電接入智能配電網后系統問題的解決措施

3.1 加強電能監控

在光伏發電接入配電網絡后，必須對配電網絡進行嚴格的監測，以減少其在運行過程中的質量問題。在智能電網的監測中，要考慮智能電網的實際工作狀況，盡量減少開關次數。當與光伏發電裝置相連時，必須采用逆變器，改變傳統的光伏發電接入模式，采用電壓源接入的方式。這種接入方式可以實時調整配電網的電壓輸出功率，有效控制配電網的運行情況，避免光伏發電接入智能配電網系統后出現電壓限制問題。

3.2 采用繼電保護方式維持系統結構和潮流穩定

接入光伏發電時，可以采用繼電保護的方式。這種方式有助于及時發現電力系統出現的故障，并及時對故障進行有效的處理。繼電保護主要對配電網的電流進行監控，當配電網運行中出現結構、電流不穩定情況時，需要及時對出現異常情況的位置進行檢修，以提升配電網的運行質量[7]。光伏發電系統的接入會導致配電網潮流和結構出現不穩定的情況，一旦出現這種情況就要對分布式電源進行隔離，并及時對隔離部分電網進行檢修。采用繼電保護的方式維持系統結構和潮流穩定，以減少光伏電源故障的出現，縮小光伏電源故障的范圍，保證電網供電不會出現斷續的情況。

3.3 調整電網的布局

電網的布局結構分為環網型、輻射型和花瓣型。輻射型配網具有調節電壓的作用，從而確保了電網的供電質量。輻射型配網夠在配電網末端設置切換裝置，從而改變配電網的傳輸方式，確保電網的穩定運行。同時，通過調整配電網的接線結構，可以減小等效阻抗，從而增加輸電線路的電壓[8]。此外，在電網結構調整中，要注重對電網運行費用的控制。

3.4 采用多種電力器件調整系統電壓

在光伏發電系統接入配電網絡后，為了保證配網的穩定運行，必須采取電壓調整策略。

3.4.1 太陽能逆變器

電力系統的并網電壓調節不僅依賴電力系統中的穩壓器和負載變壓器，還要充分利用太陽能逆變器的自動調節能力，以確保系統的調壓效果。利用光伏逆變器進行調壓，無須附加的調壓裝置，僅需調整光伏系統的接入電壓。然而，由于光伏發電系統的接入點比較復雜，使得其自動調節電壓的功能很難實現。一般情況下，500 kW 以上的逆變器能夠正常運行，但500 kW 以下的逆變器必須采取其他的電壓調節措施。

3.4.2 有載調壓變壓器

有載調壓變壓器在分接開關上安裝了多個變壓器繞組分接頭，其工作原理是通過對變壓器繞組進行調整，從而達到對二次線圈電壓的有效調節。現有的有載調壓變壓器是一種采用串聯補償的調壓變壓器，其能夠利用逆變器來調節和控制連續的輸出電壓，調節精度高，調節速度快，可以廣泛地用于光伏并網。

3.5 實施區域聯合調壓

在光伏發電系統與配電網絡連接前，先設置一個站級監測系統，對分布式光伏發電進行統一調度，并對其進行調整。在實施區域聯合調壓時，必須對配電網絡進行升級或在新區建設中預先進行站級監測。

4 總結

總之，光伏發電接入智能配電網系統具有較高的經濟價值，但也存在許多問題。相關人員需要采取多種措施來解決并網中出現的電壓不穩、系統結構被改變、孤島效應諧波污染等問題，助力我國“雙碳”目標的實現。