分布式光伏對配電網(wǎng)電能質量的影響及調(diào)壓方案

李清然, 張建成

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北保定071003)

分布式光伏對配電網(wǎng)電能質量的影響及調(diào)壓方案

李清然, 張建成

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北保定071003)

摘要：隨著分布式光伏電源在配電網(wǎng)滲透率上升，分布式光伏對配電網(wǎng)電能質量的影響日益增加。在充分利用可再生能源為用戶供電的同時，其電能質量必須得到保證。為了增加配電網(wǎng)的光伏消納能力，分析了分布式光伏電源對配電網(wǎng)電能質量的影響，從裝置角度分析了分布式光伏發(fā)電技術的研究現(xiàn)狀、待解決的問題及未來的發(fā)展趨勢。從現(xiàn)有配電網(wǎng)建設與改造和分布式光伏系統(tǒng)運行控制方法兩個層面研究了增加配電網(wǎng)中光伏滲透率的措施，為分布式光伏技術的發(fā)展及其在配電網(wǎng)的推廣應用起到了積極的推動作用。

關鍵詞：分布式光伏；配電網(wǎng)；電能質量；調(diào)壓方案

中圖分類號:TM615

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.10.001

收稿日期：2015-07-06。

基金項目：國家自然科學基金(51177047)。

作者簡介：李清然 (1989-)，女，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電技術，E-mail：qingrli@126.com。

Abstract：With the increased penetration of distributed photovoltaic system in distribution network, the impact of distributed PV on network power quality is growing. Power quality must be guaranteed in taking full advantage of renewable energy power. In order to increase distribution network’s absorptive capacity of photovoltaic power, the influence of distributed PV for distribution network power quality is analyzed and the status, unresolved problems and future trends are studied from the angle of the devices. Existing distribution network construction and transformation as well as distributed PV systems operation control method are also studied in order to increase the level of PV penetration in the distribution network. The results of this study are conducive to the promotion of distributed photovoltaic technology development and its application in distribution network.

Keywords：distributed PV; distribution network; power quality; voltage regulation scheme

0引言

近年來隨著光伏發(fā)電技術日趨成熟，分布式光伏在配電網(wǎng)尤其是低壓配電網(wǎng)中的滲透率不斷上升[1]。在光伏技術發(fā)展較成熟的德國，約75%的光伏容量為接入低壓配電網(wǎng)的分布式光伏[2]。分布式光伏對配電網(wǎng)的穩(wěn)定性、電能質量、繼電保護、規(guī)劃設計、潮流分布、負荷預測等各方面產(chǎn)生的影響日益增大。

本文以電能質量為切入點，主要探討了分布式光伏對配電網(wǎng)電能質量的影響，從裝置研究角度分析了目前分布式光伏系統(tǒng)各部分的研究現(xiàn)狀和亟待解決的問題。對目前國內(nèi)外關于含分布式光伏電源的配電網(wǎng)的電壓管理措施進行分析和綜述，為推動配電網(wǎng)中光伏滲透率的研究提供參考。

1分布式光伏電源對配電網(wǎng)電能質量的影響

1.1　正面影響

(1)分布式光伏電源接入配電網(wǎng)可以實現(xiàn)能量的就地平衡，避免了遠距離輸電的投資和損耗。當配電網(wǎng)中關聯(lián)負載較大時，分布式光伏電源能夠迅速提供功率支持，提高了配電網(wǎng)帶負荷的能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(2)通過合理配置儲能裝置和利用光伏并網(wǎng)逆變器的無功輸出能力，可以使分布式光伏電源參與配電網(wǎng)電壓、頻率和穩(wěn)定性調(diào)節(jié)[3]。

(3)利用光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與統(tǒng)一電能質量調(diào)節(jié)器結構與控制上的諸多相似，將二者復合，可以降低配電網(wǎng)的設備投資，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電、電能質量的綜合治理、電力中斷補償?shù)萚4]。

1.2　負面影響

分布式光伏電源的接入改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)潮流單向輻射狀供電模式。由于分布式光伏的輸出功率具有隨機性、波動性和不可調(diào)度特性，容易引起電壓波動與閃變、諧波污染、電壓越限等電能質量問題，給配電網(wǎng)電力用戶帶來經(jīng)濟損失，同時危害光伏系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

(1)高光伏滲透率的配電網(wǎng)尤其是較弱的放射形鏈式低壓配電網(wǎng)中，云層遮擋等引起的光伏出力劇烈波動，可能引起電壓驟降、閃變[5]；文獻[6]通過對IEEE13節(jié)點系統(tǒng)研究證實了光伏滲透率高于40%后，多云天氣等引起的電壓波動將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2)高光伏滲透率的配電網(wǎng)中，光伏電源出力超過了配電網(wǎng)消納能力后導致潮流逆流引起電壓升高甚至過電壓等問題限制了配電網(wǎng)的光伏滲透率[7，8]。例如，當光伏電源出力較高而配電網(wǎng)輕載情況下容易發(fā)生潮流逆流導致過電壓等問題。

(3)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中含有大量的電力電子開關器件，會對配電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。尤其是當弱配電網(wǎng)中光伏電源滲透率較高時，還可能發(fā)生諧波的疊加甚至特定次數(shù)的諧波諧振[3]，危害配電網(wǎng)的安全運行。

(4)當電網(wǎng)故障或檢修時，各分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)可能與周圍的負載形成一個孤島供電系統(tǒng)。非正常孤島可能給電力維修人員的安全造成風險，同時用戶的供電電能質量也得不到保證。

2裝置研究

光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一個統(tǒng)一的整體，其中任何一個環(huán)節(jié)的運行狀態(tài)都與整個系統(tǒng)的供電電能質量相關，尤其是其中的最大功率跟蹤(MPPT)裝置、并網(wǎng)逆變器、儲能裝置等。

MPPT裝置通過借助特定的變換電路來實現(xiàn)光伏電源最大輸出功率的跟蹤和控制，其工作特性將直接影響光伏電源的光能利用率和光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電電能質量。目前MPPT控制方法的理論研究較多且方法比較成熟，主要有定電壓跟蹤法、短路電流比例系數(shù)法、差值計算法、擾動觀察法、電導增量法、模糊控制法[9～12]，目前MPPT技術研究偏向于人工智能等更加復雜的控制方案如人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、基于智能方法的復合控制法等[13]，但是過于復雜的控制方案需要大量的數(shù)據(jù)處理工作，會導致微處理器的成本升高、計算延時，實用性有待考量。

在分析項目功能時主要是從成本，質量和進度等方面進行評價，定量和定性分析項目進度和質量，并且按照分析結果對方案進行完善。在分析和研究方案時，需要按照不同發(fā)展條件對比分析不同方案的經(jīng)濟效益，這樣可以確保最大進度價值和質量價值。實現(xiàn)策略管理方案的最優(yōu)化，這樣可以開展高效項目管理。

逆變器的控制方法及輸出濾波器的設計等均會影響供電電能質量。在逆變器的控制方法方面，目前國內(nèi)外已經(jīng)實現(xiàn)了基本交流電能的輸出，但在高質量電能供給控制方面仍然存在一些未能解決的問題，如開關器件的非線性特性以及死區(qū)時間的存在對電能質量的影響與控制問題[14，15]、光照條件或負載劇烈變化時輸出功率的快速跟蹤控制問題[16]、電網(wǎng)擾動情況下逆變器自身抗擾[17，18]和對電網(wǎng)提供有功和無功功率支撐問題[19]、配電網(wǎng)三相不平衡情況下的持續(xù)運行問題[20，21]、非理想電網(wǎng)情況下低電壓穿越問題[22，23]等，目前致力于解決上述問題以提供高質量電能的逆變器控制方法研究在理論層面剛剛開始，而由于理論研究尚未成熟，故裝置層面仍未涉及。濾波器設計方面涉及衰減速率、阻尼特性、諧振抑制等多方面的因素，目前常用的濾波器有L型、LC型、LCL型等，LLCL型濾波器的研究及參數(shù)設計方案也正在興起[24]。

分布式儲能技術作為分布式發(fā)電、智能配電網(wǎng)的支撐技術，在系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)壓、調(diào)頻、平滑分布式電源出力波動、增強分布式電源可調(diào)度性、分布式電源端節(jié)點電壓控制、改善電能質量等方面具有廣闊應用前景[25]。文獻[26，27]對光伏系統(tǒng)中儲能容量優(yōu)化配置問題進行了相關研究。文獻[28]應用超級電容器儲能系統(tǒng)解決光伏電源的低電壓穿越問題。文獻[29]應用儲能系統(tǒng)平抑光伏電源出力波動，實現(xiàn)光伏的柔性并網(wǎng)。針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的間歇性、波動性和隨機性引起的供電電能質量問題，可通過配備一定容量的儲能裝置予以解決，如超導儲能、超級電容儲能、飛輪儲能和蓄電池儲能等[30]。從目前的技術經(jīng)濟情況來看，單一類型的儲能設備很難滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)的要求，混合儲能系統(tǒng)具有較強的技術經(jīng)濟優(yōu)勢[31]?；旌蟽δ芟到y(tǒng)的優(yōu)化控制技術對于提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電電能質量具有重要的作用。

3調(diào)壓方案

主動配電網(wǎng)技術的發(fā)展對提高供電可靠性、改善電能質量提出了越來越高的要求[32]，含分布式光伏電源的配電網(wǎng)電壓控制問題已經(jīng)成為限制分布式光伏電源容量和滲透率的主要因素之一[33]。改善配電網(wǎng)電壓的技術措施可以從配電網(wǎng)和分布式光伏系統(tǒng)兩方面考慮。

3.1　配電網(wǎng)側的措施

(1)在分布式光伏電源規(guī)劃建設階段，根據(jù)歷史環(huán)境數(shù)據(jù)和負荷數(shù)據(jù)等計算分布式電源最佳接入位置、最大允許接入容量[34]等因素。但該方案難點在于接入位置的選擇受地理條件等很多客觀因素限制，并且容量規(guī)劃很難兼顧分布式電源出力、負荷變化的隨機性及二者的協(xié)調(diào)情況，因此單純地依靠規(guī)劃有時不能完全避免過電壓問題。

(2)針對配電網(wǎng)過電壓問題，最直接的解決方案是增大配電網(wǎng)導線的半徑從而減小線路阻抗，但是更換配電網(wǎng)線路的耗資巨大，此方案的可行性最差。

(3)通過調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器的分接頭調(diào)節(jié)分布式光伏電源接入引起的電壓波動[35]，但此方案不能有效處理配電網(wǎng)末端電壓越限的情況，同時頻繁調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器的抽頭可能會降低抽頭控制機構的運行壽命，而且目前大部分低壓配電網(wǎng)沒有配置有載調(diào)壓變壓器。文獻[36]為減少變壓器抽頭的調(diào)節(jié)次數(shù)，提出了基于負荷和光照強度預測的無功優(yōu)化運行策略，將最大功率點跟蹤、饋線的允許電壓范圍等限制因素處理為約束條件，協(xié)調(diào)和優(yōu)化各無功電源的出力。

(4)借助可調(diào)電容器、電抗器等設備調(diào)節(jié)無功和電壓[37]，但是這些設備存在投切瞬間暫態(tài)沖擊較大、響應速度較慢、可能引起系統(tǒng)諧振等問題[38]。

(5)安裝D-STATCOM調(diào)控配電網(wǎng)電壓[39]，增加配電網(wǎng)中光伏滲透率，但這種方法一方面投資較大，另一方面對于有功功率過剩的配電網(wǎng)，電壓控制效果會受到一定的影響。

(6)文獻[40]研究指出，對同樣的功率波動和功率因數(shù)，電壓等級越低電壓波動越嚴重。因此，對于同一容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)，提升光伏并網(wǎng)電壓等級可以一定程度上減輕對配電網(wǎng)電壓的擾動。

3.2　光伏系統(tǒng)側的措施

在不改變配電網(wǎng)現(xiàn)有的網(wǎng)架結構和設備配置情況的前提下，有效管理含分布式光伏電源的配電網(wǎng)電壓對保證配電網(wǎng)電能質量、推廣分布式光伏發(fā)電技術具有重要意義。

3.2.1無功控制方案

由于STATCOM和逆變器結構和控制上存在諸多相似之處，利用光伏系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器的無功輸出能力進行并網(wǎng)點電壓控制成為可能。

目前在并網(wǎng)逆變器無功電壓控制方面還沒有統(tǒng)一的規(guī)定，德國研究人員提出了光伏并網(wǎng)逆變器恒無功功率控制、恒功率因數(shù)控制、基于光伏電源有功功率輸出的cosφ(P)控制、基于并網(wǎng)點電壓的Q(U)控制等多種可能的方案[41～44]。這些方案各自有其優(yōu)缺點：

(1)恒無功功率控制和恒功率因數(shù)控制。這兩個方案控制實現(xiàn)簡單，但靈活性較差，無論配電網(wǎng)是否發(fā)生過電壓光伏發(fā)電系統(tǒng)都會有一定的無功功率輸出，增大了配電網(wǎng)的網(wǎng)損。

(2)基于光伏電源有功功率輸出的cosφ(P)控制。光伏并網(wǎng)逆變器無功輸出僅響應于有功出力，而未考慮配電網(wǎng)電壓。當光伏有功出力較大，但配電網(wǎng)重載時，可能并網(wǎng)點并未發(fā)生過電壓，但逆變器卻有較大的無功輸出，增大了配電網(wǎng)的網(wǎng)損。

(3)基于并網(wǎng)點電壓的Q(U)控制。光伏并網(wǎng)逆變器無功輸出僅響應于自身并網(wǎng)點電壓，當配電網(wǎng)中有多個光伏接入時，某節(jié)點電壓越限，可能其余節(jié)點電壓并未越限，因此配電網(wǎng)總體調(diào)壓能力不足。

許多學者也針對這些逆變器無功控制方案進行了相應的改進。文獻[45]提出協(xié)調(diào)使用光伏和儲能電池來解決電壓升高或跌落問題，對R/X有較大差異的農(nóng)村和城市的配電網(wǎng)中光伏逆變器結合下垂型儲能電池系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)能力進行了評估。文獻[46]將Q(U)控制和cosφ(P)控制復合，增強了配電網(wǎng)中鄰近變壓器的光伏逆變器的無功調(diào)壓能力。文獻[47]根據(jù)電壓敏感性分析結果得到，提供等量的無功功率時，若光伏電源處于配電網(wǎng)末端位置對配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)效果更顯著，據(jù)此設計了與光伏接入位置相關的光伏逆變器功率因數(shù)設定方案。

3.2.2有功控制方案

分布式光伏并網(wǎng)對電網(wǎng)造成不利影響的根本原因在于其出力的不可控性，因此解決配電網(wǎng)電壓問題的另一個思路是控制光伏電源的有功出力。

光伏系統(tǒng)通常工作在最大功率點附近，日本電網(wǎng)規(guī)定當并網(wǎng)點電壓越過設定的上限值時要求光伏系統(tǒng)減少有功出力。但是為了保證最大的經(jīng)濟效益，削減有功出力的方案需要對任何情況下的配電網(wǎng)可以消納的最大光伏有功出力作出實時估計，當光照強度迅速變化如多云天氣，同時考慮負載的隨機無規(guī)則變化，要實時估計配電網(wǎng)可消納光伏功率上限值的難度很大。

文獻[48]研究了基于下垂控制的有功削減控制策略，根據(jù)電壓敏感性分析的結果給各節(jié)點的分布式電源設置不同的下垂系數(shù)，從而使得各分布式光伏都承擔了部分有功削減。文獻[49]基于配電網(wǎng)電壓敏感性分析，優(yōu)化各分布式電源有功無功輸出，調(diào)節(jié)配電網(wǎng)電壓并使得有功網(wǎng)損最小化。

控制光伏電源的有功出力有兩種方法：一是通過調(diào)整光伏電池板的工作點改變光伏電池的輸出功率；二是不改變光伏電池工作狀態(tài)的情況下，通過調(diào)節(jié)儲能裝置的輸出功率改變光伏系統(tǒng)的出力。光伏電池陣列通常工作在最大功率點附近，文獻[50]通過向電池板開路電壓方向移動工作點的方法降低光伏出力，但此方案降低了光伏電池光電轉換的效率，使更多的能量以熱能的形式消耗在電池板中，縮減了電池板的使用壽命。另外，此方案只能在光伏電池最大功率基礎上減少光伏出力。隨著分布式儲能技術的發(fā)展和儲能裝置成本的降低，配備儲能裝置成為分布式光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

4結論

本文探討了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)對配電網(wǎng)電能質量的正反兩方面的影響，從硬件裝置層面分析了目前分布式光伏系統(tǒng)各環(huán)節(jié)應具備的功能、目前的不足及發(fā)展趨勢。從配電網(wǎng)建設、改造與分布式光伏系統(tǒng)自身運行控制兩個角度分析了增加配電網(wǎng)中光伏滲透率的措施。對考慮供電電能質量的分布式光伏電源控制研究具有一定的指導意義。

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Review of Distributed PV’s Impact on Network Power Quality and Voltage Regulation Scheme

Li Qingran， Zhang Jiancheng(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)