分布式光伏電源接入配電網(wǎng)方式的研究

吳蔚妍（國(guó)網(wǎng)福建南安市供電有限公司）

分布式光伏電源接入配電網(wǎng)方式的研究

吳蔚妍（國(guó)網(wǎng)福建南安市供電有限公司）

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會(huì)各界對(duì)于新能源的開(kāi)發(fā)利用表現(xiàn)出了迫切的愿望。國(guó)家也出臺(tái)了一些對(duì)新能源利好的政策，越來(lái)越多的分布式電源開(kāi)始被接入公用電網(wǎng)。然而，隨之而來(lái)的電網(wǎng)總體負(fù)荷平衡問(wèn)題對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行又形成了嚴(yán)重的影響。本文從確保配電網(wǎng)安全運(yùn)行的角度出發(fā)，為消除新能源的接入對(duì)配電網(wǎng)的不良影響，從分布式光伏電源的概念與類(lèi)型入手，對(duì)分布式光伏電源的接入方式進(jìn)行了探討，并針對(duì)其對(duì)配電網(wǎng)的影響提出了相應(yīng)的保護(hù)措施。

分布式光伏；配電網(wǎng)；接入方式；影響

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排工作的重視程度的進(jìn)一步加深，越來(lái)越多的分布式發(fā)電設(shè)備被接入配電網(wǎng)系統(tǒng)。作為一種并網(wǎng)發(fā)電形式，分布式光伏電源的應(yīng)用領(lǐng)域主要在中、低壓配電網(wǎng)絡(luò)中，在接入公共電網(wǎng)或離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，一般處于10kV等級(jí)及以下電壓。分布式光伏電源在對(duì)公用電網(wǎng)進(jìn)行能源補(bǔ)充、提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，由于其本身具有對(duì)一次能源不可控的特征，因此如果沒(méi)有配備電能存儲(chǔ)設(shè)備，會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)性及波動(dòng)性的發(fā)電，這對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行和管理造成了嚴(yán)重的影響。因此，為保證分布式光伏電源安全的接入公用電網(wǎng)，需對(duì)其接入方式和保護(hù)措施進(jìn)行深入研究。

1 分布式光伏電源的概念

分布式發(fā)電（Distributed Generation，簡(jiǎn)稱(chēng) DG）與集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離傳輸、大互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)發(fā)電形式有很大不同，這種發(fā)電形式的功率僅為數(shù)千瓦，可以直接布置在配電網(wǎng)上，也可以在負(fù)荷附近分部發(fā)電，是一種清潔環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效、安全可靠的發(fā)電方式。它對(duì)于節(jié)約能源、削峰填谷、緩建輸配電設(shè)備、減少線(xiàn)損、提高供電可靠性等方面，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。光伏電源是分布式發(fā)電技術(shù)中發(fā)展最迅速的部分。分布式光伏電源通過(guò)逆變器接入到配電網(wǎng)中，具有隨機(jī)性。由于容量小、電壓低，分布式光伏電源在公用電網(wǎng)中的接入造成了對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的嚴(yán)重影響，并對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生了威脅。因此，基于配電網(wǎng)安全運(yùn)行的分布式光伏電源和配電網(wǎng)之間交互影響的研究成為近幾年來(lái)配電網(wǎng)相關(guān)研究中的重點(diǎn)課題。分布式光伏電源主要可分為可再生資源和不可再生資源兩大類(lèi)。

1.1 可再生資源類(lèi)

1.1.1 太陽(yáng)能光伏電池

太陽(yáng)能是一種無(wú)污染的環(huán)保型可再生資源，利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電的工作原理是在日照充足的情況下，使用光伏電池對(duì)光能進(jìn)行存儲(chǔ)，并將光能轉(zhuǎn)化為電能。陽(yáng)能光伏電池的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，目前業(yè)界對(duì)于太陽(yáng)能光伏電池的前景一片看好。

1.1.2 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電是利用相關(guān)裝置對(duì)風(fēng)能進(jìn)行收集、存儲(chǔ)，并最終將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電方式。目前，一些國(guó)家在利用風(fēng)力發(fā)電方面已取得了很好的成績(jī)。風(fēng)能也是一種無(wú)污染的環(huán)保型資源，且應(yīng)用前景也十分廣闊。但是由于風(fēng)能發(fā)電技術(shù)對(duì)于地理環(huán)境的特殊要求，在一定程度上限制了這種發(fā)電方式的發(fā)展。

1.1.3 潮汐能發(fā)電

潮汐能發(fā)電的工作原理是，利用相關(guān)裝置對(duì)海水漲潮落潮產(chǎn)生的潮汐能進(jìn)行收集，再利用水輪將潮汐能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成為電能的發(fā)電技術(shù)。

1.1.4 小水力發(fā)電

小水力發(fā)電的工作原理類(lèi)似于潮汐能發(fā)電，主要是利用小規(guī)模的水電站進(jìn)行發(fā)電，但其發(fā)電形式多樣，包括引水方式發(fā)電、堤壩方式發(fā)電、混合方式發(fā)電、抽水蓄水方式發(fā)電等。

1.1.5 熱能發(fā)電

熱能也是一種對(duì)環(huán)境污染小的再生能源。熱能發(fā)電的工作原理是，首先收集熱水產(chǎn)生的熱蒸汽或機(jī)械設(shè)備過(guò)熱產(chǎn)生的熱流，然后利用汽輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過(guò)相關(guān)機(jī)械設(shè)備將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

1.2 不可再生資源類(lèi)

1.2.1 燃料電池

燃料電池的發(fā)電原理是，利用燃料的電化學(xué)反應(yīng)，將其中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的具體過(guò)程為：首先，在燃料電池的負(fù)極（即陽(yáng)極）進(jìn)行氧化反應(yīng)，使燃料失去電子，形成電流；然后，電流在載體的幫助下到達(dá)電池的正極（即陰極），進(jìn)行還原反應(yīng)。作為一種不可再生資源，燃料電池為實(shí)現(xiàn)發(fā)電必需具備中夠的量和大量的氧化劑，而且廢棄的燃料電池還會(huì)造成環(huán)境污染，這是制約燃料電池發(fā)電的重要因素。

1.2.2 微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電原理是以天然氣、汽油作為原料，通過(guò)對(duì)原料進(jìn)行燃燒產(chǎn)生能量并轉(zhuǎn)化為電能。目前，這種發(fā)電方式是運(yùn)用最普遍的分布式電源之一。微型燃?xì)廨啓C(jī)具有體積小，污染小，重量輕等特點(diǎn)，但發(fā)電利用率較低的問(wèn)題是限制其發(fā)展的重要原因。

2 分布式光伏電源的接入方式

分布式光伏電源被接入配電網(wǎng)的方式，是直接影響其利用率和保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。在長(zhǎng)期的實(shí)際工作中，福建省對(duì)分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的接入方式進(jìn)行了有針對(duì)性的分類(lèi)。

2.1 采用10V專(zhuān)線(xiàn)并入電網(wǎng)

這種接入方式主要用于直接與電網(wǎng)企業(yè)進(jìn)行電能交易的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的小型發(fā)電公司，因此無(wú)需直饋用戶(hù)，以專(zhuān)線(xiàn)形式經(jīng)配電線(xiàn)路與電網(wǎng)企業(yè)的變電站或開(kāi)閉所的10kV母線(xiàn)連接，由此需要較大投資經(jīng)費(fèi)。這種接入方式在公共電網(wǎng)未覆蓋的無(wú)電地區(qū)較常出現(xiàn)，可作為一種補(bǔ)充形式的并網(wǎng)方式。如果采用的是完整接線(xiàn)，則對(duì)配電網(wǎng)的綜合調(diào)度與安全控制比較有利，且對(duì)公共電網(wǎng)的其他用戶(hù)產(chǎn)生的直接影響較小，但是這種方式會(huì)對(duì)接入的上一級(jí)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此需在這個(gè)方面開(kāi)展重點(diǎn)保護(hù)措施。

2.2 利用T接方法并入到10kV公用電網(wǎng)線(xiàn)路

T接方法就一種比較經(jīng)濟(jì)的接入方式，且接入形式比較多樣，可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)接入干線(xiàn)或支線(xiàn)。雖然具有經(jīng)濟(jì)、靈活的優(yōu)勢(shì)，但這種方法對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的威脅非常大，會(huì)造成并入網(wǎng)線(xiàn)線(xiàn)路的故障，使得該線(xiàn)路上的所有用戶(hù)受到影響。因此，在采用這種接入方式時(shí)，應(yīng)將其接入配電網(wǎng)的調(diào)度自動(dòng)系統(tǒng)，使其納入配電網(wǎng)的整體統(tǒng)一調(diào)度管理。

2.3 分布式光伏接入380V低壓母線(xiàn)

這種接入方式適用于裝機(jī)容量不超過(guò)6MW的民用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的小型光伏電源。通過(guò)電纜與配電變壓器380V配電系統(tǒng)相連接，可以輕構(gòu)實(shí)現(xiàn)接入。這種并網(wǎng)方式由于操作簡(jiǎn)單，且隨著相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的不斷升級(jí)，其應(yīng)用空間越來(lái)越廣，但是其本身具備的分散性、規(guī)?；?、反調(diào)峰特性、無(wú)調(diào)度管理等特征對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行及管理都帶來(lái)了一定的難度。

3 分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的影響

分布式光伏電源在接入配電網(wǎng)之后，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響，在一定程度上威脅配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

3.1 對(duì)電壓產(chǎn)生影響

分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后，會(huì)造成沿饋線(xiàn)潮流方向的傳輸功率的減少，并降低線(xiàn)損，從而抬高沿饋線(xiàn)各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓。如果電源功率較大，還可能受到光照的影響，產(chǎn)生電壓的波動(dòng)及閃變現(xiàn)象。

3.2 產(chǎn)生非正常孤島

分布式光伏電源在接入配電網(wǎng)時(shí)，會(huì)造成配電網(wǎng)的突然解列而出現(xiàn)停電現(xiàn)象，而此時(shí)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)依然會(huì)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行供電，形成孤島效應(yīng)，這樣會(huì)對(duì)停電線(xiàn)路的用戶(hù)造成嚴(yán)重影響，同時(shí)還會(huì)對(duì)維修人員的安全形成威脅。由于配電網(wǎng)中分布式光伏電源的接入越來(lái)越多，這種非正常孤島的產(chǎn)生也會(huì)隨之增加。

3.3 助增短路電流

分布式光伏電源的接入，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的線(xiàn)路提供短路電流，使線(xiàn)路出現(xiàn)短路故障。同時(shí)，由于分布式光伏電源接入助增的短路電流在故障點(diǎn)會(huì)形成與網(wǎng)側(cè)單一線(xiàn)路計(jì)算值的差異，使得網(wǎng)側(cè)不能及時(shí)反應(yīng)并快速切除故障，因此對(duì)會(huì)線(xiàn)路安全產(chǎn)生極大的影響。

4 分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的相關(guān)保護(hù)措施研究

4.1 對(duì)電壓過(guò)高的控制

針對(duì)分布式光伏電源的接入對(duì)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓的升高影響，一般可根據(jù)實(shí)際情況，在配電網(wǎng)絡(luò)中安裝有載調(diào)壓變壓器或調(diào)壓器等設(shè)備，通過(guò)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償（SVG）調(diào)節(jié)無(wú)功，實(shí)現(xiàn)光伏集中地區(qū)的電壓保持穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 對(duì)非正常孤島的防范

針對(duì)非正常孤島，因從兩個(gè)方面下手進(jìn)行防范。一方面，加強(qiáng)對(duì)光伏電源近區(qū)的負(fù)荷監(jiān)控和預(yù)測(cè)，進(jìn)行有效的電站出力與負(fù)荷統(tǒng)計(jì)分析，近年來(lái)，分布式光伏電源的接入越來(lái)越多，當(dāng)光伏電站的規(guī)模到達(dá)電站出力大于等于干線(xiàn)負(fù)荷時(shí)，就應(yīng)該考慮對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行分網(wǎng)改造，以保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定；另一方面，加強(qiáng)對(duì)電站內(nèi)的保護(hù)裝置的運(yùn)行維護(hù)，基于系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)低電壓穿越能力以及頻率偏差的要求，使配電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)保護(hù)與安全自動(dòng)裝置的定值實(shí)現(xiàn)緊密配合，這樣可以保證在出現(xiàn)非正常孤島時(shí)，電站在無(wú)故障的前提下，快速的將電站與系統(tǒng)隔離開(kāi)。

4.3 對(duì)短路電流的控制

隨著分布式光伏電源的廣泛使用，由其接入配電網(wǎng)產(chǎn)生的短路電流對(duì)配電網(wǎng)的影響也越來(lái)越大，光伏電站在區(qū)域內(nèi)形成一定規(guī)模后，應(yīng)對(duì)負(fù)荷支線(xiàn)末端出現(xiàn)短路故障時(shí)支線(xiàn)的熱穩(wěn)定，以及各個(gè)光伏電站公用并網(wǎng)段線(xiàn)路的短路電流進(jìn)行及時(shí)的校核，同時(shí)對(duì)相關(guān)導(dǎo)線(xiàn)和支線(xiàn)保護(hù)設(shè)備進(jìn)行更換，進(jìn)一步提高光伏電站對(duì)過(guò)電流的保護(hù)靈敏度，從而對(duì)短路電流實(shí)現(xiàn)有效控制。必要時(shí)，還可對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行分網(wǎng)改造，使配電網(wǎng)系統(tǒng)更科學(xué)合理，減少分布式光伏電源接入產(chǎn)生的短路電流對(duì)供電質(zhì)量的影響。

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