光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)的影響分析

王瀚瀾　田有文　張景旭

【摘 要】隨著時代的不斷發(fā)展，清潔能源逐漸成為人們追求的能源，太陽能廣泛應(yīng)用使光伏發(fā)電有了飛速的發(fā)展。本文對分布式光伏發(fā)電進(jìn)行探討，從分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的相關(guān)問題、光伏發(fā)電的特性等方面進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電；配電網(wǎng)；影響；特性

0 引言

在化石能源日益短缺的當(dāng)今社會，無污染的可再生能源成功吸引了人們的視線。太陽能具有可再生、分布廣泛、無污染等優(yōu)勢，成為公認(rèn)的理想替代能源，近年來已被廣泛利用。光伏發(fā)電利用的正是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的原理，光伏發(fā)電（PV）作為分布式發(fā)電（DG）的一種，當(dāng)其大量接入將對配電網(wǎng)造成廣泛的影響，其中包括對配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行的影響、對配電網(wǎng)暫態(tài)運行的影響和對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響等。解決了這些問題才能更好地利用光伏發(fā)電，使其更好的發(fā)展。

1 分布式光伏發(fā)電

光伏發(fā)電受外界天氣條件影響極大，發(fā)電功率會隨著光照強(qiáng)度的變化而劇烈地變化，夏天的多云天氣尤為明顯，其功率在瞬間的輸出變化率甚至能超過10%?，F(xiàn)有主要的并網(wǎng)逆變器的控制方式基本上都是通過控制輸出電流以跟蹤并網(wǎng)點電壓，達(dá)到并網(wǎng)的目的。其輸出為純有功功率，功率因數(shù)接近1，沒有對電網(wǎng)功率因數(shù)調(diào)節(jié)的能力。由于光伏發(fā)電輸出功率的快速波動性，當(dāng)進(jìn)行大容量并網(wǎng)的時候，就要通過旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的工作來進(jìn)行功率調(diào)整的補(bǔ)償，這樣就增加了一個合理安排發(fā)電計劃的研究課題。隨著逆變器輸出負(fù)載的變化，諧波也隨之發(fā)生變化，在輸出減小到額定輸出的90%時，其輸出電流諧波失真甚至?xí)_(dá)到20%以上，這樣就會對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。并網(wǎng)逆變器的抗孤島保護(hù)功能與負(fù)荷狀況的相關(guān)性：隨著并網(wǎng)容量不斷加大，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中會有多種類型的并網(wǎng)逆變器（不同保護(hù)原理）接入同一并網(wǎng)點，導(dǎo)致互相干擾，同時在出現(xiàn)發(fā)電功率與負(fù)載基本平衡的狀況時，抗孤島檢測的時間會明顯增加，甚至可能出現(xiàn)檢測失敗。由以上光伏發(fā)電的特性可知，現(xiàn)有的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)并不是“電網(wǎng)友好型”電源，它與傳統(tǒng)火電、水電，乃至新興的風(fēng)電、生物質(zhì)能都有很大的不同，當(dāng)其接入電力系統(tǒng)時應(yīng)就相關(guān)問題進(jìn)行專門的研究。

2 分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的影響

大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入，不可避免地會對傳統(tǒng)電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計、調(diào)度運行等多方面產(chǎn)生影響。研究和減少這些影響，為電網(wǎng)自身安全穩(wěn)定運行，提出并制定光伏發(fā)電并網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)要求，是一項非常有意義的工作。

2.1 對繼電保護(hù)的影響

中國的配電網(wǎng)大多為單電源放射狀結(jié)構(gòu)，多采用速斷、限時速斷保護(hù)形式，不具備方向性。在配電網(wǎng)中接入分布式電源后，其注入功率會使繼電保護(hù)范圍縮小，不能可靠地保護(hù)整體線路，甚至在其他并聯(lián)分支故障時，引起安裝分布式光伏的繼電保護(hù)誤動作。

在傳統(tǒng)的配電保護(hù)系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)類型主要是通過斷路器，重合器和保險絲組成。三段式過流保護(hù)作為主保護(hù)和備用保護(hù)廣泛應(yīng)用于變電站的饋電線路中：過流分段（過流段I，過流段II，過流段III等）的動作值和時限，實現(xiàn)了電力線路主保護(hù)和下級饋電線路的后備保護(hù)；安裝按照預(yù)先建立的操作程序（例如兩快速和一慢速，兩快速和兩慢速）切除故障，利用重合的動作來恢復(fù)系統(tǒng)通電時隔離和瞬時故障；熔斷絲裝設(shè)于支饋線，通過大于不允許電流值，并持續(xù)一定的時間，以實現(xiàn)其熔斷器被熔斷除去有缺陷的部件，并進(jìn)行隔離。斷路器-重合器、重合器-熔斷器、熔斷器-熔斷器之間選擇性協(xié)調(diào)由斷路器動作電流值，動作延遲，重合器的操作程序和熔斷器選定共同決定。然而，隨著大量的分布式電源接入配網(wǎng)，配網(wǎng)的同一個輻射饋電結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜，其配網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖1。

顯然，DG的接入，使配網(wǎng)變?yōu)槎鄠€電源的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障電流和方向的幅度改變時，傳統(tǒng)的保護(hù)敏感性，選擇性，速度，可靠性都難以滿足更多的DG與網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性的要求。

（1）DG下游故障時，例如f1（f4），由于分支系數(shù)的影響，通過CB2中保護(hù)裝置的故障電流比沒有DG時小，保護(hù)的靈敏度下降，若DG的容量足夠大，保護(hù)甚至完全無法正常啟動造成拒動；因為DG電源的助增作用，重合器和熔斷器故障電流變大，雖然提高了保護(hù)靈敏度，但有可能使速斷保護(hù)范圍流延伸到上級或下級線路，熔斷器熔斷，從而失去了保護(hù)選擇性或上下熔斷器配合失效。

（2）當(dāng)系統(tǒng)的電源供給側(cè)或相鄰的線路故障時，例如f2（F3），該系統(tǒng)的電源和DG會向故障點提供短路電流也，逆向短路電流流過R和CB 2時，重合器和斷路器由于沒有方向的辨識性，若DG容量足夠大時，保護(hù)就會發(fā)生誤動作，從而終止其全線路的運行，嚴(yán)重降低供電的可靠性。

（3）配網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，如果系統(tǒng)側(cè)被斷開而DG沒有斷開，那么會形成孤島運行，如果DG的容量不足，從而使孤島區(qū)域內(nèi)的電壓和頻率下降，就會嚴(yán)重影響電能的質(zhì)量。同時，孤島運行會使得系統(tǒng)在側(cè)檢的成功率大大降低，臨時故障不能保證及時恢復(fù)供電。

2.2 對配電網(wǎng)暫態(tài)運行的影響

光伏電源接入對配電網(wǎng)，對暫態(tài)運行的影響主要表現(xiàn)在對系統(tǒng)電壓波動的影響上。傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，系統(tǒng)電壓波動主要是由有功、無功負(fù)荷隨時間變化所引起的，并且沿線路末端方向，電壓的波動越來越大。如果負(fù)荷集中在系統(tǒng)末端附近，電壓的波動會更大，所以一般盡量避免這種情況的發(fā)生。光伏分布式電源接入配電網(wǎng)后，會影響系統(tǒng)電壓的波動，使其增大或減小，這主要通過2種方式：①光伏分布式電源與當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷協(xié)調(diào)運行，即光伏分布式電源的輸出量隨該負(fù)荷的增加（或減?。鄳?yīng)的增加（或減?。藭r光伏分布式電源將抑制系統(tǒng)電壓的波動；②光伏分布式電源不與當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷協(xié)調(diào)運行，如利用自然資源發(fā)電的光伏分布式電源，由于其輸出量受自然資源（如風(fēng)速、太陽光輻射強(qiáng)度等）影響很大，一般很難控制，所以這類光伏分布式電源很難與當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷協(xié)調(diào)運行，此時光伏分布式電源將可能增大系統(tǒng)電壓的波動。

2.3 對配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行的影響

光伏電源接入對配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行的影響主要體現(xiàn)在對電壓分布和網(wǎng)損的影響。傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般呈輻射狀，穩(wěn)態(tài)運行情況下，電壓沿饋線的潮流方向逐漸降低。光伏電源接入位置會使配電網(wǎng)的電壓和網(wǎng)損受到不同程度的影響，因此需要合理配置。光伏電源具有自治運行（指光伏電源并網(wǎng)而逆變器不受調(diào)度的控制）與調(diào)度運行兩種控制模式。光伏電源工作在自治運行方式時，若在單位功率因數(shù)模式下（通常用戶會設(shè)定這種模式），配電網(wǎng)接入光伏分布式電源后，在穩(wěn)態(tài)情況下（假設(shè)負(fù)荷恒定不變），則因局部線路潮流增加，線路末端電壓會下降，同時因線路壓降增大而造成網(wǎng)損增大。光伏電源工作在調(diào)度運行方式時，由調(diào)度控制可以調(diào)整有功、無功輸出。通過增加光伏電源無功功率輸出，減少有功功率，使得沿饋線的各負(fù)荷節(jié)點處的電壓有所提高，此時線路壓降減小，網(wǎng)損減小。配電網(wǎng)系統(tǒng)電壓被抬高多少與接入的光伏電源的位置及總?cè)萘康拇笮∮嘘P(guān)。當(dāng)光伏分布式發(fā)電相對網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時，系統(tǒng)電壓往往需要適當(dāng)減低，以適應(yīng)光伏分布式發(fā)電注入有功、無功功率抬高部分節(jié)點的電壓。

3 結(jié)束語

開發(fā)可再生能源是我國可持續(xù)發(fā)展基本國策的重點體現(xiàn)，在能源的消耗日益嚴(yán)重的今天，勢在必行。如何更加有效地利用太陽能、減小并網(wǎng)沖擊和電力諧波、提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率、提高功率因數(shù)，也給光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)提出了更高的要求，對于光伏發(fā)電的研究仍需繼續(xù)。

[責(zé)任編輯：湯靜]