分布式光伏發(fā)電技術(shù)特性及對(duì)電力系統(tǒng)的影響

黃碧斌洪博文胡 靜戈 狄

（1.國網(wǎng)能源研究院，北京 昌平102209；2.國網(wǎng)河南電力公司許昌供電公司，河南 許昌 461000）

分布式光伏發(fā)電技術(shù)特性及對(duì)電力系統(tǒng)的影響

黃碧斌1洪博文1胡 靜1戈 狄2

（1.國網(wǎng)能源研究院，北京 昌平102209；2.國網(wǎng)河南電力公司許昌供電公司，河南 許昌 461000）

文章基于實(shí)際項(xiàng)目年度運(yùn)行數(shù)據(jù)，以大量圖表的形式，總結(jié)了分布式光伏發(fā)電出力特性，研究了分布式光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的正面和不利影響。

分布式光伏發(fā)電；技術(shù)特性；電力系統(tǒng)；影響

1 引言

隨著分布式能源技術(shù)的不斷提高，分布式能源系統(tǒng)具有的能源綜合利用效率高、污染少、能耗低等優(yōu)點(diǎn)逐步顯現(xiàn)，正逐步成為能源電力系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，在國家的能源戰(zhàn)略中占有重要的地位。無論是作為城市供電的補(bǔ)充，還是解決邊遠(yuǎn)和農(nóng)村地區(qū)的用電問題，分布式電源都具有巨大的潛在市場(chǎng)。

分布式電源接入電力系統(tǒng)將帶來多方面影響，這些影響與分布式電源的技術(shù)特性密切相關(guān)。本文基于實(shí)際項(xiàng)目年度運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析了分布式光伏發(fā)電出力特性，并全面研究了分布式光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的正面和不利影響。

2 分布式光伏發(fā)電出力特性

（1）從短時(shí)和日出力特性來看，光伏發(fā)電出力呈現(xiàn)較強(qiáng)的波動(dòng)性、顯著的時(shí)段性。

光伏出力隨光照強(qiáng)度、天氣、季節(jié)、溫度等自然因素而變化，具有隨機(jī)波動(dòng)性；光伏出力多集中在白天，尤其是午間時(shí)段，而夜晚出力為零，呈現(xiàn)顯著的時(shí)段性，無法持續(xù)穩(wěn)定的供給電力。

以江蘇省分布式光伏發(fā)電為例，晴朗天氣光伏電站出力形狀類似正弦半波，非常光滑，出力時(shí)間集中在7點(diǎn)到19點(diǎn)之間，中午達(dá)到最大；多云天氣由于受到云層遮擋，輻照度數(shù)據(jù)變化大，導(dǎo)致光伏電站出力短時(shí)間波動(dòng)大，總體出力水平也不如晴天。當(dāng)太陽光強(qiáng)迅速變化時(shí)，輸出功率也會(huì)在較大的范圍內(nèi)快速波動(dòng)，小時(shí)級(jí)出力波動(dòng)達(dá)到裝機(jī)容量50%。

圖1 江蘇省某分布式光伏發(fā)電典型日出力特性

相對(duì)于集中式連片的光伏電站具有出力平滑效應(yīng)，分布式光伏發(fā)電裝機(jī)容量小、面積不大，受云層、溫度等多方面影響較大，出力波動(dòng)性相對(duì)更大。

圖2 分布式光伏典型周出力特性（10月22日-10月28日）

（2）從年度出力特性來看，光伏發(fā)電出力呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特性，春秋季發(fā)電較多；全年大部分時(shí)段出力小于其裝機(jī)容量的50%。

受氣候影響，風(fēng)電出力呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)特性。受光照強(qiáng)度和溫度的影響，該江蘇分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目在春季、秋季發(fā)電較多，夏冬季出力較小，尤其是南方較冷的一月和二月份以及處于梅雨季節(jié)的六月份。從該分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目來看，年利用小時(shí)數(shù)為996，接近1000小時(shí)。

圖3 江蘇某分布式光伏發(fā)電年出力特性（2013年）

由于光伏電站出力具有隨機(jī)性、波動(dòng)性特點(diǎn)，光伏電站出力接近滿發(fā)的概率很小，大部分情況下分布式光伏發(fā)電出力小于其裝機(jī)容量的50%。2014年江蘇分布式光伏發(fā)電全年發(fā)電出力的概率分布顯示，出力超過裝機(jī)容量 80%的概率僅為0.1%，超過50%的概率僅為15.8%，而出力小于10%的概率達(dá)到30.8%。

圖4 江蘇某分布式光伏發(fā)電全年出力分布

（3）光伏發(fā)電出力和日間負(fù)荷匹配度較高，具有正調(diào)峰特性，但由于晚上難以發(fā)電，難以有效匹配晚高峰。

從日出力特性匹配來看，光伏發(fā)電出力高峰主要在中午期間，能夠和居民負(fù)荷的日間高峰匹配，具有正調(diào)峰特性，但是由于居民負(fù)荷的全日峰值負(fù)荷通常在晚上，此時(shí)光伏發(fā)電無法發(fā)電，難以起到降低容量需求的作用。

從年出力特性匹配來看，就該江蘇分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目來說，光伏發(fā)電出力最高的三個(gè)月分別是4月、7月和8月，和夏季負(fù)荷高峰在月度上是匹配的。但需要注意的是，是否能夠降低年度峰值出力，需要看夏季時(shí)刻光伏發(fā)電和負(fù)荷的日特性曲線是否匹配。

圖5 江蘇典型日分布式光伏發(fā)電出力和居民負(fù)荷特性

（4）光伏發(fā)電等逆變器類型分布式電源具有不同于常規(guī)電源的控制特性，將對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行提出更高要求。

逆變器類型分布式電源無法向系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在沒有特殊要求的情況下，逆變器類型分布式電源一般沒有類似常規(guī)機(jī)組的下垂頻率控制特性，無法向系統(tǒng)提供一次調(diào)頻。光伏出力波動(dòng)性以及預(yù)測(cè)誤差，對(duì)系統(tǒng)二次、三次調(diào)頻能力提出更高需求。

3 分布式光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響

3.1 正面影響

（1）促進(jìn)可再生能源的開發(fā)利用

利用閑置屋頂資源開發(fā)分布式光伏發(fā)電，可以避免占用大面積土地，充分利用城市農(nóng)村的光照資源，有利于擴(kuò)大可再生能源開發(fā)利用規(guī)模。

（2）解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的能源電力供應(yīng)問題

通過在大電網(wǎng)難以覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)展分布式電源，可以解決這些地區(qū)的電力等能源供應(yīng)不足的問題，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還可充分利用可再生能源，保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

（3）延緩輸變電建設(shè)，降低輸電損耗

分布式光伏發(fā)電使得電能的生產(chǎn)和消費(fèi)盡可能在同一地點(diǎn)完成，不需要進(jìn)行長距離的輸電，降低輸送損耗。此外，還可以減少部分輸變電容量或輸熱容量，延長能源供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)改造的周期。

3.2 不利影響

（1）改變電壓分布，可能出現(xiàn)電壓越限和電流過載

分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)將引起電壓分布變化，分布式光伏發(fā)電投入、退出時(shí)間以及有功無功功率輸出也難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，使得配電網(wǎng)線路電壓調(diào)整控制十分困難。

傳統(tǒng)配電網(wǎng)的調(diào)壓原則是按照高壓側(cè)到低壓側(cè)的潮流單向流動(dòng)考慮，通常將母線電壓維持在一個(gè)較高范圍內(nèi)（如103%～105%的額定電壓），從而保證線路上電壓不低于額定的下限值。

隨著未來分布式光伏發(fā)電的增多，潮流出現(xiàn)反向時(shí)，通過饋線阻抗產(chǎn)生的壓降將使負(fù)荷側(cè)電壓比母線電壓高，進(jìn)而可能出現(xiàn)電壓升高和電流過載問題。尤其在本地負(fù)載較小時(shí)。

圖6 分布式光伏發(fā)電接入對(duì)饋線電壓的影響

圖 6示意了分布式電源接入對(duì)饋線電壓的影響。在沒有分布式電源接入時(shí)，饋線電壓沿饋線從首端到末端逐漸降低，但接入分布式電源后，由于功率反向送入饋電線路，饋線電壓有可能升高。當(dāng)反向功率過大時(shí)，很有可能超過允許的電壓升高限度。

電壓越限的問題主要取決于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和上網(wǎng)功率的大小。該問題尤其容易出現(xiàn)在農(nóng)網(wǎng)地區(qū)，主要有原因是農(nóng)網(wǎng)多采用架空線，長度較長，因此阻抗相對(duì)較大，容易出現(xiàn)電壓升高問題，同時(shí)線路載流量較小也容易引起電流過載問題。

（2）帶來電壓波動(dòng)閃變、諧波、三相不平衡等電能質(zhì)量問題

受光照資源影響，分布式光伏發(fā)電輸出功率具有隨機(jī)性，易造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變。通過逆變器并網(wǎng)，不可避免地會(huì)向電網(wǎng)注入諧波電流，導(dǎo)致電壓波形出現(xiàn)畸變。大量單相光伏發(fā)電系統(tǒng)接入可能導(dǎo)致三相電流不平衡。無隔離的逆變器并網(wǎng)易導(dǎo)致直流分量。

（3）非計(jì)劃孤島給電網(wǎng)檢修人員和電力用戶帶來安全風(fēng)險(xiǎn)

配電網(wǎng)檢修或者故障時(shí)，分布式電源可以繼續(xù)向部分負(fù)荷供電，形成供電孤島。孤島是引入分布式電源以后配電網(wǎng)中新出現(xiàn)的一種新運(yùn)行方式，可以減小停電面積，提高供電可靠性，但是，非計(jì)劃孤島可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)、用戶設(shè)備、維修職員等造成危害，可能出現(xiàn)的供需不平衡還將嚴(yán)重?fù)p害電能質(zhì)量，反而降低了配網(wǎng)供電可靠性。

圖7 孤島運(yùn)行方式

分布式光伏發(fā)電造成的非計(jì)劃孤島運(yùn)行可能造成如下危害：第一，電網(wǎng)維護(hù)人員可能由于孤島運(yùn)行而誤接觸帶電導(dǎo)體發(fā)生觸電事故；第二，與電網(wǎng)供電相比，分布式發(fā)電供電的孤島系統(tǒng)的電能質(zhì)量無法保證。

（4）分布式光伏發(fā)電難以提供較大短路電流，對(duì)短路電流水平和保護(hù)協(xié)調(diào)的影響不大

由于分布式光伏發(fā)電采用逆變器類型并網(wǎng)，短路電流通常不會(huì)超過額定輸出電流的1.5倍［1］，因此光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)不會(huì)引起故障電流過大問題。

表1 不同類型分布式發(fā)電故障電流注入能力

（5）系統(tǒng)安全運(yùn)行問題

隨著接入容量的增加，分布式光伏發(fā)電出力波動(dòng)性將可能顯著改變系統(tǒng)供電負(fù)荷曲線，對(duì)系統(tǒng)有功平衡帶來挑戰(zhàn)，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行靈活性提出更高需求。

隨著系統(tǒng)光伏接入容量的增加，光伏發(fā)電對(duì)系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線將有顯著影響，呈典型的“鴨型”曲線特征，這將對(duì)電力系統(tǒng)有功平衡帶來極大挑戰(zhàn)［2］。如白天光伏發(fā)電充足，滿足電網(wǎng)負(fù)荷需求，甚至?xí)霈F(xiàn)電力過剩；而夜晚，光伏出力為零，需要其他電源能夠快速增加出力，滿足電網(wǎng)負(fù)荷。這就需要電網(wǎng)運(yùn)行具有足夠的靈活性，如足夠靈活的常規(guī)發(fā)電機(jī)組對(duì)光伏出力的變化做出快速反應(yīng)，充足的電網(wǎng)互聯(lián)以發(fā)揮不同區(qū)域的資源優(yōu)勢(shì)，充足的需求側(cè)響應(yīng)資源等，保證系統(tǒng)有功平衡和運(yùn)行安全。

圖8 大比例分布式光伏接入后的凈負(fù)荷“鴨形”曲線

4 結(jié)語

分布式光伏發(fā)電已成為近中期分布式電源發(fā)展的重點(diǎn)，需要全面了解其出力特性及對(duì)電力系統(tǒng)的影響，把握發(fā)展需要解決的關(guān)鍵問題。本文基于我國實(shí)際項(xiàng)目年度運(yùn)行數(shù)據(jù)，全面分析了分布式光伏發(fā)電出力特性及對(duì)電力系統(tǒng)的影響，為分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)相關(guān)研究提供參考。

本文針對(duì)分布式電源接入的綜合經(jīng)濟(jì)分析問題，結(jié)合分析方法特點(diǎn)和需求，提出了分布式電源接入綜合經(jīng)濟(jì)效益分析軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)方案，可實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)后綜合經(jīng)濟(jì)效益的科學(xué)定量評(píng)估，并且具備良好的通用性和擴(kuò)展性，可在此平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行更全面、更深入的分析功能的開發(fā)。

［1］ 胡成志，盧繼平，胡利華，等.分布式電源對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響的分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29（8）：36-39.

［2］ Flexibility Resource Adequacy Criteria and Must-Offer Obligation［R］.USA：California ISO，2014.

Technical characteristics of distributed photovoltaic power generation and its effects on power system

Based on annual operating data from projects， this paper summarizes the characteristics of distributed photovoltaic power generation in the form of charts. Then the positive and negative effect of distributed photovoltaic power generation on power system is studied.

Distributed PV； technical characteristics； power system； influence

TM73；TM61；TM727.2

A

1008-1151（2016）01-0041-03

2015-12-11

黃碧斌（1982-），男，江蘇宜興人，國網(wǎng)能源研究院高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉春头植际诫娫吹恼叻ㄒ?guī)、規(guī)劃運(yùn)營和技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究。