論分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的影響

段大偉 馬麗艷

（國網(wǎng)山東省電力公司德州分公司，山東 德州 253008）

論分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的影響

段大偉 馬麗艷

（國網(wǎng)山東省電力公司德州分公司，山東 德州 253008）

隨著近年來分布式發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，我們有必要對(duì)分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)的影響做深入研究。本文通過對(duì)新一代發(fā)電技術(shù)——分布式發(fā)電技術(shù)的簡(jiǎn)介，分別從對(duì)電壓的影響、對(duì)短路電流的貢獻(xiàn)、非正常孤島、注入電流諧波、注入直流分量、對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、規(guī)劃和運(yùn)營(yíng)的影響、提供輔助功能等方面進(jìn)行了闡述。

分布式光伏；配電；電源接入

1.對(duì)電壓的影響

在集中供電的配電網(wǎng)中，多為輻射狀。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，電壓是沿著饋線潮流方向呈慢慢降低趨勢(shì)的。當(dāng)光伏電源被接入后，會(huì)使饋線上的傳輸功率下降，而沿饋線各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)位置的電壓則會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的提高，有時(shí)候或者能造成某些負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓偏移或超標(biāo)，具體該節(jié)點(diǎn)的電壓被抬高到多少，與所接入的光伏電源的部位和它的總?cè)萘坑兄苯拥年P(guān)聯(lián)。一般而言，我們可利用在中低壓配電網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置有載調(diào)壓變壓器和電壓調(diào)節(jié)器等調(diào)壓設(shè)備的方式，來控制負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓，確保其電壓偏移在可控且合規(guī)的范圍內(nèi)。而在調(diào)整配電網(wǎng)的電壓時(shí)，應(yīng)將光伏電源的運(yùn)行方式的設(shè)置合理與否作為重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下，在正午時(shí)因陽光充足，光伏電源出力就會(huì)增大，如果線路輕載，那么光伏電源則會(huì)使接入點(diǎn)的電壓有明顯的抬高態(tài)勢(shì)。

2.對(duì)短路電流的貢獻(xiàn)

一般情況下，我們認(rèn)為當(dāng)配電網(wǎng)絡(luò)側(cè)出現(xiàn)短路時(shí)，接入配電網(wǎng)絡(luò)的光伏電源幾乎對(duì)短路電流無任何貢獻(xiàn)，且穩(wěn)態(tài)短路電流相比較光伏電源額定輸出電流來說，只大19%～20%，且短路一剎那產(chǎn)生電流峰值與光伏電源逆變器本身的儲(chǔ)能元件和輸出控制性能也有著密切的關(guān)系。通常在配電網(wǎng)絡(luò)里，短路保護(hù)的措施多為過流保護(hù)與熔斷保護(hù)相結(jié)合的方法。而對(duì)高滲透率的光伏電源，一旦在饋電線路上出現(xiàn)短路，通常我們認(rèn)為是由于光伏電源提供了大多數(shù)的短路電流，這才導(dǎo)致短路故障難以檢出。根據(jù)多國的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用控制電流注入的光伏電源逆變器對(duì)短路電流貢獻(xiàn)實(shí)際上并不大。

3.非正常孤島

在分布式電源越來越廣泛的接入到配電網(wǎng)絡(luò)中，也在一定程度上增加了非正常孤島高發(fā)的可能，早在1998年IEC曾用“故障樹理論”對(duì)非正常孤島發(fā)生后可能出現(xiàn)觸電可能的問題進(jìn)行了詳細(xì)分析。而到了2002年，IEA-PVPS-Task-5也同樣應(yīng)用了“故障樹理論”對(duì)光伏電源的非正常孤島現(xiàn)象進(jìn)行了分析。此間，同樣把光伏電源滲透率大6倍夜間負(fù)荷的極端情形列入分析范圍內(nèi)，研究發(fā)現(xiàn)，非正常孤島能造成觸電情況發(fā)生的可能性很小，其概率約比10-9次/年還要小。與此同時(shí)，還對(duì)荷蘭當(dāng)?shù)氐哪硞€(gè)典型低電壓住宅區(qū)的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，在該地區(qū)光伏電源出現(xiàn)非正常孤島運(yùn)行的可能概率約為10-5～10-6次/年，出現(xiàn)可能性小到幾乎可以忽略不計(jì)。而如果電網(wǎng)的運(yùn)行狀況不理想，如高阻抗條件時(shí)，光伏電源逆變器則無法準(zhǔn)確檢測(cè)出電網(wǎng)阻抗變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前仍沒有較好的解決方案來滿足德國對(duì)光伏電源反顧到策略的標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過近年來的大量研究和實(shí)驗(yàn)證明：在未來有很多分布式電源接入到配電網(wǎng)中的話，如果措施得當(dāng)，那么就能將非正常孤島風(fēng)險(xiǎn)降低，使其永遠(yuǎn)處于可控的安全合理范圍區(qū)間，且不會(huì)造成系統(tǒng)出現(xiàn)非正常孤島風(fēng)險(xiǎn)有實(shí)質(zhì)性的增加，這也就是說，即便運(yùn)行中出現(xiàn)非正常孤島現(xiàn)象，也不引發(fā)光伏電源等分布式電源接入的技術(shù)壁壘，更不會(huì)形成任何妨礙影響。

4.注入電流諧波

電流諧波對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)和用戶的影響不可謂不重大。其影響范圍一般包括：使電壓平均值有所改變、使電壓出現(xiàn)閃變、使旋轉(zhuǎn)電機(jī)和發(fā)電機(jī)出現(xiàn)發(fā)熱情況、導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)發(fā)熱和磁通飽和狀況、使保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)失誤動(dòng)作、對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾、出現(xiàn)系統(tǒng)噪音等。通常而言，導(dǎo)致光伏電源逆變器出現(xiàn)諧波的原因主要包括：一是50Hz參考基波波形不理想導(dǎo)致；二是在高頻開關(guān)狀況下引發(fā)諧波發(fā)生。而降低甚至消除部分諧波時(shí)，應(yīng)從其影響因素上下手，主要包括諧波間的相位差、配電網(wǎng)的線路阻抗和負(fù)荷。例如，在光伏電源逆變器出現(xiàn)正弦基波的時(shí)候，可通過部分補(bǔ)償?shù)姆绞絹斫档团潆娋W(wǎng)的電壓波形出現(xiàn)畸變的可能，同時(shí)也會(huì)使逆變器輸出的電流諧波量增多，當(dāng)將光伏電源逆變器接入到弱電網(wǎng)內(nèi)的時(shí)，上述現(xiàn)象就會(huì)表現(xiàn)得更為明顯。而如果光伏電源逆變器檢測(cè)配電網(wǎng)電壓生成的是參考基波的時(shí)候，雖然此時(shí)光伏電源逆變器輸出的正弦波電流狀態(tài)良好，但卻不能補(bǔ)償配電網(wǎng)的電壓波形畸變?；诖耍趯?shí)踐運(yùn)行過程中，光伏電源注入的諧波電流通常均達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

5.注入直流分量

直流分量產(chǎn)生的不利影響主要針對(duì)配電網(wǎng)中的變壓器、電流式漏電斷路器（RCD）、電流型變壓器、計(jì)量?jī)x表等部件，其中造成的消極影響最大的莫過于電流式漏電斷路器和變壓器，具體體現(xiàn)有：使電流式漏電斷路器出現(xiàn)失誤動(dòng)作，導(dǎo)致變壓器磁通飽和、發(fā)熱，并在此過程中出現(xiàn)諧波和噪音等問題。為有效控制直流分量的注入，諸多的并網(wǎng)光伏電源逆變器多選用隔離變壓器。而隨著近十幾年來國內(nèi)科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展的日新月異，諸多研究已經(jīng)證實(shí)：去除隔離變壓器對(duì)提高生產(chǎn)效率、控制生產(chǎn)成本有顯著的成效，因此當(dāng)前不帶隔離變壓器的光伏電源逆變器的應(yīng)用也越來越普遍。脈寬調(diào)制（Pulsewidthmodulatim，PWM）技術(shù)的光伏電源逆變器對(duì)控制直流分量輸出效果顯著，而如果遇到配電網(wǎng)電壓的正序不平衡或負(fù)序分量情況時(shí)，則會(huì)給以應(yīng)用了PWM技術(shù)的光伏電源逆變器性能帶來消極影響。

當(dāng)前，在直流分量對(duì)配電網(wǎng)變壓器的影響方面，目前國際上尚無直流分量上線的統(tǒng)一規(guī)定。在不同的國家要求標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，其中在英國，有研究者建議，每相的諧波畸變值應(yīng)控制在≤5%，或每個(gè)光伏電源注入到典型的500kVA配電網(wǎng)變壓器的直流分量≤40mA。而在美國，對(duì)要求每相電流應(yīng)≤有名值的0.5%。

6.對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、規(guī)劃和運(yùn)營(yíng)的影響

當(dāng)前分布式電源接入到配電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用實(shí)例越來越多，同時(shí)集中式發(fā)電在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的比例也在相應(yīng)地降低，這在一定程度上改變了電力網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和控制方法，這一變遷同樣也給電力網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、運(yùn)營(yíng)和控制等各方面提出了更高的要求，可以說這是一個(gè)機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存的新時(shí)代，與時(shí)俱進(jìn)的更新?lián)Q代勢(shì)在必行?？梢灶A(yù)見，未來被消費(fèi)的電能中，將有大部分源于低壓配電網(wǎng)絡(luò)，這也就預(yù)示著加強(qiáng)對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化十分有必要。具體的調(diào)整方向總體而言可概括為怎樣使配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)電流的逆向和正向流動(dòng)相適應(yīng)。至今，專家學(xué)者們提出的前沿概念包括模擬電站和微網(wǎng)，這些新概念是可以應(yīng)用到分布式光伏電源管理過程中的，使有功出力具有隨機(jī)性的光伏電源和有保證出力的電源和儲(chǔ)能裝置等進(jìn)行集結(jié)，使之成為一個(gè)整體的模擬電站或微網(wǎng)，并將其進(jìn)行相應(yīng)的整合，并入到當(dāng)前的電力生產(chǎn)和傳輸框架里。

7.提供輔助功能

當(dāng)前的光伏電源逆變器的功能多樣，具體應(yīng)用有：把光伏陣列出力饋送到電網(wǎng)；作為有源濾波器來用以改善提高電網(wǎng)電能質(zhì)量等。當(dāng)光伏電源和儲(chǔ)能裝置協(xié)作后，將發(fā)揮新的功能，如對(duì)配電網(wǎng)的電壓、頻率和穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)節(jié)，與此同時(shí)，還能為重要負(fù)荷提供UPS功能。此外，光伏電源還具有通過驅(qū)動(dòng)水泵抽水儲(chǔ)能來為電網(wǎng)提供黑啟動(dòng)電源等性能。

結(jié)語

綜上所述，分布式發(fā)電技術(shù)是一種新生的發(fā)電技術(shù)，具有非常好的發(fā)展空間。為更好地與分布式發(fā)電的發(fā)展需求相適應(yīng)，這就要求配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、運(yùn)營(yíng)和控制必須要升級(jí)換代。在分布式發(fā)電技術(shù)中，光伏電源的發(fā)展速度很快，且分布式光伏電源接入到配電網(wǎng)中的應(yīng)用范圍越來越廣泛。座椅，我們必須加大對(duì)分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)影響的研究，并在科學(xué)的研究基礎(chǔ)上，引入新的技術(shù)，并制定有關(guān)管理方法，確保其能安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

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