光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

協(xié)鑫集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院 ■ 焦曉雷 吳洪寬 潘高楓 蘇保剛

0 引言

隨著近幾年分布式光伏發(fā)電的發(fā)展，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在配電網(wǎng)中所占的比例快速增加。為了優(yōu)化光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)，國(guó)家能源局實(shí)施了由傳統(tǒng)光伏電站向分布式光伏轉(zhuǎn)變的基本策略。按照國(guó)務(wù)院的相關(guān)要求，“十二五”期間，我國(guó)要將光伏發(fā)電容量升高到35 GW，而分布式光伏能源容量要占20 GW，這也是促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的積極信號(hào)[1]?！笆濉逼陂g，國(guó)家能源局又進(jìn)一步提出，地區(qū)應(yīng)當(dāng)加快光伏發(fā)電示范區(qū)建設(shè)，爭(zhēng)取在2020年，全國(guó)范圍內(nèi)要落成100個(gè)分布式光伏示范區(qū)，并在80%的新建屋頂安裝分布式光伏發(fā)電裝置，以及現(xiàn)有的屋頂要有一半左右的覆蓋率[2]。國(guó)家能源政策調(diào)整后，分布式光伏能源容量持續(xù)走高，雖然在一定程度上優(yōu)化了能源結(jié)構(gòu)，但其固有的不穩(wěn)定性也嚴(yán)重影響了配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)已引起業(yè)內(nèi)對(duì)分布式接入方式的高度關(guān)注。

將建筑屋頂、頂棚等和光伏陣列相結(jié)合，即可構(gòu)成光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，它是將建筑物配電網(wǎng)和光伏能源相結(jié)合的具有創(chuàng)新意義的產(chǎn)物，是一個(gè)由多逆變器組成的集群系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]對(duì)配電網(wǎng)最小負(fù)荷時(shí)光伏能源滲透配電網(wǎng)的最大值進(jìn)行了分析和研究。不同于水電和煤電，分布式光伏發(fā)電容易受到光照強(qiáng)度的影響，當(dāng)光照不均時(shí)其所產(chǎn)生的電能也存在差異，波動(dòng)性較大，因此可控能力較差。隨著分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)滲透率的提高，對(duì)系統(tǒng)控制水平的要求越來越高。因此，對(duì)本地資源和負(fù)荷量及分布式光伏系統(tǒng)發(fā)電功率做到準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，達(dá)到可調(diào)、可控將是建筑光伏系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。

1 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.1 短路電流對(duì)配電網(wǎng)的影響

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)都是以煤電和水電為主，光伏、風(fēng)能等清潔能源所占的容量很小。在接入光伏能源時(shí)，需要由光伏能源向短路節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)短路電流，由此便會(huì)影響整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)的故障定位，但通常配電側(cè)的短路故障并不會(huì)引起整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)短路電流發(fā)生較大的變化。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)可知，短路瞬間的電流峰值跟光伏逆變器自身的儲(chǔ)能元件和輸出控制性能有關(guān)。文獻(xiàn)[4]對(duì)分布式能源對(duì)配電網(wǎng)短路電流的影響情況進(jìn)行了介紹。此外，分布式能源向短路節(jié)點(diǎn)提供的短路電流峰值是固定的，一般要求不能高于公共節(jié)點(diǎn)允許的短路電流[5]。

在電力系統(tǒng)中，熔斷保護(hù)一般采用保險(xiǎn)管來防止因過流而引起的線路中的設(shè)備損壞。結(jié)合分布式光伏電源的特性可知，饋線短路故障發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)由于光伏電源提供絕大部分短路電流而導(dǎo)致饋電線路無法檢測(cè)出短路故障的情況。在文獻(xiàn)[6]中，劉健等借助仿真軟件對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)中常見的相間短路故障進(jìn)行了模擬和分析，并得出結(jié)論：當(dāng)光伏電源發(fā)生故障時(shí)的短路電流一般不會(huì)高于其正常工作值的1.5倍，并且在逆變器回路中應(yīng)當(dāng)單獨(dú)設(shè)置熔斷保護(hù)措施。

1.2 防孤島保護(hù)及反孤島策略

2002年，IEA-PVPS-Task-5結(jié)合故障樹理論，指出光伏能源存在非正常孤島現(xiàn)象，并介紹了當(dāng)分布式光伏能源滲透率超過最低負(fù)荷工作時(shí)間段的6倍以上時(shí)，光伏能源的非正常孤島并不會(huì)引起觸電事故，觸電事故的概率小于10-9次/年。結(jié)合上述結(jié)論，在管理工作到位和逆變器具有孤島功能的條件下，光伏電源的計(jì)入并不會(huì)給配電網(wǎng)帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。有荷蘭學(xué)者曾經(jīng)對(duì)當(dāng)?shù)鼐哂泄夥娫吹呐潆娋W(wǎng)的孤島情況進(jìn)行了分析和計(jì)算，指出光伏電源發(fā)生孤島的可能性是10-6～10-5次/年。通過上述分析可知，住宅區(qū)接入光伏電源引發(fā)非正常孤島現(xiàn)象的概率幾乎為零。

在文獻(xiàn)[7]中，歐盟Dispower項(xiàng)目研究了德國(guó)使用的帶監(jiān)測(cè)電網(wǎng)阻抗變化的反孤島策略，并對(duì)帶頻率監(jiān)測(cè)的光伏逆變器和電網(wǎng)電壓進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，若電網(wǎng)處于低阻抗運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，逆變器的工作狀態(tài)較為穩(wěn)定；若電網(wǎng)處于高阻抗運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，光伏逆變器檢測(cè)阻抗的精度變差。從目前情況來看，對(duì)光伏電源反孤島策略的標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，因此還未制定出完善的解決措施。

當(dāng)前，世界范圍內(nèi)對(duì)孤島檢測(cè)方法主要包括：被動(dòng)檢測(cè)(Passive Method)、主動(dòng)檢測(cè)(Active Method)及基于通信的聯(lián)鎖跳閘(Inter-tripping)。其中，前2種檢測(cè)方法都是在本地局部信息的基礎(chǔ)上完成，其安裝位置一般布置在分布式光伏電源的輸出端[8]。

1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)

儲(chǔ)能系統(tǒng)作為光伏發(fā)電系統(tǒng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，其地位的重要性不言而喻。作為配電網(wǎng)調(diào)峰的主要系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有調(diào)度功能，對(duì)配地網(wǎng)的負(fù)荷控制、頻率調(diào)整具有重要意義。雙向逆變器作為儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)相耦合的核心器件，其性能決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)能否實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地存儲(chǔ)或補(bǔ)償系統(tǒng)的有功或無功。

由于受外界因素的影響，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率并不穩(wěn)定，因此在文獻(xiàn)[9]中，王中秋等提出了采用蓄電池作為儲(chǔ)能裝置的解決方案，思路是：將儲(chǔ)能控制主電路布置在母線上，通過檢測(cè)母線電壓大小來對(duì)蓄電池進(jìn)行充電或放電，維持電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的平衡，防止供電頻率發(fā)生波動(dòng)。此外，文獻(xiàn)[10]中程志江等提出了將超級(jí)電容和蓄電池相結(jié)合的解決方案，其思路是：低頻功率由蓄電池負(fù)責(zé)控制，高頻功率則由超級(jí)電容控制，雙管齊下，避免負(fù)載變化引起直流母線電壓的波動(dòng)。

1.4 電能質(zhì)量

為了保障電網(wǎng)的運(yùn)行安全與穩(wěn)定性，世界各國(guó)對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量提出了較高的要求，并以此來對(duì)其并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范?，F(xiàn)行比較典型的標(biāo)準(zhǔn)主要有IEEE Std 929-2000、IEEE Std 1547-2003 等，上述標(biāo)準(zhǔn)主要是從光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)、電流諧波等方面進(jìn)行了規(guī)定[4]。我國(guó)在GB/T l2325-2008《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》中對(duì)不同電壓等級(jí)的無功補(bǔ)償原則進(jìn)行了規(guī)定，無功應(yīng)盡量做到就地補(bǔ)償，盡可能降低配電網(wǎng)的無功潮流。電壓等級(jí)在10 kV以下的線路允許在公用變壓器上設(shè)置用于無功補(bǔ)償?shù)碾娙萁M，以保證線路處于最大負(fù)荷時(shí)的補(bǔ)償需求，同時(shí)也可避免負(fù)荷較低時(shí)發(fā)生無功功率倒送現(xiàn)象[11]。

美國(guó)電科院(Electric Power Research Institute ，EPRI)的Hingorai博士[12]早在1988年就提出了用戶電力技術(shù)的配電系統(tǒng)概念，其中心思想是應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量和供電可靠性的控制。我國(guó)對(duì)諧波電流總畸變率的問題也進(jìn)行了研究，其中浙江省電科院分別對(duì)220 V、400 V、10 kV的接入系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)都存在畸變率過大的現(xiàn)象。從理論上來看，光伏能源容量的增大會(huì)在一定程度上提高電網(wǎng)的諧波電流，因此，國(guó)際上很多學(xué)者提出將光伏發(fā)電和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)一起作為控制對(duì)象進(jìn)行研究，并探索出兩者之間的關(guān)系[13]。

1.5 并網(wǎng)逆變對(duì)輸出有功和無功功率的影響

就理論而言，光伏發(fā)電系統(tǒng)的無功和有功可以通過逆變器來控制，并以此來對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步達(dá)到穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的目的。目前，很多學(xué)者都對(duì)光伏發(fā)電的無功控制進(jìn)行了研究：在文獻(xiàn)[14]中，趙爭(zhēng)鳴等分析了電網(wǎng)功率和光伏電源之間的傳遞關(guān)系模型；在文獻(xiàn)[15]中，Komatsu建立了電網(wǎng)矢量電壓同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，并利用d-q軸電流實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)到配電網(wǎng)的有功和無功解耦控制模型；在文獻(xiàn)[16]中，Wang等在瞬時(shí)無功理論的指導(dǎo)下，提出了利用負(fù)荷指令來對(duì)電網(wǎng)無功和有功進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?；在文獻(xiàn)[17]中，吳理博等將直流母線電壓控制、配電網(wǎng)無功控制、最大功率點(diǎn)跟蹤等結(jié)合起來，提出了功率因數(shù)的超前滯后控制方案，并在經(jīng)過多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，該方案不僅可以補(bǔ)償無功，同時(shí)也可以有效減小電網(wǎng)的電流諧波。

光伏發(fā)電系統(tǒng)檢測(cè)到直流母排電壓突然增大時(shí)，根據(jù)光伏系統(tǒng)特性就可以判斷其輸出功率降低，這樣有利于實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。在文獻(xiàn)[18]中，Gustavo等搭建了光伏并網(wǎng)發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)，并結(jié)合瞬時(shí)有功理論對(duì)有功上限值和參考電流進(jìn)行設(shè)置，采用比例-諧振的控制方案對(duì)系統(tǒng)發(fā)生相位故障和接地故障時(shí)的情況進(jìn)行了仿真，揭示了低電壓穿越現(xiàn)象。文獻(xiàn)[19]針對(duì)一個(gè)l0 MVA的靜止同步補(bǔ)償器，未采用額外裝置，僅使用減小輸出容量、改變直流母排參考電壓的方式，實(shí)現(xiàn)了低電壓穿越，證明了大容量并網(wǎng)逆變裝置實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的可行性。

1.6 光伏能源對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、規(guī)劃和營(yíng)運(yùn)的影響

隨著能源結(jié)構(gòu)的不斷變化，光伏能源所占的比例會(huì)不斷增加，這也會(huì)引起配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。因此，電網(wǎng)應(yīng)當(dāng)從設(shè)計(jì)和規(guī)劃入手，從根源上處理好電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

從用戶角度看，低電壓配電網(wǎng)絡(luò)會(huì)是未來發(fā)展的主力，因此對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)和改造具有重要意義。為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電流的雙向流動(dòng)，可以適當(dāng)對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的調(diào)整。此外，當(dāng)大容量的分布式光伏能源接入到配電網(wǎng)系統(tǒng)后，可以適當(dāng)增強(qiáng)用戶端的調(diào)節(jié)能力，鼓勵(lì)其積極參與到電力能源的管理當(dāng)中，這樣一來，原有的配電網(wǎng)模型就需要重建。從上述分析可知，配電網(wǎng)一方面要面臨電力市場(chǎng)的自由化，同時(shí)還要盡可能利用國(guó)家對(duì)光伏能源的補(bǔ)貼政策來獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。隨著電網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，一些學(xué)者研究并提出了模擬電站[20]，并將它應(yīng)用在分布式光伏能源的管理上，把隨機(jī)性較強(qiáng)的分布式光伏能源和儲(chǔ)能裝置結(jié)合在一起，作為模擬電站并入到目前的電力生產(chǎn)和輸送系統(tǒng)中。

2 未來的研究方向

1 )集群控制策略。該策略的做法是將多個(gè)逆變器進(jìn)行并聯(lián)，然后根據(jù)系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況來投切對(duì)應(yīng)的變壓器和逆變器，進(jìn)而應(yīng)對(duì)光照因素對(duì)分布式光伏能源輸出功率的影響；同時(shí)通過逆變器的輪流工作使整個(gè)系統(tǒng)不受單臺(tái)逆變器維修或故障的影響，并能使系統(tǒng)各部分的工作達(dá)到最優(yōu)。

2)諧波檢測(cè)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性及諧波環(huán)流的治理。諧波檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性會(huì)直接影響諧波補(bǔ)償電流的大小，如果實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性達(dá)不到要求，不但不能有效補(bǔ)償諧波，還有可能放大諧波。此外，多個(gè)逆變器并聯(lián)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大的諧波環(huán)流，這也是傳統(tǒng)逆變器無法克服的，因此，要想保證諧波補(bǔ)償電流監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，必須對(duì)諧波環(huán)流進(jìn)一步研究和分析，消除其對(duì)配電網(wǎng)的影響。

3)大容量能量轉(zhuǎn)換的多機(jī)并聯(lián)協(xié)作。為了實(shí)現(xiàn)大容量能量轉(zhuǎn)換，各種多機(jī)并聯(lián)協(xié)作的方案也處在論證和競(jìng)爭(zhēng)中，有無變壓器隔離、共用變壓器方案的實(shí)現(xiàn)，以及多電平、多重化和功率器件的串并聯(lián)都是大容量光伏產(chǎn)品的核心問題。

4 )減小或消除孤島檢測(cè)時(shí)對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響。在對(duì)光伏系統(tǒng)功率、電壓和電流等參數(shù)檢測(cè)時(shí)，擾動(dòng)不同步會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響；即使保證了擾動(dòng)同步，也會(huì)因?yàn)楣夥到y(tǒng)并網(wǎng)輸出功率的快速變化而引起配電網(wǎng)電壓、負(fù)荷和電流值的不穩(wěn)定，因此，怎樣在主動(dòng)孤島檢測(cè)時(shí)消除對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響成為亟待解決的難題。

5 )智能化能量管理系統(tǒng)。智能化能量管理系統(tǒng)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)能源兩側(cè)的供需平衡，維護(hù)配電網(wǎng)的供電電壓、頻率穩(wěn)定在合理的區(qū)間內(nèi)，并結(jié)合用戶側(cè)所需負(fù)荷的變化量來對(duì)供給側(cè)進(jìn)行自適應(yīng)控制和調(diào)節(jié)。此外，該系統(tǒng)中還加入了儲(chǔ)能單元、供電優(yōu)化單元、經(jīng)濟(jì)效益分析單元等，這也是未來智能電網(wǎng)發(fā)展的必然方向。

6)逆變模塊與建筑光伏模塊的協(xié)調(diào)控制策略。當(dāng)多個(gè)建筑光伏模塊在直流母線上并聯(lián)集中逆變輸出時(shí)，由于模塊的特性及容量等存在差異，需要對(duì)集中逆變模塊中協(xié)調(diào)控制器的性能及系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

3 一種典型的高滲透率分布式光伏系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

能量滲透率(Energy Penetration，EP)定義為：在系統(tǒng)總負(fù)荷中分布式光伏能源所占的比例。圖1為高滲透率分布式光伏系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，其中，MGCC(Micro-grid control center)為微電網(wǎng)控制中心；FU為本地控制單元；FACTS為柔性交流輸電系統(tǒng)。

1)并網(wǎng)的穩(wěn)定控制。圖1中，儲(chǔ)能裝置和光伏陣列構(gòu)成了功率可調(diào)節(jié)的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過雙向變流器控制該系統(tǒng)的有功功率，維持系統(tǒng)的功率平衡，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的穩(wěn)定。

2)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。電能質(zhì)量調(diào)節(jié)分為諧波治理和無功補(bǔ)償2個(gè)方面，其中全局的無功補(bǔ)償由FACTS實(shí)現(xiàn)，本地?zé)o功補(bǔ)償在DC/AC逆變器環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

3)系統(tǒng)的安全保護(hù)。孤島保護(hù)和繼電保護(hù)都是用于保護(hù)系統(tǒng)安全，其中，繼電保護(hù)采用系統(tǒng)級(jí)和單元級(jí)的分級(jí)保護(hù)方式，孤島保護(hù)分為集中式孤島保護(hù)和分散式孤島保護(hù)。

4)能量管理。在整個(gè)供電系統(tǒng)中，能量管理涉及系統(tǒng)內(nèi)部所有的環(huán)節(jié)，屬于一個(gè)多輸入、多輸出的多變量控制系統(tǒng)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以一個(gè)全局能量管理和多個(gè)單元能量管理的“1+N”管理模式呈現(xiàn)，由MGCC中心依托通信網(wǎng)絡(luò)和中央測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全局的能量管理，即能量管理系統(tǒng)的“1”；FU和分散計(jì)量系統(tǒng)及各個(gè)所控單元實(shí)現(xiàn)分散的能量管理，即能量管理系統(tǒng)的“N”。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。能量管理系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示。

按照系統(tǒng)中不同模塊的位置和功能劃分，能量管理系統(tǒng)包括：中央測(cè)控系統(tǒng)、監(jiān)控和通信網(wǎng)絡(luò)、分散計(jì)量測(cè)控系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的分散計(jì)量測(cè)控系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的各單元分別進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種控制技術(shù)；中央測(cè)控系統(tǒng)將從各分散計(jì)量系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，以使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)；監(jiān)控和通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)MGCC與各子單元間的通信連接。

圖1 一種典型的高滲透率分布式光伏系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 能量管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 總結(jié)

大型地面光伏電站的建設(shè)浪潮過后，各光伏企業(yè)的目光都瞄準(zhǔn)了光伏建筑一體化市場(chǎng)，從2015年底開始，國(guó)內(nèi)分布式光伏的裝機(jī)容量和占比迅速增加，而大量分布式光伏建筑一體化的滲透，勢(shì)必對(duì)配電網(wǎng)造成很大的沖擊和影響，且該問題會(huì)越來越嚴(yán)重。早在2010年，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)就將高密度、多接入點(diǎn)的建筑光伏列為重點(diǎn)研究課題，并制定了國(guó)家的2020年中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃。本文分析了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)光伏建筑一體化的研究現(xiàn)狀及可能的研究方向，并給出了一種典型的高滲透率分布式光伏系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，供相關(guān)人員參考。

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