分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的影響研究

張繼成 周艷華 宋曉薇

摘 要：文中簡單介紹了分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的概念，著重從孤島效應(yīng)、電能質(zhì)量、繼電保護(hù)、電網(wǎng)規(guī)劃等方面闡述了分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的不利影響，并提出科學(xué)合理規(guī)劃、健全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的對策，希望能為下一步研究提供參考。

關(guān)鍵詞：分布式光伏；并網(wǎng)發(fā)電；影響；電網(wǎng)安全；對策

Abstract：This article described the distributed photovoltaic grid connected power generation system briefly.Selective analyzing the influence of distributed grid-connected photovoltaic power generation on power grid in terms of anti-islanding，power quality，relay protection，and power grid planning.Meanwhile，such countermeasures are given as rational planning，sound technical standards and standards to provide reference for further research.

Key words：Distributed photovoltaic；Grid connected power generation；Influence；Grid security；Countermeasures

能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。電力作為一種重要的能源，在人們生產(chǎn)生活中扮演者十分重要的角色。隨著人類社會的快速發(fā)展，人們對電能的需求量越來越大，傳統(tǒng)火力和水力發(fā)電出現(xiàn)了供應(yīng)不足的狀況?；鹆Πl(fā)電消耗大量煤炭資源，加之煤炭在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的有害氣體和固體顆粒，帶來溫室效應(yīng)、霧霾等環(huán)境問題。發(fā)展清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源是解決能源和環(huán)境問題的有效途徑。近年來，以太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮転榇淼目稍偕茉窗l(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，特別是光伏發(fā)電技術(shù)，因其資源豐富、清潔無污染、發(fā)電成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)發(fā)展尤為迅猛。截至2017年底，我國光伏發(fā)電裝機(jī)量達(dá)1.3億千瓦，同比增長68.7%，連續(xù)3年位居全球首位；新增光伏發(fā)電裝機(jī)5306萬千瓦，增幅達(dá)53.6%，連續(xù)5年位居世界第一，展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。分布式光伏發(fā)電技術(shù)作為新型可再生能源發(fā)電技術(shù)的代表，憑借其資源豐富、無污染、并網(wǎng)流程簡化等優(yōu)點(diǎn)呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長。[1]隨著光伏發(fā)電技術(shù)的日漸成熟，未來將有大量的分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)，大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電很可能會改變現(xiàn)有電網(wǎng)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，對智能電網(wǎng)安全運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響。所以，開展分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)影響的研究工作，對構(gòu)建穩(wěn)定堅強(qiáng)智能電網(wǎng)具有重要意義。

光伏發(fā)電及并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)簡介

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是指通過半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電技術(shù)，其工作原理是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。如圖1是光伏發(fā)電原理示意圖，在接受太陽光照射時，部分擁有特定能量的光子進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)，將會產(chǎn)生帶負(fù)電荷的電子和因失去電子而帶正電荷的空穴，在PN結(jié)產(chǎn)生的靜電場的作用下，電子將向N型半導(dǎo)體運(yùn)動，而空穴則向P型半導(dǎo)體運(yùn)動，并各自聚集在兩電極部分，達(dá)到動態(tài)平衡后，PN節(jié)中會產(chǎn)生一定的電勢差，如果接通外部負(fù)載，負(fù)載中就會有電流通過。[2]光伏電池陣列發(fā)出的直流電經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)化為符合要求的交流電后直接或通過變壓器接入電網(wǎng)。

圖2是典型的分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制示意圖，可以看出其主要由光伏陣列、逆變器以及濾波器構(gòu)成。在分布式光伏接入電網(wǎng)運(yùn)行時，通過對光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT和并網(wǎng)電流的檢測，將信息實時傳遞到逆變器中，從而不斷調(diào)節(jié)逆變器輸出的電壓電流，向電網(wǎng)提供合格的電能。

分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的影響

2. 孤島效應(yīng)

當(dāng)分布式光伏接入電網(wǎng)發(fā)電時，“孤島效應(yīng)”可能是對電網(wǎng)產(chǎn)生的最直接的影響。分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)是指與光伏發(fā)電系統(tǒng)連接的電網(wǎng)線路因故障停電時，客戶端的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有及時檢測出停電狀態(tài)并脫離電網(wǎng)絡(luò)，繼續(xù)保持向所帶負(fù)荷供電，形成公共電網(wǎng)無法控制的自給自足的供電孤島。發(fā)生“孤島效應(yīng)”會對配電網(wǎng)和用戶產(chǎn)生嚴(yán)重的影響和危害，主要表現(xiàn)為以下四個方面[3-5]：

（1）威脅電網(wǎng)運(yùn)維人員的人身安全。當(dāng)發(fā)生故障時，電網(wǎng)停止向供電，并網(wǎng)逆變器仍保持向周邊電網(wǎng)供電時，若運(yùn)維人員進(jìn)行電力線路或電力設(shè)備檢修，可能引發(fā)觸電傷亡的嚴(yán)重事故；

（2）損壞用電設(shè)備。缺少了電網(wǎng)的支持，電力孤島區(qū)域的供電電壓和頻率不穩(wěn)定，如果孤島運(yùn)行的分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)無儲能元件或儲能容量太小，用戶負(fù)荷還會發(fā)生電壓閃變，造成電力客戶的電器設(shè)備損壞；

（3）損壞電網(wǎng)設(shè)備。供電恢復(fù)時，分布式光伏輸出的電壓和電網(wǎng)的電壓可能不同步，恢復(fù)供電瞬間將產(chǎn)生很大的電流，對電網(wǎng)設(shè)備造成損傷；

（4）對用戶電壓產(chǎn)生影響。如果發(fā)生分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)斷開所并入電網(wǎng)的情況，其原有的單相供電模式可能會引起配電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)三相負(fù)載不對稱的問題，從而對周邊用戶的電壓質(zhì)量帶來影響。

2. 對電能質(zhì)量的影響

所謂電能質(zhì)量，是指電力系統(tǒng)不干擾或影響負(fù)荷運(yùn)行的能力。下面從電壓偏差、電壓波動與閃變及諧波污染三個方面闡述分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電對電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響。

電壓偏差指的是電力系統(tǒng)改變運(yùn)行方式或者負(fù)荷正常變化時，致使配電系統(tǒng)各點(diǎn)實際電壓偏離額定電壓的現(xiàn)象?，F(xiàn)有的配電網(wǎng)通常呈現(xiàn)出輻射的形態(tài)，在電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況下，電壓沿著饋線潮流方向逐漸降低。[6]大量分布式光伏涌入電網(wǎng)發(fā)電后，電網(wǎng)的潮流分布改變，會引起饋線的各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓被抬高，造成負(fù)荷側(cè)電壓越限。[7]此外，受太陽光照度、輻照度等自然條件不斷變化的影響，分布式光伏發(fā)電的輸出功率不穩(wěn)定，造成輸出電壓處于不穩(wěn)定狀態(tài)。[8]

所謂電壓波動指的是電網(wǎng)電壓有效值一系列隨機(jī)的快速變動。電網(wǎng)的潮流決定了電網(wǎng)的電壓分布情況，所以電網(wǎng)中負(fù)荷消耗和電源注入功率的變化都會引起電網(wǎng)各母線節(jié)點(diǎn)的電壓波動。[9]光伏發(fā)電的間歇性和波動性決定了其輸出功率的不穩(wěn)定性，從而引起電網(wǎng)電壓波動。

分布式光伏所發(fā)的直流電流必須通過逆變轉(zhuǎn)換為交流電才可并入公共電網(wǎng)，整流裝置和逆變裝置是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)后不可缺少的設(shè)備。整流和逆變裝置具有很大的功率，在將分布式光伏所發(fā)的直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷倪^程中會產(chǎn)生大量的諧波。這些諧波注入電網(wǎng)后將帶來很大的危害，一方面會降低電能在發(fā)、輸、配、用過程中的效率，另一方面會嚴(yán)重減少電氣設(shè)備使用壽命，甚至造成電氣設(shè)備燒毀。加之，電網(wǎng)諧波很難被消除，大量的諧波累計會引發(fā)功率諧振，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。[10]

2.3 對繼電保護(hù)的影響

目前，單電源放射狀結(jié)構(gòu)在我國配電網(wǎng)中占據(jù)主流，系統(tǒng)潮流方向單一（電源流向負(fù)荷），繼電保護(hù)裝置以速斷保護(hù)形式為主，并不具備方向性。分布式光伏光伏接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)潮流將會發(fā)生改變，從而對配電網(wǎng)原有的繼電保護(hù)將產(chǎn)生一定的影響：[3]

（1）分布式光伏的接入改變了配電系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，變成了多電源。在發(fā)生故障時，如果分布式光伏接入位置不合理，可能會引起原有的保護(hù)裝置發(fā)生拒動或誤動現(xiàn)象；[11]

（2）當(dāng)分布式光伏并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生故障，且分布式光伏處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時，故障重合閘時可能會引起保護(hù)誤動作，導(dǎo)致無法按時恢復(fù)供電，降低供電可靠性；

（3）通常情況下，當(dāng)分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的功率注入電網(wǎng)時會縮小原有繼電保護(hù)區(qū)域，干擾繼電保護(hù)裝置正常工作。

2.4 對電網(wǎng)規(guī)劃的影響

考慮到分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的方式通常是直接接入配電網(wǎng)，當(dāng)其大規(guī)模接入電網(wǎng)時，將會極大地影響電網(wǎng)規(guī)劃。

由于大規(guī)模分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并入，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)計算分析和規(guī)劃方法將難以適用于。需要根據(jù)分布式光伏運(yùn)行的特點(diǎn)以及并網(wǎng)的方式重新制定其接入電網(wǎng)的設(shè)計方案；[12]

負(fù)荷預(yù)測是電網(wǎng)規(guī)劃的一個重要依據(jù)，受自然環(huán)境的影響分布式光伏發(fā)電具有間歇性和波動性的缺陷，導(dǎo)致電網(wǎng)規(guī)劃人員很難準(zhǔn)確預(yù)測負(fù)荷的變化情況，從而影響電網(wǎng)規(guī)劃的準(zhǔn)確性；[13]

位置和容量是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時需要考慮的兩個重要因素，如果選擇不恰當(dāng)會加大電能的損耗，導(dǎo)致電網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)電壓下降或者出現(xiàn)過電壓的現(xiàn)象。

3 對策

大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電是未來發(fā)展趨勢，從保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度出發(fā)，筆者認(rèn)為除了加強(qiáng)在諸如光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)檢測技術(shù)等技術(shù)層面的研究外，還需要在規(guī)劃和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面積極應(yīng)對分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)給大電網(wǎng)帶來的新問題

3. 科學(xué)合理規(guī)劃

針對分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響，供電公司要科學(xué)合理規(guī)劃，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。大規(guī)模分布式光伏接入電網(wǎng)后，裝機(jī)容量在電力系統(tǒng)中所占比例將會越來越大，這種情況一方面會改變電網(wǎng)運(yùn)行控制方式，另一方面原有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會隨之改變。未來電力客戶所用電能很可能主要來自低壓配電網(wǎng)，且電力用戶能夠參與電能運(yùn)營，這些改變無疑對供電公司提供優(yōu)質(zhì)電能提出了挑戰(zhàn)。供電公司應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)實際情況，科學(xué)繪制分布式光伏并網(wǎng)藍(lán)圖。以分布式光伏選址和定容、電網(wǎng)安全運(yùn)行指標(biāo)等為出發(fā)點(diǎn)，開展大規(guī)模分布式光伏接入的電網(wǎng)規(guī)劃研究工作，為將來大量分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電后，電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供有效保障。

3. 健全相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

得益于自身諸多優(yōu)勢和國家政策的支持，分布式光伏發(fā)展迅速，然而與之并網(wǎng)發(fā)電相匹配的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范發(fā)展相對滯后。從分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全、有序地接入大電網(wǎng)發(fā)電的角度出發(fā)，電力部門一方面要充分研究分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本技術(shù)參數(shù)、分析電網(wǎng)抗干擾的能力、掌握分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制特點(diǎn)、細(xì)化分布式光伏并網(wǎng)規(guī)模、并網(wǎng)電壓等級等方面的技術(shù)參數(shù)，建立完備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范；另一方面，制定分布式光伏產(chǎn)品進(jìn)入電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，把好接入網(wǎng)分布式光伏設(shè)備的質(zhì)量關(guān)。通過相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范引導(dǎo)分布式光伏合理并網(wǎng)發(fā)電，降低對電網(wǎng)的影響[14]。

4 結(jié)語

分布式光伏發(fā)電技術(shù)是解決能源和環(huán)境問題的有效途徑，大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電是未來有利用效能源的快捷方式，但其在電能質(zhì)量、繼電保護(hù)、電網(wǎng)規(guī)劃等方面給電網(wǎng)帶來的影響不可忽視，開展分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)影響的研究工作很有必要。供電公司可以從網(wǎng)源協(xié)同的角度出發(fā)，通過科學(xué)合理規(guī)劃，建立健全相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)章制度，減少分布式光伏并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來的影響，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行以及分布式光伏的健康發(fā)展。

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作者簡介：張繼成（1992-），男，湖北襄陽人，工學(xué)碩士，從事電能計量方面的工作；周艷華（1984-），女，湖北襄陽人，工學(xué)學(xué)士，從事電能計量方面的工作；宋曉薇（1994-），女，湖北襄陽人，工學(xué)學(xué)士，從事配電運(yùn)維方面的工作。