分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題研究

譚笑 河海大學(xué) 江蘇 南京 211000 曠靈毓 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司衡陽供電分公司 湖南 衡陽 421001

1 引言

能源是人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是人類經(jīng)濟(jì)及文化活動(dòng)的動(dòng)力來源。傳統(tǒng)的化石能源正在日趨枯竭，作為一種取之不盡、用之不竭且無公害的自然能源，太陽能開始被重視。太陽能直接利用有三種：光熱利用、光伏利用和光化學(xué)利用。其中太陽能光伏發(fā)電是最具發(fā)展前景的一種。

光伏發(fā)電是21世紀(jì)最重要、最具活力的新能源，到2030年光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的比例將達(dá)10%以上，到2040年將達(dá)20%以上[1]。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的關(guān)系，可將其分為兩大類，即離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。

光伏發(fā)電進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的必由之路，是將光伏系統(tǒng)接入常規(guī)電網(wǎng)，實(shí)行并網(wǎng)發(fā)電。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是目前光伏發(fā)電領(lǐng)域科研的熱點(diǎn)和主要方向。

但是大量的光伏發(fā)電并入電網(wǎng)也會(huì)給電網(wǎng)帶來一系列的問題，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行、電網(wǎng)調(diào)度及電能質(zhì)量等產(chǎn)生影響，本文主要研究了其對(duì)電能質(zhì)量的影響。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的概念與分類

分布式光伏發(fā)電是利用光伏組件將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式，并且一定程度保證發(fā)電的穩(wěn)定性、可靠性以及供給給配電網(wǎng)電能質(zhì)量，是一種新型的、環(huán)保型且具有長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展前景的發(fā)電系統(tǒng)。

2.1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

通常情況下，分布式光伏發(fā)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要分為三大類型：逆流型、非逆流型以及切換型。

(1）逆流型分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

如果有充分的太陽光照時(shí)，系統(tǒng)發(fā)電時(shí)所轉(zhuǎn)換成的電能容量不僅能夠滿足自身的用電需求，與此同時(shí)，會(huì)有充裕的電能剩余。自身所發(fā)電能容量過多時(shí)，可向配電網(wǎng)傳送；自身所發(fā)電能不足時(shí)，可從配電網(wǎng)中吸納的系統(tǒng)稱為逆流型系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)中未安裝具有能量存儲(chǔ)的元器件，在發(fā)電時(shí)需要根據(jù)用戶的實(shí)際用電狀況來控制系統(tǒng)是工作在逆變狀態(tài)還是整流狀態(tài)。

(2）非逆流型分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

當(dāng)太陽光照射不充分時(shí)，非逆流型分布式光伏并網(wǎng)與逆流型分布式光伏并網(wǎng)的工作方式相同，從配電網(wǎng)當(dāng)中吸收部分電能。但是當(dāng)其所轉(zhuǎn)換的電能容量充足時(shí)，非逆流型分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)不將多余的電能輸送至配電網(wǎng)中，但由于其自身依然不具備電能存儲(chǔ)元件，多余的電能會(huì)得不到合理的利用。故進(jìn)行非逆流型分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，需要對(duì)用戶用電需求量大小進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，減少能量浪費(fèi)。

(3）切換型分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

切換型分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行太陽能向電能轉(zhuǎn)換工作時(shí)，具體切換動(dòng)作主要取決于系統(tǒng)所處外部環(huán)境以及自身需求。

上述所提到的三種并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其雖然在整體構(gòu)架以及具體工作方式上存在一定的差異，但是其典型的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理大致相同。

2.2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般是由光伏電池板、逆變器、負(fù)荷和蓄電池等共同組成的一種發(fā)電系統(tǒng)。

(1）光伏陣列結(jié)構(gòu)

光伏電池當(dāng)單個(gè)處于工作狀態(tài)時(shí)，其發(fā)電量極為有限，其最大可傳送的功率約為1W，因此在實(shí)際運(yùn)用過程中，將光伏電池通過電纜以及匯線盒等元件進(jìn)行電池的串聯(lián)或者并聯(lián)，從而形成一個(gè)完整的組件系統(tǒng)，則為光伏陣列。

(2）控制器

自動(dòng)防止蓄電池過充電和過放電的器件。由于蓄電池的循環(huán)充放電次數(shù)及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的控制器是必不可少的設(shè)備。

(3）蓄電池組

逆變器是一種實(shí)現(xiàn)直流向交流轉(zhuǎn)換的元器件，是蓄電池中的重要器件。根據(jù)逆變器所輸出電能的去向，可將其分為有源型逆變器以及無源型逆變器。多數(shù)情況下，無源逆變器主要被用于開關(guān)電路中進(jìn)行工作，完成交流電向系統(tǒng)的傳送。而有源逆變器主要是被應(yīng)用在進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制輸出時(shí)所產(chǎn)生的電流為正弦形式的開關(guān)電路中。在光伏式并網(wǎng)發(fā)電中，主要使用有源逆變器。

3 傳統(tǒng)集中式發(fā)電系統(tǒng)與分布式光伏系統(tǒng)關(guān)系

傳統(tǒng)的集中式發(fā)電系統(tǒng)具有規(guī)模大、耗資長(zhǎng)等特點(diǎn)。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模較小，可以根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行建設(shè)，建設(shè)區(qū)域選擇性較大，在未來能源綜合利用發(fā)展中有著很大的發(fā)展空間。傳統(tǒng)集中式發(fā)電與分布式光伏發(fā)電間的關(guān)系主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電時(shí)，該發(fā)電系統(tǒng)可以直接安裝在負(fù)荷外側(cè)，系統(tǒng)發(fā)生故障或者意外災(zāi)害時(shí)，可以持續(xù)為負(fù)荷供電，維持負(fù)荷的正常運(yùn)行，是對(duì)集中式發(fā)電系統(tǒng)不可移動(dòng)、安裝固定這一缺陷的彌補(bǔ)；

（2）在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，要建設(shè)集中規(guī)模的且范圍較大的輸配電網(wǎng)，不僅需要巨額資金和較長(zhǎng)的建設(shè)周期，而分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)其規(guī)模相對(duì)較小、且投資成本低，運(yùn)行簡(jiǎn)單，在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)集中式發(fā)電的局限性。

4 分布式光伏電網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

分布式發(fā)電系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)的影響可以分為有益影響以及負(fù)面影響[5]。下面就兩方面影響進(jìn)行分析。

4.1 有益影響

分布式光伏發(fā)電技術(shù)的采用，不僅將自然資源轉(zhuǎn)換成人類日常必不可少的資源，對(duì)整個(gè)社會(huì)以及用電用戶也帶來極大的好處，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

第一，而分布式光伏電源，其規(guī)模較小，且可以分布在靠近終端負(fù)荷區(qū)域，從而避免了集中式發(fā)電的遠(yuǎn)距離傳輸中的能源浪費(fèi)。此外，如果配電網(wǎng)中所帶負(fù)載過大時(shí)，分布式光伏系統(tǒng)還可以為其供給功率，從而使得電網(wǎng)能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行。

第二，在分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中配置具備存儲(chǔ)功能的元器件，不僅可以有效地將發(fā)電系統(tǒng)所轉(zhuǎn)換使用剩余能量進(jìn)行存儲(chǔ)，避免能源浪費(fèi)；另外，該裝置還可與發(fā)電系統(tǒng)的逆變器之間配合工作，實(shí)現(xiàn)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)頻率、電壓以及功率等的有效調(diào)節(jié)，同時(shí)還可以保證配電網(wǎng)電能質(zhì)量的穩(wěn)定性。

第三，分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用，有效地減少化石燃料的燃燒，因此，實(shí)現(xiàn)了真正的節(jié)能減排，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)全球生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

4.2 負(fù)面影響

由于太陽輻射具有隨機(jī)性、不穩(wěn)定性以及間歇性等特性，因此光伏發(fā)電的輸出功率也存在不穩(wěn)定等特性。同時(shí)，輸出電能時(shí)極易出現(xiàn)電壓波動(dòng)、諧波污染等電能質(zhì)量問題，不僅給配網(wǎng)電力用戶帶來損失，也影響了光伏電源的正常穩(wěn)定運(yùn)行。具體弊端主要體現(xiàn)在以下幾方面：

第一，分布式光伏電源進(jìn)行電能輸出時(shí)，具有不穩(wěn)定性以及間歇性。一旦分布式光伏電源與配電網(wǎng)間的負(fù)荷在協(xié)調(diào)過程中出現(xiàn)問題時(shí)，將會(huì)使得電網(wǎng)調(diào)壓的難度進(jìn)一步增加。

第二，在一個(gè)呈放射形鏈?zhǔn)降牡蛪号潆娋W(wǎng)中，如果分布式光伏系統(tǒng)所發(fā)電在電網(wǎng)中所占比例較高，一旦出現(xiàn)因?yàn)樵茖诱趽醵l(fā)生的光照變化時(shí)，則會(huì)使得光伏系統(tǒng)出現(xiàn)電壓急速下降、閃變現(xiàn)象，甚至?xí)?duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常發(fā)電工作的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。但由于傳統(tǒng)調(diào)壓工具(變壓器以及電容器)不能對(duì)所出現(xiàn)的問題進(jìn)行快速回應(yīng)，因此，無法實(shí)現(xiàn)以上所述的過快頻率下的電壓變化調(diào)節(jié)工作。

第三，由于分布式光伏電源中包含許多電子開關(guān)，會(huì)使得電網(wǎng)中的電壓受到諧波污染。另外，如果配電網(wǎng)其電壓等級(jí)較低，且在配電網(wǎng)中分布式光伏電源所占比例極高，則還可能使得電壓出現(xiàn)諧波疊加等現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的正常工作。

第四，進(jìn)行電網(wǎng)維修工作時(shí)，分布式光伏系統(tǒng)在某種情況下會(huì)同其周邊部分負(fù)載構(gòu)成一個(gè)獨(dú)自工作的弧網(wǎng)，脫離原配電網(wǎng)。而孤島效應(yīng)會(huì)使電壓及其頻率失去控制，一旦當(dāng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)失去對(duì)電壓及頻率調(diào)控能力，則會(huì)給維修人員帶來生命危險(xiǎn)，同時(shí)也使系統(tǒng)的供電質(zhì)量有所下降。

5 分布式光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量相關(guān)要求

分布式光伏電網(wǎng)在其工作狀態(tài)中存在間歇性以及不穩(wěn)定性，在向配電網(wǎng)進(jìn)行電力傳輸時(shí)，對(duì)配電網(wǎng)電影響主要有電壓波動(dòng)、閃變以及諧波污染等多種，會(huì)降低配電網(wǎng)電能質(zhì)量。電能質(zhì)量決定了用電用戶使用電能時(shí)的穩(wěn)定性、可靠性，因此，進(jìn)行分布式光伏并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用時(shí)，對(duì)于電能質(zhì)量的要求主要體現(xiàn)在以下三方面：

(1）由于太陽輻射具有間歇性、不穩(wěn)定性等自身特性，因此在進(jìn)行光伏發(fā)電是，系統(tǒng)所輸出的功率大小極不穩(wěn)定，為了對(duì)輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)觀察輸出功率情況，需要在光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)處安裝電能質(zhì)量檢測(cè)裝置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓偏差、電壓波動(dòng)、電壓諧波等方面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而判斷注入電網(wǎng)的直流量可否滿足要求，當(dāng)其不滿足時(shí)，需采取加裝濾波裝置等措施進(jìn)行治理。

(2）孤島效應(yīng)，即當(dāng)電網(wǎng)突然出現(xiàn)失壓現(xiàn)象時(shí)，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)并未停止向鄰近配電網(wǎng)的部分線路的電能輸送，從而產(chǎn)生的效應(yīng)。當(dāng)發(fā)生了非計(jì)劃性孤島效應(yīng)時(shí)，不僅會(huì)給線路維護(hù)人員造成人身傷害，也會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的正常閉合閘門受到影響，從而無法對(duì)孤島效應(yīng)中的電壓及頻率進(jìn)行有效控制。在光伏發(fā)電站，為了避免發(fā)生孤島效應(yīng)的發(fā)生，在發(fā)電站必須要具備能夠快速進(jìn)行孤島檢測(cè)以及斷開孤島和電網(wǎng)連接的處理能力，另外，孤島保護(hù)需要和電網(wǎng)側(cè)路保護(hù)兩者相配合工作。

(3）為了保證光伏發(fā)電站在工作過程中的自身安全以及電網(wǎng)的運(yùn)行安全，當(dāng)光伏電站介入配電網(wǎng)中時(shí)，還要保證其功率以及電壓調(diào)節(jié)滿足相關(guān)電能要求，與此同時(shí)，還要求其滿足電網(wǎng)異常狀態(tài)下的響應(yīng)特性要求、安全保護(hù)相關(guān)要求等。具體要求要參照國(guó)家電網(wǎng)公司或南方電網(wǎng)公司光伏電站接入配電站的具體規(guī)章制度。