改進(jìn)分布式光伏接入配電網(wǎng)的主動(dòng)電壓控制策略

義琦 陳星宇

（廣西大學(xué)行健文理學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530005）

當(dāng)今社會(huì)發(fā)展與能源的消耗聯(lián)系密切，化石能源燃放也會(huì)引發(fā)環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等相關(guān)問題，造成經(jīng)濟(jì)發(fā)展不具有持續(xù)性特點(diǎn)，因此，新能源在開發(fā)利用的時(shí)候，也需要注重其可持續(xù)發(fā)展情況。新能源的開發(fā)利用也就成為可持續(xù)發(fā)展的重要關(guān)注點(diǎn)，分布式電源接入容量的增加造成電力系統(tǒng)潮流分布出現(xiàn)明顯變化，且能夠改變電壓分布情況，由于分布式電源出力隨機(jī)性及波動(dòng)性等特點(diǎn)，電壓波動(dòng)和電壓越限等問題也較為突出，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有直接影響。另外傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓力的方式?jīng)]有能夠?qū)Ψ植际诫娫磸S站所具有的無功調(diào)節(jié)能力實(shí)施更為充分地利用，只是依靠變壓器分接頭的調(diào)節(jié)及離散無功補(bǔ)償裝置的投切方式實(shí)施調(diào)壓，運(yùn)行人員要關(guān)注更為完善的分布式電源接入后的無功控制策略，進(jìn)一步保障和推動(dòng)分布式電源并網(wǎng)后電網(wǎng)得以安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 分布式光伏電源的配電網(wǎng)保護(hù)研究現(xiàn)狀

由于分布式光伏電源的接入容易對(duì)配電網(wǎng)的故障特性造成比較大的影響，配電網(wǎng)傳統(tǒng)的保護(hù)也容易出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng)的問題，這也就容易威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者研究對(duì)含分布式電源配電網(wǎng)繼電保護(hù)情況加以改進(jìn)，明確得出應(yīng)用于分布式電源配電網(wǎng)的繼電保護(hù)改善方案。配電網(wǎng)中接入的分布式電源在配電網(wǎng)發(fā)生故障的時(shí)候，要能夠立刻退出，需要在配電網(wǎng)中的保護(hù)裝置的時(shí)候切除故障，隨后將分布式電源投入實(shí)際運(yùn)行過程中。這是在分布式并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)研究的早期階段得到的保護(hù)改進(jìn)措施，這一方式具有成本比較低和不用對(duì)配電網(wǎng)現(xiàn)有設(shè)備替換改造的特點(diǎn)。國內(nèi)外的一些標(biāo)準(zhǔn)都利用這一措施應(yīng)對(duì)分布式電源的接入。但配電網(wǎng)中分布式電源的容量逐漸增大，滲透率也得以提高，這種故障令分布式電源可以退出運(yùn)行的保護(hù)改進(jìn)方案無法適應(yīng)大量分布式電源并網(wǎng)的需要，在這一改進(jìn)方案的問題中得出，人們也需要研究更加能夠適應(yīng)大量分布式電源接入的保護(hù)方案。

2 改進(jìn)分布式光伏接入配電網(wǎng)的影響

2.1 對(duì)電壓的影響

在集中供電的配電網(wǎng)中通常情況下呈現(xiàn)為輻射狀，在穩(wěn)步運(yùn)行的基礎(chǔ)上，其電壓也會(huì)出現(xiàn)不斷降低的發(fā)展趨勢，在光伏電源被接入之后，會(huì)很大程度上降低線上的傳輸功率，而沿饋線各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)位置所存在單位電壓則隨之提高，一些情況下容易造成某些負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓產(chǎn)生偏移或超標(biāo)等問題，這一節(jié)點(diǎn)的電壓被抬高之后和其所介入的光伏電源的部位及它的總?cè)萘糠矫婢哂休^為直接的聯(lián)系，通常情況下，可以應(yīng)用中低壓配電網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置有載調(diào)壓變壓器和電壓調(diào)節(jié)器等方式處理設(shè)備壓力，在控制負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓情況下使得電壓偏移可以充分控制在更為合理的范圍內(nèi)。而在調(diào)整配電網(wǎng)電壓的時(shí)候也要合理設(shè)置光伏電源的具體運(yùn)行方式，將其作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，在正午時(shí)期陽光充足的時(shí)候，光伏電源出力明顯加大，且線路輕載則光伏電源也會(huì)更容易造成接入點(diǎn)電壓發(fā)生顯著抬高的趨勢。

表1：非正常孤島發(fā)生情況

表2：直流分量

圖1：對(duì)短路電流的貢獻(xiàn)

2.2 對(duì)短路電流的貢獻(xiàn)

通常情況下，如果配電網(wǎng)絡(luò)側(cè)出現(xiàn)短路，其接入配電網(wǎng)絡(luò)的光伏電源也容易對(duì)短路電流無法產(chǎn)生貢獻(xiàn)，穩(wěn)態(tài)短路電流和光伏電源額定輸出電流相對(duì)比的基礎(chǔ)上需要大約為19%-20%的程度，且短路情況發(fā)生的時(shí)候，出現(xiàn)的電流峰值與光伏電源逆變器的儲(chǔ)能元件和輸出控制性能存在著較為密切的聯(lián)系。通常在配電網(wǎng)絡(luò)方面短路保護(hù)方式基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)與熔斷保護(hù)結(jié)合處理。對(duì)高滲透率的光伏電源而言，多數(shù)情況下容易出現(xiàn)饋電線路短路的問題，這主要是由于光伏電源提供的主要是短路電流，這也就使得電源短路故障問題無法及時(shí)有效檢查出造成的，結(jié)合不同國家的實(shí)際情況，利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)際上的效果還不突出。如圖1所示。

2.3 非正常孤島

在分布式電源有效接入配電網(wǎng)絡(luò)之后，會(huì)在一定程度上出現(xiàn)非正常孤島高發(fā)的情況，在1998年的時(shí)候，IEC 也需要在結(jié)合“故障樹理論”的情況下詳細(xì)分析非正常孤島發(fā)生后存在的觸電問題。而2002年這一時(shí)期，IEA-PVPS-Task-5 也要完善“故障樹理論”對(duì)光伏電源的非正常孤島現(xiàn)象加強(qiáng)分析，使光伏電源滲透率大6 倍的時(shí)候可以促使夜間負(fù)荷的極端情形成為合理分析的范圍，研究得出非正常孤島造成觸電情況發(fā)生的可能性更小，其概率要低于10-9次/年。

在這一情況下需要深入分析和關(guān)注本地區(qū)的低電壓住宅區(qū)的配電網(wǎng)絡(luò)，可以得出如果當(dāng)?shù)氐难泄夥娫窗l(fā)生非正常孤島運(yùn)行現(xiàn)象的時(shí)候，其概率顯示為每年10-5～10-6次，且發(fā)生的可能性明顯耕地，而如果電網(wǎng)的運(yùn)行狀況不夠理想的時(shí)候，例如高阻抗條件下，光伏電源逆變器無法準(zhǔn)確檢測得出當(dāng)前電網(wǎng)阻抗的實(shí)際變化情況，在相關(guān)統(tǒng)計(jì)融合的過程中能夠進(jìn)一步得出，當(dāng)前沒有充分解決滿足德國對(duì)光伏電源反應(yīng)的策略。在之后分布式電源接入到配電網(wǎng)中后，如果采取的措施符合實(shí)際情況，也就能夠明確降低非正常孤島風(fēng)險(xiǎn)，使其可以得到有效控制，處于安全合理的區(qū)域內(nèi)，不會(huì)造成系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的非正常孤島風(fēng)險(xiǎn)，這也就能夠得出即使運(yùn)行的過程中存在非正常的孤島現(xiàn)象，并不是使得光伏電源等分布式電源接入方面出現(xiàn)技術(shù)壁壘問題，也不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生任何妨礙。 如表1所示。

2.4 注入電流諧波

電流諧波對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)和用戶的影響明顯更大，其影響范圍可以使得電壓平均數(shù)值出現(xiàn)顯著變化，也容易造成保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)失誤動(dòng)作等現(xiàn)象。通常使光伏電源逆變器出現(xiàn)諧波的原因在降低和消除諧波的時(shí)候，注重分析其所具有的較為嚴(yán)重的額影響因素，這些因素包含著諧波間的相位差和配電網(wǎng)的線路阻抗等，在光伏電源逆變器具有正弦基波的情況下能夠應(yīng)用部分補(bǔ)償?shù)姆绞浇档团潆娋W(wǎng)的電壓波形出現(xiàn)畸變的可能程度，推動(dòng)逆變器輸出的電流諧波量更大程度上增加，在將光伏電源逆變器接入到弱電網(wǎng)內(nèi)的時(shí)候，這一現(xiàn)象會(huì)更為明顯，而如果光伏電源逆變器檢測配電網(wǎng)電壓生成參考基波，雖然這一時(shí)期光伏電源逆變器輸出的正弦波電流狀態(tài)相對(duì)較好，但也無法補(bǔ)償配電網(wǎng)的電壓波形所出現(xiàn)的畸變情況，因此，在實(shí)際運(yùn)行過程中，光伏電源所輸入的諧波電流可以根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求得到有效控制。

2.5 注入直流分量

直流分量產(chǎn)生的不利影響是針對(duì)配電網(wǎng)中的變壓器和電流型變壓器及計(jì)量儀表等部件的，其存在的消極影響包含著電流式漏電斷路器和變壓器，其是造成電流式漏電斷路器發(fā)生失誤而造成變壓器磁通飽和和發(fā)熱的主要原因，在這一情況下容易產(chǎn)生諧波和噪音等問題。為對(duì)直流分量的注入量的控制提供支持的時(shí)候，多數(shù)并網(wǎng)光伏電源逆變器都要選擇隔離變壓器。而在近些年國內(nèi)科學(xué)技術(shù)水平較高的情況下，去除隔離變壓器對(duì)提高生產(chǎn)效率和進(jìn)一步控制生產(chǎn)成本存在著顯著的影響，因此當(dāng)前不帶隔離變壓器的光伏電源逆變器的應(yīng)用更為普遍。脈寬調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)上的光伏電源逆變器對(duì)控制直流分量輸出方面存在著比較大的影響，而如果出現(xiàn)配電網(wǎng)電壓的正序不平衡或負(fù)序分量情況的時(shí)候也會(huì)對(duì)PWM 技術(shù)的光伏電源逆變器性能造成消極影響。在直流分量對(duì)配電網(wǎng)變壓器的影響下，需要認(rèn)識(shí)到目前國際上還沒有直流分量上線的統(tǒng)一性規(guī)定。在不同的國家也具有不同的要求標(biāo)準(zhǔn)，英國每相的諧波畸變值基本上需要控制在≤5%的范圍內(nèi)，美國要求每相電流應(yīng)≤有名值的0.5%范圍內(nèi)。如表2所示。

2.6 對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、規(guī)劃和運(yùn)營的影響

圖2：分布式光伏電源輔助功能

當(dāng)前分布式電源在接入到配電網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)案例觀察和分析的時(shí)候，能夠得出集中式發(fā)電在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的比例降低現(xiàn)象明顯，這在一定程度上也會(huì)促使電力網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大情況下的變化，使其控制方面變化明顯，這一變化會(huì)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃及運(yùn)營等各方面提出比較高的要求，當(dāng)前是機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存的新時(shí)期要配電網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)的過程中能夠堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)。在沒有被消費(fèi)的電能應(yīng)用方面，其中的多數(shù)都源自于低壓配電網(wǎng)絡(luò)，這也就說明加強(qiáng)對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有較大影響。其在具體調(diào)整的時(shí)候，通常包含著如何使得配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)電流的逆向和正向流動(dòng)之間可以配合行動(dòng)和有效實(shí)施。相關(guān)專家學(xué)者們所得到的前沿概念有模擬電站和微網(wǎng)，這些新概念多數(shù)情況下都體現(xiàn)在分布式光伏電源管理的不同方面，使有功出力使得隨機(jī)性的光伏電源和有保證出力的電源和儲(chǔ)能裝置等結(jié)合在一起，使得其可以進(jìn)一步形成整體的模擬電站或微網(wǎng)，在對(duì)其整合的情況下推動(dòng)其可以并入到當(dāng)前的電力生產(chǎn)和傳輸框架等方面。

2.7 提供輔助功能

當(dāng)前的光伏電源逆變器具備更為多樣化功能作用的時(shí)候，也可以使得光伏陣列出力饋充分在電網(wǎng)中廣泛實(shí)施，作為有源濾波器改善提高電網(wǎng)電能質(zhì)量的情況下，使得光伏電源和儲(chǔ)能裝置協(xié)作后可以發(fā)揮出自身所具有的功能，如果對(duì)配電網(wǎng)的電壓和頻率及穩(wěn)定程度實(shí)施調(diào)節(jié)，可以為重要負(fù)荷提供UPS 功能。如圖2所示。

3 抑制電壓波動(dòng)和防止電壓越限的措施

在研究分布式光伏電源的過程中可以有效得出整個(gè)系統(tǒng)既能夠發(fā)揮出其功率，也可以得到無功功率。而SVC 能夠進(jìn)一步調(diào)節(jié)無功功率，因此能夠利用SVC 的調(diào)節(jié)作用對(duì)分布式光伏電源的電壓實(shí)施有效調(diào)節(jié)，也可以充分調(diào)節(jié)分布式光伏電源的其他5 個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的電壓，從而進(jìn)一步將分布式光伏電源的電壓波動(dòng)控制在更為合理的范圍內(nèi)，確保電源電壓的合理程度和有效性，分布式光伏電源在推出運(yùn)行之后，為了避免PV 系統(tǒng)因失去支撐而發(fā)生電壓的浮動(dòng)較大的問題，也就要在接點(diǎn)處設(shè)置相關(guān)的SVC 支撐線路電壓。在負(fù)荷為5kW 的分布式光伏電源退出運(yùn)行的時(shí)候，需要在合理的位置接入SVC 實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，防止由于光伏電源退出產(chǎn)生電壓下降的現(xiàn)象，避免其對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生惡劣的影響。因此也要進(jìn)一步對(duì)分布式光伏電源有效分析，就要利用整體協(xié)同功能對(duì)分布式光伏電源加強(qiáng)管理，確保電網(wǎng)的電源可以控制在合理范圍內(nèi)，從而解決因電源的輻照度變化和電源降低所出現(xiàn)的電路運(yùn)行波動(dòng)及電壓異常等問題。

在對(duì)分布式光伏應(yīng)用的時(shí)候，需要采取能夠提高分布式光伏系統(tǒng)功率可控性的智能控制技術(shù)，在設(shè)置分布式光伏配置的情況下，也要進(jìn)行有一定比例的儲(chǔ)能裝置和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置等方面的實(shí)際應(yīng)用，明確削弱分布式光伏功率波動(dòng)程度，促使其需要的裝置和設(shè)備得到完善，注重為分布式光伏系統(tǒng)開發(fā)得到更為多樣的調(diào)壓方式，對(duì)不同工程情況更好地應(yīng)對(duì)，基于先進(jìn)的電子設(shè)備提高分布式光伏逆變器的脈寬調(diào)制頻率，充分減少低次諧波的發(fā)生量。在加強(qiáng)配電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)上關(guān)注分布式光伏的最佳接入位置，對(duì)其具有的優(yōu)化規(guī)模不斷擴(kuò)大，在城區(qū)配電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)及建設(shè)等方面也要明確掌握環(huán)網(wǎng)供電和開環(huán)運(yùn)行的實(shí)際情況，確保配電網(wǎng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，分布式光伏可以持續(xù)并網(wǎng)，注重加強(qiáng)配電網(wǎng)的繼電保護(hù)功能和積極作用，使得故障區(qū)域可以快速隔離開，使分布式光伏更加安全。在提升分布式光伏并網(wǎng)容量的輔助技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的情況下，注重分析光伏發(fā)電功率預(yù)測技術(shù)應(yīng)用情況，在光伏發(fā)電功率預(yù)測模型中，關(guān)注分布式光伏發(fā)電功率的預(yù)測方面存在著的有效光伏，增強(qiáng)其與其他電源之間所存在的協(xié)調(diào)控制技術(shù)，例如應(yīng)用分布式光伏與分布式風(fēng)電之間的錯(cuò)峰效應(yīng)通常會(huì)利用分布式能源。提供更為良好的政策環(huán)境，激勵(lì)分布式光伏更好地發(fā)展，制定科學(xué)合理的政策的基礎(chǔ)上明確分布式發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量獎(jiǎng)勵(lì)政策，為并網(wǎng)電能質(zhì)量高的分布式光伏提供額外的獎(jiǎng)勵(lì)，使得設(shè)備擁有者淘汰舊設(shè)備的幾率進(jìn)一步提高，明確增強(qiáng)設(shè)備的更新速度，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定和政策監(jiān)督的基礎(chǔ)上提升分布式光伏的質(zhì)量，出臺(tái)和分布式光伏開發(fā)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)合同，提供必要的參考標(biāo)準(zhǔn)，在建設(shè)的過程中對(duì)其實(shí)施有效的監(jiān)督管理，測試投入運(yùn)行效能之后明確新建分布式光伏的質(zhì)量。

4 結(jié)束語

分布式發(fā)電技術(shù)屬于新的發(fā)電技術(shù)，其本身存在著比較良好的發(fā)展空間，為能夠推動(dòng)器有效滿足分布式發(fā)電的發(fā)展需求，也就需要配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃及控制有效實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代。在分布式發(fā)電技術(shù)具體應(yīng)用的過程中，光伏電源的發(fā)展速度也會(huì)相對(duì)較快，且分布式光伏電源接入到配電網(wǎng)中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。需要關(guān)注和重視分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)影響程度，和科學(xué)研究內(nèi)容及更多新的技術(shù)融合情況下充分制定相關(guān)的管理方法，確保其能夠得以安全穩(wěn)定地運(yùn)行。