光伏發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)的影響分析

陳 華，朱啟航

（1.中電建裝備集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430081；2.中電建武漢鐵塔有限公司，湖北 武漢 430024）

當(dāng)前隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水的提升，人們對(duì)能源的需求越來(lái)越高。光伏發(fā)電以其清潔性、經(jīng)濟(jì)性得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，各行各業(yè)也對(duì)其應(yīng)用性開(kāi)始深入的研究。隨著大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)中，配電網(wǎng)中的電壓、潮流分布、網(wǎng)絡(luò)損耗、運(yùn)行特性都受到了一定的影響，因此研究光伏發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)的影響變得更加有價(jià)值，更具有實(shí)際意義。

1 光伏發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r及相關(guān)研究

1954 年，美國(guó)科學(xué)家恰賓等在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室最早制成了實(shí)用的單晶硅太陽(yáng)能電池，自此掀開(kāi)了光伏發(fā)電的發(fā)展篇章，從1997 年美國(guó)提出“百萬(wàn)屋頂”計(jì)劃到現(xiàn)在，是光伏發(fā)電發(fā)展最迅猛的階段。2001—2013年，全世界的PV 新增裝機(jī)容量呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，這10 余年的時(shí)間里，世界各國(guó)對(duì)光伏發(fā)電的導(dǎo)向直接影響了裝機(jī)容量，其呈現(xiàn)出了大幅度變化的波浪式發(fā)展趨勢(shì)。到2016 年，全世界的光伏發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)到305 GW，新增裝機(jī)容量為70 GW。美國(guó)、中國(guó)、日本、印度、英國(guó)和德國(guó)較其他國(guó)家相比，其光伏新增裝機(jī)容量占比較大。光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)近些年迅速發(fā)展的原因除了各國(guó)政府政策上的大力支持外，其科技進(jìn)步帶來(lái)的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)濟(jì)成本的大幅下降，更促使眾多客戶選擇了光伏發(fā)電，從而取代傳統(tǒng)的、大成本的火力發(fā)電等。

中國(guó)地域廣闊，為了給一些邊遠(yuǎn)地區(qū)大范圍持續(xù)供電，需要建立較長(zhǎng)距離的供電線路，這些都增加了線路的有功損耗，不利于現(xiàn)代電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而這些地方具有很好的光照條件，例如內(nèi)蒙古、西藏、新疆等，若是合理地利用其太陽(yáng)能資源優(yōu)勢(shì)，建立含光伏發(fā)電的配電網(wǎng)供電系統(tǒng)，就能在滿足環(huán)保供電的基礎(chǔ)上，大大減少電網(wǎng)的線路損耗，還能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。為此，中國(guó)從1958 年開(kāi)始了對(duì)光伏發(fā)電的深入研究，并研制出了第一塊硅晶體，自此開(kāi)始了中國(guó)的光伏發(fā)電革命。2005—2013 年，中國(guó)光伏發(fā)電的裝機(jī)容量呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中，在2012 年光伏發(fā)電累積裝機(jī)容量達(dá)到了18.02 GW，在2016 年更是達(dá)到了77.42 GW，其裝機(jī)容量在全球的總裝機(jī)容量中以49.34%的比例占有首要位置，無(wú)疑是太陽(yáng)能光伏發(fā)電大國(guó)。

現(xiàn)今社會(huì)是經(jīng)濟(jì)與科技突飛猛進(jìn)的新時(shí)代，而電力能源是社會(huì)生存與發(fā)展的重要保障，沒(méi)有電力系統(tǒng)的支撐，全球的大多數(shù)產(chǎn)業(yè)都將處于癱瘓狀態(tài)，嚴(yán)重阻礙經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，且影響人們的生活。據(jù)有效統(tǒng)計(jì)，全球約90%的產(chǎn)業(yè)是依賴大電網(wǎng)以集中方式進(jìn)行電力傳輸?shù)模沁@樣的供電方式缺乏一定的可靠性，其主要原因是電力系統(tǒng)中的小范圍停電故障會(huì)直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，其中系統(tǒng)的孤島運(yùn)行更是直接影響系統(tǒng)頻率，有可能引起電網(wǎng)大面積的停電，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)的崩潰，而光伏發(fā)電方式能夠改善此種情況。通常的集中供電多是采用不可更新資源進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的電力傳輸，雖然這樣提供了強(qiáng)大的電力供應(yīng)，但是其帶來(lái)的環(huán)境污染和一次性能源危機(jī)不容忽視?；诖耍?yáng)能光伏發(fā)電以其環(huán)保、節(jié)能、大規(guī)模、靈活性，并且可以以分布式發(fā)電方式接入到電力系統(tǒng)中等諸多優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)今電力行業(yè)中突顯出來(lái)。

在配電網(wǎng)絡(luò)中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電多數(shù)以分布式電源的形式接入到網(wǎng)絡(luò)中，這樣的接入方式區(qū)別于大電網(wǎng)的集中供電方式，其配置是功率為數(shù)千瓦至幾十兆瓦小規(guī)模的電源供電模塊，能夠兼容于配電網(wǎng)的獨(dú)立發(fā)電模塊。光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電、火力發(fā)電、水力發(fā)電相比較，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需設(shè)備少，投入資金少，占地面積小，更能滿足分布式發(fā)電的條件，得到了國(guó)內(nèi)外專家以及學(xué)者的高度重視。

2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)介與構(gòu)成

2.1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

太陽(yáng)能光伏發(fā)電的原理是通過(guò)光伏板中的單晶硅及電力電子設(shè)備將自然界中光能轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)中電能的過(guò)程。隨著電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展和技術(shù)水平的提高，光伏發(fā)電已經(jīng)成為除了火力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電以外第三大發(fā)電主體，給新能源發(fā)電領(lǐng)域帶來(lái)了更多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。目前光伏發(fā)電并網(wǎng)主要有以2 種形式：一種是光伏發(fā)電運(yùn)行在獨(dú)立于電網(wǎng)的孤網(wǎng)中，另一種是光伏發(fā)電運(yùn)行在公共電網(wǎng)中。

光伏發(fā)電運(yùn)行在獨(dú)立的孤網(wǎng)中也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，這種光伏發(fā)電系統(tǒng)多建于電網(wǎng)末端或者經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較落后的地區(qū)，該類地區(qū)負(fù)荷較低，并且不便于電網(wǎng)通過(guò)輸電設(shè)備進(jìn)行供電。該種光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)相對(duì)比較靈活，更能滿足地區(qū)用戶的需求，缺點(diǎn)是到晚上光照不足時(shí)需要容量較大的蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能，如果電網(wǎng)出現(xiàn)故障點(diǎn)、缺陷等問(wèn)題，電源點(diǎn)沒(méi)有足夠的能力支撐起電網(wǎng)的波動(dòng)，供電可靠性和系統(tǒng)能量利用效率低，負(fù)荷波動(dòng)時(shí)發(fā)電控制較困難。

光伏發(fā)電運(yùn)行在公共電網(wǎng)中是光伏發(fā)電系統(tǒng)直接將電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)中，隨著電網(wǎng)的變化應(yīng)對(duì)各種用電需求，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換能量的效率高，對(duì)于電力系統(tǒng)運(yùn)行和學(xué)術(shù)研究具有更高的價(jià)值，是當(dāng)今新能源研究中的工作重點(diǎn)。

2.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

一般，對(duì)于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究是通過(guò)一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)分別進(jìn)行研究的，如圖1 所示。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的一次系統(tǒng)主要包括光伏電池方陣、逆變器，二次系統(tǒng)主要包括光伏控制器、防孤島保護(hù)裝置。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過(guò)光伏電池方陣實(shí)現(xiàn)能量的供應(yīng)，然后通過(guò)逆變器將光伏電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。采用逆變器的原因是配電網(wǎng)的負(fù)荷幾乎為交流電源設(shè)計(jì)的負(fù)載，而光伏發(fā)電輸出的卻是直流電，為了滿足用戶的需求，需要用此裝置將配電網(wǎng)不需要的直流電逆變?yōu)榕渚W(wǎng)負(fù)載所需的交流電。逆變器除了逆變電流外，其另外具有的重要作用是自動(dòng)運(yùn)行、停機(jī)功能以及最大功率跟蹤控制功能。光伏控制器是通過(guò)自動(dòng)控制手段調(diào)節(jié)與控制光伏電池與儲(chǔ)能蓄電裝置之間充電過(guò)程和儲(chǔ)能蓄電裝置向電源調(diào)節(jié)器輸電的過(guò)程，其中也包含了信息化采集功能，通過(guò)電腦數(shù)字信息集控和監(jiān)督測(cè)試調(diào)控手段來(lái)迅速、實(shí)時(shí)地收集目前光伏發(fā)電的工作情況，得到并網(wǎng)光伏發(fā)電電站的工作數(shù)據(jù)。目的都是使光伏控制器能夠很大程度地估算出光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性以及檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)元件是否具有穩(wěn)定性。

圖1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

防孤島保護(hù)裝置是為了避免系統(tǒng)發(fā)生事故影響太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也避免光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島運(yùn)行情況的出現(xiàn)。光伏發(fā)電的電能輸出是不穩(wěn)定的，若是其孤島運(yùn)行時(shí)，容易造成系統(tǒng)崩潰，甚至使那些具有恒定功率和恒定電壓裝置的元件受到大幅度破壞，而且對(duì)于檢修工人來(lái)說(shuō)，這也容易造成觸電事故。

3 光伏發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)的影響

3.1 對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響

當(dāng)光伏發(fā)電以分布式電源的形式接入到配電網(wǎng)中時(shí)，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的網(wǎng)損產(chǎn)生以下2 種影響：①對(duì)配電網(wǎng)的網(wǎng)損產(chǎn)生積極的影響，即降低了配電網(wǎng)的總網(wǎng)損，但是在計(jì)算單條線路的網(wǎng)損時(shí)，也有可能其值有所增加。造成這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)某些配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)本身負(fù)載較大，而接入的光伏容量和其相比并不大時(shí)，接入的光伏在降低這條線路的電量損耗方面做功不多，為此并不能使得這條配電支路的損耗有所減少，但是光伏的接入會(huì)使得線路的潮流計(jì)算發(fā)生變化，進(jìn)而最終計(jì)算整個(gè)配電網(wǎng)的電量損耗時(shí)，其值是有所降低的。②光伏的接入對(duì)配電網(wǎng)的網(wǎng)損產(chǎn)生消極的影響，即增加了配電網(wǎng)的總損耗。造成這種現(xiàn)象的原因是光伏并入配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)位置和并入的容量不科學(xué)，此時(shí)配電網(wǎng)網(wǎng)損不僅不能夠減少反而使其值增加。當(dāng)并入配電網(wǎng)的光伏總?cè)萘砍^(guò)總負(fù)載的2 倍甚至更多倍，且光伏并入配電網(wǎng)某些地方的容量超過(guò)該處的負(fù)載容量時(shí)，這樣的光伏并入配電網(wǎng)的方案獲得的配電網(wǎng)的總電量損耗就是升高的，也得到了較低的做功效率。所以光伏以分布式電源并接入配電網(wǎng)時(shí)，要注意其安裝節(jié)點(diǎn)位置、容量等。

3.2 對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響

光伏發(fā)電以分布式電源的形式并接入配電網(wǎng)時(shí)，能夠提高配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓幅值。這是因?yàn)楫?dāng)光伏發(fā)電以負(fù)的負(fù)荷并接入配電網(wǎng)中時(shí)，完全可能將原來(lái)的潮流方向改變成其他流向，使得最終的配電網(wǎng)的電壓幅值增加。太陽(yáng)能光伏發(fā)電的輸出電量與太陽(yáng)能輻射的強(qiáng)弱有關(guān)，具有隨機(jī)性變化的趨勢(shì)，這樣的光伏電源使得配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓容易出現(xiàn)電壓閃變和電壓諧波。電壓閃變嚴(yán)重影響了配電網(wǎng)輸出電壓的穩(wěn)定性，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是光伏在工作狀態(tài)與停工狀態(tài)之間切換時(shí)，光伏發(fā)電和其他裝置會(huì)互相影響，進(jìn)而使得電壓發(fā)生閃變現(xiàn)象，造成電壓不穩(wěn)定情況的出現(xiàn)。光伏接入配電網(wǎng)中使得電壓諧波出現(xiàn)的原因是光伏并網(wǎng)時(shí)所必須接入的眾多電力電子元件以及這些元件經(jīng)常性地動(dòng)作會(huì)增加系統(tǒng)內(nèi)諧波的出現(xiàn)，特別是電源調(diào)節(jié)器的逆變過(guò)程都增加了諧波的出現(xiàn)概率。

3.3 對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性影響

當(dāng)光伏發(fā)電作為備用電源進(jìn)行發(fā)電時(shí)，能夠?qū)ο到y(tǒng)發(fā)生故障或線路正常檢修以及春查、秋查的系統(tǒng)預(yù)試等造成的配電網(wǎng)斷電事件起到很好的后備電源作用，避免出現(xiàn)一些重要電力用戶的失負(fù)荷現(xiàn)象。這樣的電力供應(yīng)無(wú)疑增加了配電網(wǎng)安全運(yùn)行的供電可靠性。當(dāng)光伏發(fā)電以分布式電源并接入公共配電網(wǎng)時(shí)，對(duì)配電網(wǎng)的供電可靠性也有所影響，表現(xiàn)為積極或消極的影響，這也是由光伏發(fā)電的隨機(jī)性所決定的。當(dāng)光伏發(fā)電與公共配電網(wǎng)消極地相互影響工作時(shí)，或是光伏發(fā)電的輸出電能極其不穩(wěn)定，很容易使得配電網(wǎng)的供電可靠性下降。

當(dāng)光伏發(fā)電并接入配電網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的另外一個(gè)不利因素是有可能增加系統(tǒng)震蕩的時(shí)間，這是對(duì)配電網(wǎng)安全可靠性的嚴(yán)重威脅。造成這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)光伏發(fā)電以較大容量接入到配電系統(tǒng)中時(shí)，若配電網(wǎng)故障引發(fā)震蕩時(shí)，光伏的接入不能抑制震蕩的發(fā)展，反而增加其震蕩的趨勢(shì)。為了避免這種情況的發(fā)生，光伏接入配電網(wǎng)的容量要結(jié)合配電網(wǎng)的實(shí)際負(fù)荷情況。

3.4 對(duì)配電系統(tǒng)潮流方向的影響

國(guó)內(nèi)的10 kV 及以下電壓等級(jí)的配電系統(tǒng)中其中性點(diǎn)通常采取對(duì)地絕緣的方式，也有一些通過(guò)電感消弧線圈或是小電阻進(jìn)行接地。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)潮流計(jì)算方法有很多，但是光伏發(fā)電的加入雖然能夠在很大程度上降低配電系統(tǒng)的電量損耗，但是給潮流計(jì)算卻帶來(lái)了很大的難度。當(dāng)光伏發(fā)電并接入配電網(wǎng)時(shí)，要特別注意其運(yùn)行方式，若是任意增加其并入的容量，很有可能造成一些配網(wǎng)支路上的潮流進(jìn)行雙向流動(dòng)，這使得曾經(jīng)的傳統(tǒng)潮流算法失去其有效性，若是計(jì)算不當(dāng)，在配電網(wǎng)重構(gòu)過(guò)程中，會(huì)對(duì)最優(yōu)結(jié)果的獲得造成很大的失誤。

3.5 對(duì)繼電保護(hù)的影響

配電網(wǎng)是閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行的單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)光伏發(fā)電以分布式電源的形式接入到配電網(wǎng)中時(shí)，會(huì)增加電源的數(shù)目，使得單電源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成多電源的配電系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 多光伏配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

配電網(wǎng)發(fā)生事故后，事故電流的幅值和流向都會(huì)發(fā)生變化，這都影響了含光伏發(fā)電配電網(wǎng)的安全性、可靠性，具體從以下3 個(gè)方面進(jìn)行論述。

一是當(dāng)光伏發(fā)電在下游發(fā)生事故時(shí)，如圖2 中的f1 或f4 位置，因?yàn)橥ㄟ^(guò)故障線路電流與通過(guò)上一級(jí)保護(hù)所在線路電流之比的影響，使得流入CB2 中保護(hù)設(shè)備的事故電流小于未含光伏發(fā)電的事故電流。這樣造成的直接后果是保護(hù)裝置的靈敏度降低，當(dāng)光伏電源接入的容量達(dá)到一定程度時(shí)，更是有可能使得保護(hù)無(wú)法動(dòng)作。

二是當(dāng)供電側(cè)或鄰近側(cè)的配電支路發(fā)生事故時(shí)，如圖2 中的f2 或f3 位置，這些事故位置的電源側(cè)和光伏發(fā)電側(cè)將為其供應(yīng)持續(xù)的短路電流，反方向的短路電流使得重合閘和開(kāi)關(guān)失去方向辨別能力。這樣造成的直接后果是保護(hù)裝置的方向識(shí)別失去，當(dāng)光伏電源接入的容量達(dá)到一定程度，更是有可能使得保護(hù)誤動(dòng)作。誤動(dòng)作所帶來(lái)的停電事故很大程度上會(huì)影響配電網(wǎng)的供電可靠性。若是新增加方向器件，其經(jīng)濟(jì)成本將大大地增加，這不是很好的選擇。

三是電網(wǎng)發(fā)生事故時(shí)，若是未及時(shí)將光伏電源切斷，光伏發(fā)電引起的孤島運(yùn)行模式并不穩(wěn)定，容易造成系統(tǒng)崩潰，甚至使得那些具有恒定功率和恒定電壓裝置的元件受到大幅度破壞，而且對(duì)于檢修工人來(lái)說(shuō)，這也容易造成觸電事故。

總之，光伏發(fā)電給配電網(wǎng)帶來(lái)了上述問(wèn)題，但是其接入配電網(wǎng)中所帶來(lái)的積極影響，如大幅度降低配電網(wǎng)的電量損耗、提高配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓、增加配電網(wǎng)的供電可靠性，這些都使得越來(lái)越多的光伏發(fā)電被用于電力系統(tǒng)中。

4 結(jié)論

本文闡述了幾點(diǎn)光伏發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)的影響，并進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為提高配電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性、改善系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)以及提高供電可靠性提供了理論基礎(chǔ)及合理的方案依據(jù)。