分布式光伏接入的配電網(wǎng)的影響及改造方法分析

劉立群

（南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司， 江蘇 南京 211102）

0 引言

在現(xiàn)代能源轉(zhuǎn)型的背景下，分布式光伏技術(shù)逐漸嶄露頭角，為可持續(xù)發(fā)展提供了重要支持。然而，將分布式光伏系統(tǒng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相融合，也帶來(lái)了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。配電網(wǎng)作為能源供應(yīng)的重要環(huán)節(jié)，需要同時(shí)維護(hù)其穩(wěn)定性和環(huán)境友好性。分布式光伏的引入，將配電網(wǎng)從原本的無(wú)源狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛性礌顟B(tài)，但光伏發(fā)電的波動(dòng)性可能對(duì)電能質(zhì)量造成不利影響，甚至引發(fā)短路電流等問(wèn)題。為適應(yīng)分布式光伏的接入，需要對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行多方面的技術(shù)改進(jìn)，包括逆變器技術(shù)的升級(jí)、儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置，以及線路和分銷網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。

1 分布式光伏對(duì)配電網(wǎng)的影響分析

此種影響體現(xiàn)在以下方面：

1）電壓偏差：光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)可能引起電壓偏低問(wèn)題，尤其在微電網(wǎng)等小型系統(tǒng)中，可能會(huì)導(dǎo)致電力設(shè)備的故障、電能表讀數(shù)不準(zhǔn)確等問(wèn)題。

2）諧波擾動(dòng)：光伏逆變器的工作會(huì)引入諧波，擾亂電網(wǎng)的電壓和電流波形。過(guò)多的諧波可能會(huì)影響電網(wǎng)設(shè)備的壽命，甚至造成其他用戶的電氣設(shè)備故障。

3）頻率穩(wěn)定性：大規(guī)模分布式光伏系統(tǒng)可能對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當(dāng)光伏系統(tǒng)突然接入或脫離電網(wǎng)時(shí)，可能導(dǎo)致瞬時(shí)頻率波動(dòng)，進(jìn)而影響電網(wǎng)其他部分的正常運(yùn)行[2]。

4）短路電流：分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后，其可能對(duì)電網(wǎng)的短路電流產(chǎn)生影響，需要重新評(píng)估電網(wǎng)的保護(hù)措施，以確保安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

2 分布式光伏接入配電網(wǎng)的限制條件

2.1 變電站最大負(fù)荷

分布式光伏接入配電網(wǎng)時(shí)，變電站的最大負(fù)荷成為一個(gè)重要的限制條件。光伏系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和波動(dòng)性可能引入電網(wǎng)的諧波擾動(dòng)，影響電網(wǎng)的電壓和電流波形。在這種背景下，變電站的最大負(fù)荷需要進(jìn)行精細(xì)的評(píng)估和規(guī)劃。變電站最大負(fù)荷受到光伏系統(tǒng)容量、逆變器特性、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)等因素的制約。光伏系統(tǒng)容量的增加可能導(dǎo)致在高負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)電網(wǎng)電壓異常下降的情況，影響電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。逆變器產(chǎn)生的諧波可能干擾其他電力設(shè)備的正常運(yùn)行，從而影響變電站的負(fù)荷承受能力。

2.2 變電站剩余間隔

剩余間隔是指在電網(wǎng)中為容納新的光伏系統(tǒng)而保留的未利用空間，光伏系統(tǒng)的引入可能導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變更和設(shè)備增加，對(duì)變電站的剩余間隔提出了要求。光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)可能需要新增的逆變器、連接設(shè)備等，需要考慮其在變電站中的布置。此外，光伏系統(tǒng)的運(yùn)行可能引起短時(shí)間的電流沖擊，需要在剩余間隔內(nèi)保留足夠的緩沖空間，以防止電流沖擊對(duì)其他設(shè)備造成損害。在規(guī)劃變電站剩余間隔時(shí)，需要綜合考慮光伏系統(tǒng)的容量、配置方式以及未來(lái)擴(kuò)展需求。合理設(shè)計(jì)剩余間隔布局，采用合適的隔離、保護(hù)和過(guò)電壓裝置，以確保光伏系統(tǒng)的接入不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生不利影響。

2.3 變電站負(fù)荷最大值

負(fù)荷最大值是指變電站所能承受的最大電力負(fù)荷，包括來(lái)自光伏系統(tǒng)和其他負(fù)荷的總和。分布式光伏的引入可能會(huì)增加變電站的負(fù)荷，因此負(fù)荷最大值的管理變得至關(guān)重要。光伏系統(tǒng)的電力輸出與日照強(qiáng)度相關(guān)，因此具有不穩(wěn)定性和間歇性。在高峰時(shí)段，光伏系統(tǒng)的功率輸出可能較高，對(duì)變電站的負(fù)荷產(chǎn)生影響。為確保變電站不超負(fù)荷運(yùn)行，需要在設(shè)計(jì)中考慮光伏系統(tǒng)的容量，并與其他負(fù)荷進(jìn)行協(xié)調(diào)。合理管理變電站負(fù)荷最大值涉及對(duì)光伏系統(tǒng)的功率預(yù)測(cè)、電力調(diào)度等技術(shù)手段的運(yùn)用。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏輸出和電網(wǎng)負(fù)荷，可以在光伏功率波動(dòng)時(shí)進(jìn)行靈活的電力調(diào)整，避免超負(fù)荷運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 負(fù)荷特性

光伏系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和波動(dòng)性可能對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷產(chǎn)生影響。由于光伏系統(tǒng)的日照相關(guān)性，其輸出功率存在周期性變化，這可能導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷的不穩(wěn)定性。為應(yīng)對(duì)這一限制，需采用負(fù)荷平衡技術(shù)，如儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入和智能電力調(diào)度，以在光伏功率波動(dòng)時(shí)平穩(wěn)調(diào)整電網(wǎng)負(fù)荷，維持電力供應(yīng)的可靠性和穩(wěn)定性。此外，基于對(duì)光伏系統(tǒng)負(fù)荷特性的深入理解，優(yōu)化電網(wǎng)規(guī)劃和負(fù)荷管理策略，將有助于更好地應(yīng)對(duì)光伏系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

3 分布式光伏技術(shù)接入配電網(wǎng)的改造技術(shù)方法

3.1 改造配電網(wǎng)邊界

為適應(yīng)分布式光伏系統(tǒng)的接入，需要借助智能配電網(wǎng)管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏系統(tǒng)的電流、電壓、功率等參數(shù)，以及電網(wǎng)的負(fù)荷狀況。系統(tǒng)能夠自動(dòng)分析數(shù)據(jù)，調(diào)整光伏系統(tǒng)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷的平衡，并在電壓不穩(wěn)定等情況下進(jìn)行快速響應(yīng)。由于分布式光伏系統(tǒng)可能引發(fā)功率因數(shù)下降等問(wèn)題，無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)可以有效改善電網(wǎng)的功率質(zhì)量。通過(guò)配置無(wú)功補(bǔ)償裝置，能夠調(diào)整光伏系統(tǒng)的無(wú)功功率，維持電網(wǎng)的功率因數(shù)在合適的范圍內(nèi)，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性[3]。針對(duì)光伏系統(tǒng)的電壓波動(dòng)特點(diǎn)，需要制定相應(yīng)的電壓穩(wěn)定控制策略。通過(guò)采用電壓調(diào)節(jié)器、變壓器等設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整光伏系統(tǒng)的輸出電壓，以保持電網(wǎng)電壓在合理范圍內(nèi)，如圖1 所示。

圖1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)邊界安全防護(hù)

3.2 新型逆變器技術(shù)

在分布式光伏技術(shù)接入配電網(wǎng)的改造中，新型逆變器技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，技術(shù)在提高電能轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，也針對(duì)電網(wǎng)電流質(zhì)量和穩(wěn)定性等方面的挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新解決方案。新型逆變器技術(shù)包括高精度的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法，能夠快速響應(yīng)光伏系統(tǒng)功率變化，最大程度上提高能源捕獲效率。逆變器中直流（DC）到交流（AC）轉(zhuǎn)換的過(guò)程公式如下：

式中：Vac（t）是輸出交流電壓隨時(shí)間變化的函數(shù)；Vmax是交流輸出電壓的峰值（最大值）；ω 是角頻率，與交流電源的頻率相關(guān)，通常為2π 乘以頻率；t 是時(shí)間；φ 是相位角，表示交流波形相對(duì)于某一參考點(diǎn)的相位偏移。

智能無(wú)功功率控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)逆變器對(duì)電網(wǎng)電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，有效抑制電壓波動(dòng)和諧波擾動(dòng)。而逆變器的集成式儲(chǔ)能裝置還能平衡電網(wǎng)負(fù)荷，減輕負(fù)荷波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響。這些新型逆變器技術(shù)的應(yīng)用，將進(jìn)一步提升分布式光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性、適應(yīng)性和可靠性，推動(dòng)清潔能源的高效融入電力網(wǎng)絡(luò)。

3.3 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

光伏系統(tǒng)的接入可能引發(fā)無(wú)功功率波動(dòng)，導(dǎo)致電壓穩(wěn)定性下降和諧波擾動(dòng)增加。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)能夠有效控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無(wú)功功率，保持電網(wǎng)的功率因數(shù)在合適范圍內(nèi)，維護(hù)電壓穩(wěn)定。靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器（SVG）等設(shè)備通過(guò)響應(yīng)速度快、精度高的方式，迅速對(duì)電網(wǎng)中的無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)整，從而降低電壓波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，減少諧波對(duì)電網(wǎng)的影響。此外，無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的引入還有助于提高電網(wǎng)的電能利用率，減少電網(wǎng)能量損耗，促進(jìn)電力系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行。因此，在分布式光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的改造中，無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)不僅可以優(yōu)化電網(wǎng)質(zhì)量，還能提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

3.4 新型儲(chǔ)能技術(shù)

傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)如鋰離子電池、超級(jí)電容器等已經(jīng)在應(yīng)對(duì)光伏系統(tǒng)波動(dòng)性方面發(fā)揮重要作用。然而，近年來(lái)涌現(xiàn)出諸如流電池、壓縮空氣儲(chǔ)能等新型儲(chǔ)能技術(shù)，這些技術(shù)在能量密度、壽命、環(huán)保等方面都有所突破，能夠更高效地存儲(chǔ)大量電能，減少能源浪費(fèi)，詳見(jiàn)表1。流電池技術(shù)以其高能量密度和長(zhǎng)壽命優(yōu)勢(shì)，為電能儲(chǔ)存提供了更穩(wěn)定的解決方案。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)通過(guò)將壓縮空氣儲(chǔ)存于地下儲(chǔ)層，以在需要時(shí)釋放能量，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期大規(guī)模地儲(chǔ)能。新型儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用能夠有效平衡光伏系統(tǒng)不穩(wěn)定的電能輸出，緩解電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，提升電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。與此同時(shí)，新型儲(chǔ)能技術(shù)也能為電能儲(chǔ)存行業(yè)帶來(lái)更多的創(chuàng)新機(jī)遇，促進(jìn)可再生能源與電網(wǎng)的融合發(fā)展。具體見(jiàn)表1。

表1 各種新型儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)

4 配電網(wǎng)改造的目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)方法

4.1 改造目標(biāo)

1）配電網(wǎng)改造的首要目標(biāo)之一是提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)引入智能微網(wǎng)、新型逆變器技術(shù)和儲(chǔ)能系統(tǒng)等措施，能夠有效平衡分布式光伏系統(tǒng)的波動(dòng)性，避免電壓頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)范圍，減少電網(wǎng)的故障風(fēng)險(xiǎn)，保障用戶用電需求。

2）配電網(wǎng)改造旨在最大限度地實(shí)現(xiàn)電能的高效利用。新型逆變器技術(shù)、預(yù)測(cè)控制和儲(chǔ)能系統(tǒng)等能夠調(diào)整電能輸出，匹配用戶負(fù)荷需求，不僅有助于降低能源浪費(fèi)，還能有效降低電網(wǎng)的負(fù)荷峰值，減輕電網(wǎng)壓力。

3）配電網(wǎng)改造的目標(biāo)之一是促進(jìn)清潔能源，特別是光伏發(fā)電的廣泛應(yīng)用。通過(guò)分布式光伏系統(tǒng)的接入，電網(wǎng)可以獲取更多的可再生能源，減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的升級(jí)和碳排放的減少[4]。

4）配電網(wǎng)改造還追求電網(wǎng)的智能化升級(jí)。智能配電網(wǎng)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)等技術(shù)的應(yīng)用，使得電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和調(diào)控，提升電網(wǎng)的運(yùn)行效率，為未來(lái)能源管理提供了更多可能性。

4.2 實(shí)現(xiàn)方法

1）變電站間隔擴(kuò)建。在現(xiàn)有變電站之間增加新的變電站，可以有效分擔(dān)光伏發(fā)電系統(tǒng)引入的電力負(fù)荷，降低電網(wǎng)壓降和線損，從而提高電網(wǎng)的負(fù)載能力和穩(wěn)定性。新建的變電站可以更精確地匹配光伏系統(tǒng)的電能輸出，確保電網(wǎng)電壓在正常范圍內(nèi)，這項(xiàng)措施不僅改善電能傳輸效率，也為清潔能源的大規(guī)模并網(wǎng)提供了堅(jiān)實(shí)支持，推動(dòng)電力系統(tǒng)向可持續(xù)發(fā)展邁進(jìn)。

2）線路改造分析。光伏系統(tǒng)的接入可能引發(fā)線路電流波動(dòng)，影響電網(wǎng)穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)線路容量進(jìn)行評(píng)估和升級(jí)，可以適應(yīng)光伏系統(tǒng)的功率波動(dòng)，減少線路過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)。此外，采用低阻抗線材、優(yōu)化線路布局等技術(shù)手段，降低線路電阻，提高輸電效率，確保電能順暢傳輸。線路改造不僅滿足分布式光伏的需求，也為電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型創(chuàng)造了更穩(wěn)健的基礎(chǔ)。

3）儲(chǔ)能容量配置。分布式光伏接入后，儲(chǔ)能容量的合理配置成為確保電能平衡與穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。光伏系統(tǒng)的波動(dòng)性可能導(dǎo)致電能供需失衡，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在光伏產(chǎn)能高峰時(shí)存儲(chǔ)過(guò)剩電能，并在低谷時(shí)釋放，平衡負(fù)荷波動(dòng)。通過(guò)精確的負(fù)荷預(yù)測(cè)和能量存儲(chǔ)需求分析，可以確定儲(chǔ)能容量。同時(shí)，綜合考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)成本、性能和維護(hù)等因素，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的容量配置，保障電網(wǎng)的可靠供電，為清潔能源的融入提供可持續(xù)支持。

4）無(wú)功補(bǔ)償配置。分布式光伏系統(tǒng)的接入可能導(dǎo)致功率因數(shù)下降，影響電網(wǎng)穩(wěn)定性。通過(guò)合理配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，如靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器，能夠有效調(diào)整電網(wǎng)的無(wú)功功率，維持功率因數(shù)在合適范圍內(nèi)。這有助于降低電網(wǎng)諧波失真，提升電能質(zhì)量。根據(jù)光伏系統(tǒng)的容量、負(fù)荷特性等，進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償容量的評(píng)估和配置，可為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供良好支撐，確保分布式光伏的順利接入。

5 結(jié)語(yǔ)

在光伏發(fā)展與清潔能源轉(zhuǎn)型的浪潮下，配電網(wǎng)改造顯得尤為重要，通過(guò)新型逆變器技術(shù)、儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入，以及線路改造、無(wú)功補(bǔ)償配置等方法，成功實(shí)現(xiàn)了分布式光伏技術(shù)與電網(wǎng)的高效融合，不僅提升了電網(wǎng)的可靠性、穩(wěn)定性，也促進(jìn)了清潔能源的普及與應(yīng)用。