分布式光伏發(fā)電站并網(wǎng)對區(qū)域電網(wǎng)電壓與電流穩(wěn)定性的影響

朱國棟

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司灌南縣供電分公司，江蘇 灌南 223500）

0 引 言

目前，分布式并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)已經(jīng)引起了社會的廣泛重視。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力市場的電力供應(yīng)量迅速增加，電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)也越來越接近極限，而分布式光伏發(fā)電的引入使得配電網(wǎng)由輻射狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，將會引起原有的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)和電壓分布產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生一定的影響。

1 分布式光伏電站并網(wǎng)

實(shí)際運(yùn)行中，光伏發(fā)電系統(tǒng)以特定的方式將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。目前，大部分的太陽能發(fā)電站都是采用分布式光伏發(fā)電技術(shù)，該技術(shù)具有輸出功率較小、污染小以及電能密度低等環(huán)境兼容優(yōu)勢，將該技術(shù)應(yīng)用到發(fā)電機(jī)組后可以更好地和周邊的電站進(jìn)行匹配[1]。電力系統(tǒng)相關(guān)工作人員需要進(jìn)一步創(chuàng)新和發(fā)展光伏發(fā)電技術(shù)，進(jìn)一步推動光伏發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

在大多數(shù)情況下，配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可以分為樹干型、環(huán)網(wǎng)型以及輻射型。其中，輻射式配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有接線簡單、保護(hù)調(diào)整簡單以及擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電站并網(wǎng)系統(tǒng)。

2 分布式光伏發(fā)電站并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 應(yīng)用面臨的問題

我國雖然有大量的屋頂資源，但是滿足面積大、結(jié)構(gòu)好以及承重強(qiáng)等條件的高質(zhì)量屋頂較少。屋頂?shù)某兄睾蜆?gòu)造都是事先設(shè)計(jì)好的，農(nóng)村大多數(shù)屋頂都是用于安裝防曬瓦片等，城市因樓層較高而存在安裝隱患，都阻礙著分布式光伏的安裝。

目前，相關(guān)企業(yè)的技術(shù)水平尚未完善，使得屋頂光伏系統(tǒng)的安裝存在一定的不確定性。許多公司內(nèi)部手續(xù)復(fù)雜，使得分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)展緩慢。對于投資者而言，分布式光伏發(fā)電的發(fā)展存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。在“標(biāo)桿電價(jià)+補(bǔ)貼”模式下，當(dāng)電力需求減少時(shí)，發(fā)電企業(yè)需要將剩余電量投入電網(wǎng)。建立長期、穩(wěn)定以及低成本的融資渠道是分布式光伏發(fā)電發(fā)展的必要條件，但是目前存在投入與收益失衡的問題，導(dǎo)致其資金來源不足，制約著分布式光伏發(fā)電站的發(fā)展[2]。

近年來，國家針對分布式光伏發(fā)電發(fā)布了多項(xiàng)扶持政策，但由于監(jiān)管不力和自有屋頂產(chǎn)權(quán)較少等，分布式光伏電站仍未得到很好的推廣應(yīng)用。

2.2 并網(wǎng)對公網(wǎng)的影響

太陽能光伏發(fā)電分為離網(wǎng)式和并網(wǎng)式2 種，不同的并網(wǎng)模式會對電網(wǎng)產(chǎn)生不同的影響。離網(wǎng)式光伏發(fā)電不會對公共網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生任何影響，而并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)會引起電網(wǎng)電壓的波動。同時(shí)，將電力傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的并網(wǎng)模式會對繼電器的配置產(chǎn)生一定的影響。

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的引入改變了光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)原有的負(fù)載增長方式，使得光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的改造與管理更加復(fù)雜，同時(shí)對光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響[3]。分布式光伏系統(tǒng)的引入使饋線的電壓分布發(fā)生變化，但由于供電節(jié)點(diǎn)分布較分散且規(guī)模較小，使得光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制難度增大，同時(shí)也威脅著電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。對于采用逆變器連接到電力網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其開關(guān)電源和電源補(bǔ)償電容器都會造成一定程度的諧波污染，從而影響電力質(zhì)量。

隨著分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)，電網(wǎng)的電壓波動和閃變次數(shù)增多，傳統(tǒng)電力對電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力也隨之下降，從而影響電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。目前，國內(nèi)光伏發(fā)電站并網(wǎng)系統(tǒng)大都采用單機(jī)輻射型網(wǎng)絡(luò)。如果采用分布式電源并網(wǎng)，那么當(dāng)其他并聯(lián)分支出現(xiàn)故障時(shí)，會造成分布式光伏系統(tǒng)中的繼電保護(hù)出現(xiàn)誤動作，致使系統(tǒng)不能正常運(yùn)行[4]。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)還可能出現(xiàn)孤島故障問題，孤島故障會給電網(wǎng)的正常工作造成很大的影響，威脅線路維修人員的生命安全。在特定條件下，單純的切斷電源會對用電設(shè)備造成損害。當(dāng)電網(wǎng)重新開始供電工作時(shí)，如果系統(tǒng)的電壓相位與電網(wǎng)電壓相位不一致，那么會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電流沖擊，威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.3 間歇性發(fā)電的影響

當(dāng)氣候和外界環(huán)境惡化時(shí)，光感效果不佳，會影響光伏發(fā)電的功率，導(dǎo)致發(fā)電不連續(xù)，影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。同時(shí)，由于間斷電源的電壓不穩(wěn)定，會導(dǎo)致電網(wǎng)的輸出功率不穩(wěn)定，易發(fā)生電壓閃爍的現(xiàn)象?；谠摫尘?，需要在三相逆變控制的過程中采用比例積分控制器，通過引入電壓前饋，從而提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。

2.4 對電能質(zhì)量的影響

當(dāng)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)接入分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的電壓會受到抑制，且會瞬間下降。在沒有發(fā)生短路故障的情況下，各節(jié)點(diǎn)的電壓振幅會出現(xiàn)變化，該變化與分布電容的大小有關(guān)。此外，分布式電源與配電線路連接過程中可能會導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)誤啟動或輸出功率出現(xiàn)波動。在集中供電模式下，配電網(wǎng)絡(luò)會呈現(xiàn)輻射狀，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，饋線電壓會逐漸下降。

2.5 電網(wǎng)運(yùn)行控制不佳

采用光伏并網(wǎng)的方式能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽能資源的有效利用，但是大規(guī)模應(yīng)用后，供電部門的工作人員很難監(jiān)測到電網(wǎng)的變化，不能準(zhǔn)確預(yù)測電網(wǎng)的容量，導(dǎo)致電力調(diào)度工作出現(xiàn)很多問題。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)重大故障時(shí)，需要采用常規(guī)方法發(fā)電，并重新規(guī)劃電力供應(yīng)量[5]。如果并網(wǎng)后更多的分布式光伏供電系統(tǒng)進(jìn)入配電網(wǎng)絡(luò)，則會對電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)頻產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行控制不佳。此外，在公用電網(wǎng)中采用這種發(fā)電方式，可以增加供電點(diǎn)的數(shù)量，擴(kuò)大分布區(qū)域，從而提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率。

3 配電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性分析

光伏并網(wǎng)后，通過改變勵磁調(diào)節(jié)方式和提高恒功率調(diào)節(jié)幅度，會對配電網(wǎng)容量產(chǎn)生較大影響。當(dāng)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的分配潮流向異步發(fā)電機(jī)供給逆變脈沖時(shí)，電壓恒控界面會向負(fù)荷節(jié)點(diǎn)（PQ 節(jié)點(diǎn)）發(fā)出微弱的連接信號，從而使光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)在較長的一段時(shí)間內(nèi)處于振動狀態(tài)。由于光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的振動，電網(wǎng)容量上下限將繼續(xù)擴(kuò)大，直至上、下限之間的差值與電網(wǎng)的出線電壓相等。配電網(wǎng)的分配流向有多個(gè)不同的逆變脈沖，電壓恒控接口無法完全滿足弱電信號的接入要求，為了防止電力傳輸中的阻塞，PQ 節(jié)點(diǎn)總是處于恒定的功率調(diào)節(jié)狀態(tài)，并且在保證電網(wǎng)容量上下限的情況下促進(jìn)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

不論光伏發(fā)電系統(tǒng)是處于分布式接入還是集中式接入模式，其并網(wǎng)模式都會利用靜態(tài)電壓來調(diào)整系統(tǒng)。隨著光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性逐步提升，其前向輸出將直接對配電網(wǎng)的反向功率進(jìn)行控制。在電力損失低于配電網(wǎng)額定功率的情況下，采用調(diào)整并網(wǎng)模式的方法可以保證電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓由低到高變化時(shí)，將使并網(wǎng)模式從單向聯(lián)接轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向聯(lián)接；當(dāng)輸出電壓由高到低變化時(shí)，將使并網(wǎng)模式從雙向聯(lián)接轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蚵?lián)接。不論采用哪一種方法，都會在很短的時(shí)間內(nèi)將光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定電壓調(diào)節(jié)至一個(gè)相對穩(wěn)定的水平。

4 分布式光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)影響的改進(jìn)措施

4.1 電網(wǎng)運(yùn)行控制不佳的改善方法

為了解決并網(wǎng)后電網(wǎng)的控制效果不佳等問題，電力公司可以通過預(yù)測光伏發(fā)電功率等方法監(jiān)測光伏電源和其他電源的運(yùn)行，從而達(dá)到動態(tài)協(xié)調(diào)供電的目的。在太陽能電池供電后，可以精確地測量太陽能電池周邊的太陽能光照強(qiáng)度，建立太陽能發(fā)電功率預(yù)測模型，通過對發(fā)電功率的預(yù)測為未來光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供幫助。根據(jù)供電區(qū)域的照明狀況對光伏發(fā)電裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，在光照強(qiáng)度高的區(qū)域布置更多的光電供電設(shè)備。在光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，還存在著電力供應(yīng)不穩(wěn)定的問題，為了保證光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要利用備用的電力設(shè)備來保證電力的高效供應(yīng)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

4.2 孤島效應(yīng)的改善方法

在電網(wǎng)停電后，對逆變器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測。如果其輸出功率和負(fù)載功率之間的差別很大，則說明存在孤島效應(yīng)。當(dāng)二者的功率值相差很小時(shí)，檢測效果并不理想。此外，可以采用有源探測的方法。當(dāng)出現(xiàn)故障問題時(shí)，逆變器的異常參數(shù)將遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)值，從而能夠檢測出孤島效應(yīng)。采用有源測試的方法可以得到具有高精度的參數(shù)，但是存在控制難度大等問題。

4.3 控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

為了實(shí)現(xiàn)我國光伏產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，需要從以下2 個(gè)方面著手。

一方面，推動電網(wǎng)向著智能化、高效化發(fā)展，提高光伏并網(wǎng)率。在高速雙向通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、控制方法以及決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化。

另一方面，做好國內(nèi)的區(qū)域互聯(lián)，強(qiáng)化清潔能源開發(fā)消納，其中微能源網(wǎng)是一個(gè)重要的發(fā)展方向。要發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)，最核心的子單元就是智能微電網(wǎng)，智能微電網(wǎng)可以通過能量的儲存和資源的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)啬茉瓷a(chǎn)和電力消費(fèi)的基本均衡，并能夠根據(jù)實(shí)際需求與公共電網(wǎng)進(jìn)行靈活互動。

4.4 合理選擇光伏電站布點(diǎn)

光伏電站在接入公用電網(wǎng)時(shí)，因其接觸區(qū)之間的效應(yīng)不同，極大地影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和接觸區(qū)電壓的大小。在并網(wǎng)時(shí)，由于接入點(diǎn)的電壓值會有所升高，需要選擇合適的接入點(diǎn)，在光伏接入系統(tǒng)后對光伏電站的布局進(jìn)行優(yōu)化研究。

5 結(jié) 論

分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)是緩解當(dāng)前能源危機(jī)和電力緊缺的重要手段之一，研究分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題對光伏發(fā)電未來的發(fā)展和使用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過對分布式光伏發(fā)電站并網(wǎng)系統(tǒng)的分析研究，提出了解決分布式光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)影響的相關(guān)措施，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性和線路的協(xié)調(diào)性，為分布式光伏發(fā)電站并網(wǎng)的健康運(yùn)行提供一定的理論支撐。