高滲透率分布式光伏下配電網(wǎng)問題研究

國網(wǎng)遼陽供電公司 程一昊

1 分布式光伏發(fā)電技術(shù)背景及工作原理

1.1 分布式光伏發(fā)電技術(shù)背景

分布式光伏發(fā)電技術(shù)因其靈活利用太陽能進(jìn)行發(fā)電、對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)而被越來越多的應(yīng)用。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展及人們對物質(zhì)生活要求的不斷提高，光伏發(fā)電站數(shù)量迅速攀升，且在整個(gè)配電網(wǎng)的電力供應(yīng)中出現(xiàn)高滲透率的特點(diǎn)，解決高滲透率下分布式光伏的配電網(wǎng)問題、提升配電網(wǎng)整體運(yùn)行質(zhì)量是當(dāng)前電力行業(yè)面臨的關(guān)鍵問題之一。

目前，根據(jù)分布式光伏發(fā)電的使用情況通常將其分為3種。第1種是光伏電站產(chǎn)出的電能供給客戶直接利用，不需要并入外界配電網(wǎng)中；第2種是光伏電站產(chǎn)出的電能在滿足客戶使用后還有部分余量，為避免浪費(fèi)，將該余量并入外界配電網(wǎng)中進(jìn)行綜合利用；第3種是光伏電站產(chǎn)出的電能直接并入外界配電網(wǎng)進(jìn)行售賣，根據(jù)用戶需求進(jìn)行分配使用[1]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，第2種的投入成本低，性價(jià)比較高，使用比較廣泛，但也強(qiáng)烈影響到配電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1.2 分布式光伏發(fā)電工作原理

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、匯流箱、逆變器、直流配電箱、發(fā)電檢測系統(tǒng)等組成，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。光伏電池采用串聯(lián)或并聯(lián)方式，以一定的角度在光伏支架上進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，組成光伏陣列，盡可能地吸收太陽量，并將太陽量轉(zhuǎn)化為直流電，經(jīng)匯流箱后進(jìn)入逆變器，在逆變器中逆變?yōu)榻涣麟姾?，輸送到主電網(wǎng)中。發(fā)電檢測系統(tǒng)可以對系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電、用電情況進(jìn)行跟蹤記錄、顯示儲存等，實(shí)現(xiàn)輸入主電網(wǎng)電力量的統(tǒng)計(jì)。

圖1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要原理結(jié)構(gòu)

2 高滲透率分布式光伏條件下電網(wǎng)現(xiàn)有的問題

2.1 光伏發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成的問題

高滲透分布式光伏電站產(chǎn)生的電能并入電網(wǎng)后，會使整個(gè)電網(wǎng)的負(fù)荷預(yù)測難度加大，具有較多的未知性和不確定性。當(dāng)光伏系統(tǒng)電源的電壓、頻率瞬時(shí)過高、過低時(shí)，均會造成配電網(wǎng)故障，甚至中斷整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行，拖延各項(xiàng)生產(chǎn)工作進(jìn)度，擾亂人們正常生活秩序，造成極壞的社會影響[3]。常見的處理方法是先用數(shù)據(jù)萬用表對電網(wǎng)的電壓、頻率進(jìn)行實(shí)測，如果不在正常范圍內(nèi)，則靜候使供電網(wǎng)恢復(fù)正常即可。如果供電電網(wǎng)的網(wǎng)壓、頻率在正常值之內(nèi)，可能是電路板的本體發(fā)生故障，可以通過將交直流端子切斷，對逆變器斷電重啟，進(jìn)行設(shè)備故障恢復(fù)。

高滲透分布式光伏電站發(fā)電功率主要取決于光照輻射強(qiáng)度，非常容易受到當(dāng)日天氣狀況的影響，特別在陰天或下雨時(shí)會發(fā)生較大變化。與火力發(fā)電廠相比，其發(fā)電功率波動性較強(qiáng)，且具有很大的不確定性，毫無規(guī)律，嚴(yán)重妨礙對電網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)節(jié)能性的研究。

2.2 諧波污染問題

高滲透分布式光伏電站輸出的電能通過逆變器并網(wǎng)后，勢必會對配電網(wǎng)中原來的重合閘參數(shù)、繼電保護(hù)值等相關(guān)量的設(shè)置造成一定程度影響，導(dǎo)致配電網(wǎng)設(shè)備靈敏度下降、保護(hù)失靈、誤動作等異常情況發(fā)生。此外，光伏電站采用的交流逆變器在工作時(shí)，其內(nèi)部的電子組成元件反復(fù)吸合，不可避免地產(chǎn)生諧波分量，進(jìn)而對配電網(wǎng)帶來諧波污染，導(dǎo)致電力設(shè)備損耗和老化加劇，降低設(shè)備生命周期。因此，電力公司進(jìn)行相關(guān)規(guī)定：光伏發(fā)電站在接入電網(wǎng)前，需加裝能夠限制逆變器產(chǎn)生諧波分量的裝置。

2.3 光伏發(fā)電并入配電網(wǎng)接入點(diǎn)位置與設(shè)計(jì)容量問題

光伏發(fā)電站的位置選址及規(guī)模容量至關(guān)重要，直接影響到整個(gè)電網(wǎng)的發(fā)電質(zhì)量，科學(xué)設(shè)計(jì)光伏電站發(fā)電容量、合理選擇光伏電站的配電網(wǎng)的接入點(diǎn)，才能降低電網(wǎng)不穩(wěn)定因素，提高配電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，改善用戶用電體驗(yàn)。但是受現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境情況影響，很多光伏配電網(wǎng)前期規(guī)劃不完整，造成其并網(wǎng)接入點(diǎn)與設(shè)計(jì)發(fā)電容量存在一定瑕疵，且區(qū)域內(nèi)的不同的光伏電站工作時(shí)還互相牽制，這種現(xiàn)象往往會導(dǎo)致負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓高于正常值而損壞電力設(shè)備，還會造成配電網(wǎng)的電壓值上下波動，影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。西北地區(qū)某光伏電站并入配電網(wǎng)后，線路24h電力數(shù)據(jù)監(jiān)測情況如圖2所示。

圖2 西北地區(qū)某光伏電站24h電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)

由圖2監(jiān)測參數(shù)可知，光伏電站在當(dāng)天光照輻射最大時(shí)，光伏發(fā)電功率也達(dá)到最大值，因此造成了嚴(yán)重的過電壓現(xiàn)象，但太陽落山后，倘若未能及時(shí)合理調(diào)節(jié)配電網(wǎng)中潮流布置，將導(dǎo)致系統(tǒng)低電壓情況發(fā)生。

2.4 配電網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)劃問題

配電網(wǎng)初期規(guī)劃通常結(jié)構(gòu)會采取輻射狀結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)潮流流向有固定通道，已形成了固定的規(guī)模，但是高滲透的分布式光伏發(fā)電站發(fā)電主要依靠光照，不可避免會造成電網(wǎng)電量的隨機(jī)與波動性，用戶用電也具有較大的未知性，沒有規(guī)律。區(qū)域內(nèi)的不同的光伏電站工作時(shí)還互相牽制，會造成現(xiàn)有配電網(wǎng)中潮流流向的不確定性，所以在有高滲透分布式光伏電站接入的配電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)，需額外考慮電網(wǎng)潮流方向和高滲透率的影響。倘若對分布式光伏電站的接入點(diǎn)位置和發(fā)電容量規(guī)劃不完善，將無法保證配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，也不利于降低能量耗損，嚴(yán)重影響配網(wǎng)工作質(zhì)量。

2.5 設(shè)備配置、作業(yè)人員水平對電網(wǎng)運(yùn)行的影響

據(jù)相關(guān)資料表明，很多光伏電站為節(jié)省成本，采購的發(fā)電設(shè)備配置較低，且人員的維檢修水平有限，在日常工作時(shí)存在電氣設(shè)備操作不正確、故障發(fā)生后故障長時(shí)間未能得到有效解決等諸多情況，還會時(shí)常發(fā)生電器短路、跳閘甚至爆炸等惡劣電氣故障，這些都對配電網(wǎng)造成極大的沖擊，嚴(yán)重干擾了配電網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，威脅到工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。另外，光伏電源工作時(shí)也會產(chǎn)生諧波電流，且諧波電流的幅值會隨時(shí)間變化而相應(yīng)改變，一定程度上危害到配電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。

3 研究合理的解決應(yīng)對方法

3.1 完善配電網(wǎng)建設(shè)

加快推進(jìn)主動配電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)度，提前做好配電網(wǎng)的整體規(guī)劃，降低高滲透率下配電網(wǎng)的線路設(shè)備損耗并將其控制在可操控的范圍之內(nèi)。同時(shí)，充分考慮光伏發(fā)電受早晚陽光照射發(fā)電不均衡的特點(diǎn)，在配電網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)采用分層分布協(xié)調(diào)控制技術(shù)，合理設(shè)計(jì)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)，更好引導(dǎo)電網(wǎng)中潮流流向的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高滲透率下分布式光伏出力精準(zhǔn)預(yù)測，實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶側(cè)的需求，完善高滲透率下光伏發(fā)電的運(yùn)行工作流程[4]。此外，基于配電網(wǎng)的全局能量控制技術(shù)，對于高能耗用電客戶用電負(fù)荷或光伏發(fā)電出力浮動而造成的配電網(wǎng)中的電力數(shù)據(jù)波動，及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，使之保持在正常值之內(nèi)。

3.2 抑制配電網(wǎng)諧波產(chǎn)生

抑制配電網(wǎng)諧波電流的辦法通常采用兩種方法，一方面對諧波電流產(chǎn)生源頭（用電負(fù)荷側(cè)的電力設(shè)備本身）進(jìn)行技術(shù)改造，將諧波電流扼殺在萌芽狀態(tài)，同時(shí)要求高滲透率下分布式光伏電站增強(qiáng)對入網(wǎng)客戶設(shè)備選型的指導(dǎo)與監(jiān)督，優(yōu)先采購配置好、效率高的設(shè)備，根本上控制諧波電流產(chǎn)生。另一方面是加裝諧波電流補(bǔ)償設(shè)備，例如新型濾波裝置等，該裝置能夠產(chǎn)生與負(fù)荷諧波I大小相同但方向相反的補(bǔ)償I，從而起到遏制諧波的作用。

3.3 合理選擇高滲透率下光伏電站接入配電網(wǎng)的位置電壓

光伏電站中電網(wǎng)電壓值如何選擇是系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本要求，為盡可能地降低并網(wǎng)電壓不合理而造成的配電網(wǎng)設(shè)備故障，要合理選擇接入點(diǎn)電壓。通常情況下，在接入點(diǎn)電壓要求方面，光伏電站系統(tǒng)額定電壓范圍是89%～115%。所以，需要通過交直流逆變器來對接入配電網(wǎng)的電壓進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)及控制。

3.4 科學(xué)設(shè)置電網(wǎng)頻率，預(yù)防電壓閃變

根據(jù)高滲透率下光伏電站在實(shí)際生活中的應(yīng)用情況，電網(wǎng)的頻率需要恒定在49.5～50.5Hz，運(yùn)行過程中，一旦超出該頻率區(qū)間，如果未能立即切換到逆變器運(yùn)行模式，將會引發(fā)設(shè)備故障，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行中斷[5]。此外，分布式光伏電站將產(chǎn)出的電直接輸入到配電網(wǎng)后，會出現(xiàn)電壓閃變故障，進(jìn)而導(dǎo)致電壓的偏離，依據(jù)相關(guān)要求，需要將電壓偏離值限定在5%以下，一定程度上避免此類故障發(fā)生。

3.5 加強(qiáng)配電網(wǎng)用電考核管理

為強(qiáng)化配電網(wǎng)質(zhì)量的提升、充分落實(shí)質(zhì)量管理規(guī)范化，應(yīng)從以下方面采取措施：一是優(yōu)化管理制度，通過梳理配電網(wǎng)質(zhì)量的主要工作內(nèi)容，制定出各崗位標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)法，應(yīng)涵蓋電網(wǎng)質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備配置標(biāo)準(zhǔn)、電力損耗標(biāo)準(zhǔn)等。二是建立獎(jiǎng)懲機(jī)制，對于不良用電習(xí)慣和異常用電負(fù)荷引起的諧波污染，要根據(jù)相關(guān)規(guī)定對污染企業(yè)或用戶進(jìn)行考核。三是積極落實(shí)質(zhì)量責(zé)任制，明確各級工作人員的質(zhì)量工作職責(zé)，利用上下級管理關(guān)系，形成萬一配電網(wǎng)運(yùn)行過程中發(fā)生事故，便可逐級匯報(bào)，一一落實(shí)，并將具體的責(zé)任量化，追究到個(gè)人，嚴(yán)格保證配電網(wǎng)生產(chǎn)進(jìn)度，提高整個(gè)配電網(wǎng)的供電質(zhì)量。此外，企業(yè)內(nèi)部應(yīng)明確職責(zé)分工，建立督察督辦，構(gòu)建短期加長期的工作機(jī)制，并積極對督辦事項(xiàng)進(jìn)行跟蹤反饋，形成閉環(huán)管理。

3.6 提升一線作業(yè)人員技術(shù)水平

在配電網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)過程中，應(yīng)著重增強(qiáng)作業(yè)人員的安全意識，提高作業(yè)人員技能水平。首先，充分學(xué)習(xí)配電網(wǎng)運(yùn)維過程中相關(guān)機(jī)械電氣設(shè)備的操作規(guī)程，熟練掌握其使用方法，避免操作不當(dāng)而造成的設(shè)備故障，進(jìn)而影響配電網(wǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。其次，開展專業(yè)的指導(dǎo)和培訓(xùn)，使電力從業(yè)人員熟練掌握配電網(wǎng)中相關(guān)輔助設(shè)備的常見故障處理技術(shù)，并將其所學(xué)知識在實(shí)際工作中落到實(shí)處。此外，定期組織技術(shù)交流會，討論棘手難題，交流心得體會，分享先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，全面提升從業(yè)人員職業(yè)素質(zhì)，減少配電網(wǎng)設(shè)備故障發(fā)生后的處理時(shí)間，提高電網(wǎng)生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

本文從分布式光伏發(fā)電的種類及工作原理入手，探討了高滲透率分布式光伏條件下配電網(wǎng)存在的電能質(zhì)量、諧波污染等問題，最后提出了完善配網(wǎng)建設(shè)、抑制配電網(wǎng)諧波產(chǎn)生、合理選擇配電網(wǎng)接入位置電壓、科學(xué)設(shè)置電網(wǎng)頻率，預(yù)防電壓閃變、全面提升一線人員技術(shù)水平等科學(xué)的解決措施，充分保證了高滲透率分布式光伏條件下配電網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行，有效提高了配電網(wǎng)的供電質(zhì)量，改善了電力用戶的用電體驗(yàn)，促進(jìn)了電力企業(yè)的健康發(fā)展。