分布式光伏发电系统并网问题研究

刘继军

(太原工业学院，山西 太原 030024)

1 引言

太阳能光伏发电与生物质能、风能等几种常见的新能源发电相比，具有其独特的优势。如太阳能取之不尽、用之不竭，发电过程中对环境无污染，最少环节的能量转换，无需运输就地取用等。近年来，随着全球能源危机的日益紧迫和各国加大光伏补贴，光伏产业迅速发展。

我国拥有光伏产业规模尤其是产能上的绝对优势，但一直以来都是以出口为主，如何减少欧美国家对光伏产业“双反”所带来的影响，如何扩大内需进而促进我国光伏产业的持续发展，成为亟待解决的问题。对于配电网络而言，由于光伏并网发电的特性有别于常规发电方式，因此有必要通过分析光伏发电的特性研究其对电网的影响，从而在充分发挥光伏电站作用的同时，将光伏电站对配电网的影响降到最低。

分布式光伏发电系统是常见的一种装机规模较小，布置在用户附近的发电系统，它采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能。[1]为了保证用户用电的可靠性及电能质量，此系统通常需接入公共电网。

2 分布式光伏发电系统接入对公网的影响

2.1 对公网规划的影响

负荷预测是电网规划设计的基础，能否准确地预测负荷是电网规划的前提条件。分布式光伏电站的并网，加大了其所在区域的负荷预测难度，改变了既有的负荷增长模式。大量的分布式电站的接入，使配电网的改造和管理变得更为复杂。

2.2 对电能质量的影响

2.2.1 对馈线稳态电压的影响

电力系统中一般通过投切电容器和改变有载调压变压器(LTC)的分接头调压调节电压，很少配置其他的动态无功调节设备。若新能源发电接入电网所占比例较大，新能源发电站的功率波动性将使线路的负荷潮流也极易波动，加大电网正常运行时的电压调整难度。[2]图1中光伏发电站未接入时配电馈线1～13节点电压均在限制范围内，此时变电站有载调压变压器分接头位于+4档，当光伏发电站接入变电站低压侧时，由于流过主变压器功率减少，若分接头没有降档位仍位于+5档，则此时馈线后端节点的电压将越限。

图1 新能源发电接入前后馈线电压

2.2.2 对电网电压波动和闪变的影响

电网电压波动和闪变主要由分布式光伏发电站开停机、出力波动变化以及发电站补偿电容器投切造成。分布式光伏发电站输出功率波动是其引起电网电压波动和闪变的直接原因。光伏发电站的输出功率随光照强度和温度波动变化，图2为某地6MW光伏并网发电站接入电网时，发电站与电网公共连接点在24h时间内的相电压波动曲线，图中C相电压波动大于A和B相，且C相电压波动多次超出4%。通常光伏发电站所接入的电网短路容量越大，则表明该配电网络越坚强，光伏发电站的功率波动以及启停引起的公共接入点的电压波动和闪变就越小。

图2 分布式光伏发电公共连接点电压波动

2.2.3 对电网谐波的影响

由于并网光伏逆变器的绝缘栅双极型功率开关(IGBT)的物理特性，以及采用脉宽调制控制方法的逆变器自身特点，并网光伏电站运行时会产生相应的电压电流谐波，且由光照强度变化引起光伏电站输出功率的波动间歇变化以及光照不对称都会引起谐波污染。[3]图3为并网光伏发电站在晴转多云天气的实测电流谐波畸变率曲线，可见在出力较小的凌晨和傍晚时电流谐波畸变率较大，中午多云时电流谐波畸变率也有所突增。此外，电网不对称故障产生的负序电压以及配网自身的电压谐波，将导致新能源发电机组产生附加的谐波电流，该部分电流谐波特性由变流器的控制策略决定。

图3 光伏发电站总电流谐波畸变率

2.3 对继电保护的影响

我国的配电网大多为单电站放射状结构，多采用速断、限时速断保护形式，不具备方向性。这种保护方式在现有的辐射型配电网上，能够有效的保护全部线路。但是，在配电网中接入分布式电站后，其注入功率会使继电保护范围缩小，不能可靠的保护整体线路，甚至在其他并联分支故障时，引起安装分布式光伏的继电保护误动作。

2.4 孤岛效应

孤岛效应是指当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时，并网发电系统仍然向周围的负载供电，从而形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛。孤岛效应对电网有很多危害，首先就是对电网检修人员的人身安全的威胁;其次是某些特殊情况下断开公网支持，将会损坏用电设备;再次电网恢复供电之后因为相位不同步引起强大的电流冲击。

3 应对措施

3.1 健全分布式光伏发电接入配电网的技术标准与规范

研究分布式光伏并网发电系统的技术参数和控制特性及承受大电网扰动能力的技术要求与标准，研究光伏发电系统并网的规模、接入电压等级、无功配置和电能质量等方面的技术标准，引导与规范分布式光伏发电系统有序地接入电网，确保发电系统及其控制设备不会对电网的安全稳定运行造成危害。

3.2 建立计算全电网电压波动的频域分析方法

若光伏发电站接入的电网较薄弱时，则在设计时需要选择合适的并网点和电压等级。为了分析发电站的功率波动所引起的电网电压波动，需要区分发电站和电网其他部分产生的电压波动，建立计算全网电压波动的频域分析方法，通过对接入电网的电站进行电流源等效，将实际测量的电站的输出电流分解为有限数量正弦波形后进行分析。

3.3 研究改进监测控制软件

加强对配电网的实时监视、控制、调节，原配电网是一个无源的放射形电网，信息的采集、开关的操作及能源的调度相对简单。光伏发电系统的接入使此过程趋于复杂化，电网运行需要监视的信息类型和范围增加，需要协调控制的对象增加。此外，由于分布式光伏电站的加入，个别的配电网区域内的潮流流向可能由原来的单向变为双向，这样就需要对电能计量模式从软件端进行修改。

3.4 加强反孤岛检测

研究光伏并网系统孤岛检测的方法，研究紧急状态下负荷切除和孤岛划分的优化选择技术，研究孤岛运行和联网运行的无缝切换控制技术，研究光伏发电对配电网中短路电流大小、流向及分布的影响，以及含光伏电站的配电网保护与控制技术，以保证故障的快速、可靠切除和及时智能地恢复供电。另外还需加入远程控制，有效对光伏电站进行检测并控制。

3.5 区分和控制谐波污染

按照《光伏发电站接入电力系统技术规定》光伏发电站并网运行时，向公共连接点注入的谐波电流应满足GB/T 14549－1993的要求。各次谐波应限制在表1所列的百分比内。此范围内的偶次谐波应小于低的奇次谐波限值的25%。建议供电公司在工程投产后测试相关电网的谐波，保证电能质量。[4]

表1

为了区分光伏发电站和配电网各自承担的谐波责任，可根据系统和负荷参数确定参考谐波阻抗，再由PCC点谐波电流测量值估计用户谐波电压发射水平。或通过研究用户波动与背景谐波变化对公共联结点谐波电流、谐波电压的影响，建立一种基于用户主导波动量筛选原理的用户谐波发射水平估计方法。对于含光伏发电站的电网，正确区分配电网和光伏电站在公共连接点产生的电压电流谐波水平，有利于监测和治理光伏发电并网所带来的谐波污染。

4 综述

随着上游晶体硅产业和光伏发电技术的日趋成熟，每千瓦光伏发电的建设成本相比其他可再生能源已具有相同的经济优势。然而，通过本文对光伏电站接入电网问题的研究可看到，光伏发电其实还存在不少的技术问题需要解决和完善。

[1]王长贵.并网光伏发电系统综述(上)[J].太阳能，2008(2)：14 －17.

[2]王成山，王守相.分布式发电供能系统若干问题研究[J].电力系统自动化，2008，32(20)：1 －4，31.

[3]王建，李兴源，邱晓燕.含有分布式发电装置的电力系统研究综述[J].电力系统自动化，2005，29(24)，90 －96.

[4]何艳荣.世界太阳能行业发展趋势[J].太阳能信息光伏专刊2006，8：(5 －6).