光伏发电接入配电网的影响分析

王瀚澜　田有文　张景旭

【摘 要】随着时代的不断发展，清洁能源逐渐成为人们追求的能源，太阳能广泛应用使光伏发电有了飞速的发展。本文对分布式光伏发电进行探讨，从分布式光伏电源接入配电网的相关问题、光伏发电的特性等方面进行了分析。

【关键词】光伏发电；配电网；影响；特性

0 引言

在化石能源日益短缺的当今社会，无污染的可再生能源成功吸引了人们的视线。太阳能具有可再生、分布广泛、无污染等优势，成为公认的理想替代能源，近年来已被广泛利用。光伏发电利用的正是将太阳能转换为电能的原理，光伏发电（PV）作为分布式发电（DG）的一种，当其大量接入将对配电网造成广泛的影响，其中包括对配电网稳态运行的影响、对配电网暂态运行的影响和对配电网继电保护的影响等。解决了这些问题才能更好地利用光伏发电，使其更好的发展。

1 分布式光伏发电

光伏发电受外界天气条件影响极大，发电功率会随着光照强度的变化而剧烈地变化，夏天的多云天气尤为明显，其功率在瞬间的输出变化率甚至能超过10%。现有主要的并网逆变器的控制方式基本上都是通过控制输出电流以跟踪并网点电压，达到并网的目的。其输出为纯有功功率，功率因数接近1，没有对电网功率因数调节的能力。由于光伏发电输出功率的快速波动性，当进行大容量并网的时候，就要通过旋转发电机的工作来进行功率调整的补偿，这样就增加了一个合理安排发电计划的研究课题。随着逆变器输出负载的变化，谐波也随之发生变化，在输出减小到额定输出的90%时，其输出电流谐波失真甚至会达到20%以上，这样就会对电网产生污染。并网逆变器的抗孤岛保护功能与负荷状况的相关性：随着并网容量不断加大，光伏并网系统中会有多种类型的并网逆变器（不同保护原理）接入同一并网点，导致互相干扰，同时在出现发电功率与负载基本平衡的状况时，抗孤岛检测的时间会明显增加，甚至可能出现检测失败。由以上光伏发电的特性可知，现有的光伏并网系统并不是“电网友好型”电源，它与传统火电、水电，乃至新兴的风电、生物质能都有很大的不同，当其接入电力系统时应就相关问题进行专门的研究。

2 分布式光伏电源接入配电网的影响

大规模光伏发电系统的接入，不可避免地会对传统电网的规划设计、调度运行等多方面产生影响。研究和减少这些影响，为电网自身安全稳定运行，提出并制定光伏发电并网的相关技术要求，是一项非常有意义的工作。

2.1 对继电保护的影响

中国的配电网大多为单电源放射状结构，多采用速断、限时速断保护形式，不具备方向性。在配电网中接入分布式电源后，其注入功率会使继电保护范围缩小，不能可靠地保护整体线路，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。

在传统的配电保护系统中，网络类型主要是通过断路器，重合器和保险丝组成。三段式过流保护作为主保护和备用保护广泛应用于变电站的馈电线路中：过流分段（过流段I，过流段II，过流段III等）的动作值和时限，实现了电力线路主保护和下级馈电线路的后备保护；安装按照预先建立的操作程序（例如两快速和一慢速，两快速和两慢速）切除故障，利用重合的动作来恢复系统通电时隔离和瞬时故障；熔断丝装设于支馈线，通过大于不允许电流值，并持续一定的时间，以实现其熔断器被熔断除去有缺陷的部件，并进行隔离。断路器-重合器、重合器-熔断器、熔断器-熔断器之间选择性协调由断路器动作电流值，动作延迟，重合器的操作程序和熔断器选定共同决定。然而，随着大量的分布式电源接入配网，配网的同一个辐射馈电结构变得更复杂，其配网结构，如图1。

显然，DG的接入，使配网变为多个电源的网络，当系统发生故障时，故障电流和方向的幅度改变时，传统的保护敏感性，选择性，速度，可靠性都难以满足更多的DG与网络的安全性和稳定性的要求。

（1）DG下游故障时，例如f1（f4），由于分支系数的影响，通过CB2中保护装置的故障电流比没有DG时小，保护的灵敏度下降，若DG的容量足够大，保护甚至完全无法正常启动造成拒动；因为DG电源的助增作用，重合器和熔断器故障电流变大，虽然提高了保护灵敏度，但有可能使速断保护范围流延伸到上级或下级线路，熔断器熔断，从而失去了保护选择性或上下熔断器配合失效。

（2）当系统的电源供给侧或相邻的线路故障时，例如f2（F3），该系统的电源和DG会向故障点提供短路电流也，逆向短路电流流过R和CB 2时，重合器和断路器由于没有方向的辨识性，若DG容量足够大时，保护就会发生误动作，从而终止其全线路的运行，严重降低供电的可靠性。

（3）配网系统出现故障时，如果系统侧被断开而DG没有断开，那么会形成孤岛运行，如果DG的容量不足，从而使孤岛区域内的电压和频率下降，就会严重影响电能的质量。同时，孤岛运行会使得系统在侧检的成功率大大降低，临时故障不能保证及时恢复供电。

2.2 对配电网暂态运行的影响

光伏电源接入对配电网，对暂态运行的影响主要表现在对系统电压波动的影响上。传统配电网中，系统电压波动主要是由有功、无功负荷随时间变化所引起的，并且沿线路末端方向，电压的波动越来越大。如果负荷集中在系统末端附近，电压的波动会更大，所以一般尽量避免这种情况的发生。光伏分布式电源接入配电网后，会影响系统电压的波动，使其增大或减小，这主要通过2种方式：①光伏分布式电源与当地的负荷协调运行，即光伏分布式电源的输出量随该负荷的增加（或减小），相应的增加（或减小），此时光伏分布式电源将抑制系统电压的波动；②光伏分布式电源不与当地的负荷协调运行，如利用自然资源发电的光伏分布式电源，由于其输出量受自然资源（如风速、太阳光辐射强度等）影响很大，一般很难控制，所以这类光伏分布式电源很难与当地的负荷协调运行，此时光伏分布式电源将可能增大系统电压的波动。

2.3 对配电网稳态运行的影响

光伏电源接入对配电网稳态运行的影响主要体现在对电压分布和网损的影响。传统配电网一般呈辐射状，稳态运行情况下，电压沿馈线的潮流方向逐渐降低。光伏电源接入位置会使配电网的电压和网损受到不同程度的影响，因此需要合理配置。光伏电源具有自治运行（指光伏电源并网而逆变器不受调度的控制）与调度运行两种控制模式。光伏电源工作在自治运行方式时，若在单位功率因数模式下（通常用户会设定这种模式），配电网接入光伏分布式电源后，在稳态情况下（假设负荷恒定不变），则因局部线路潮流增加，线路末端电压会下降，同时因线路压降增大而造成网损增大。光伏电源工作在调度运行方式时，由调度控制可以调整有功、无功输出。通过增加光伏电源无功功率输出，减少有功功率，使得沿馈线的各负荷节点处的电压有所提高，此时线路压降减小，网损减小。配电网系统电压被抬高多少与接入的光伏电源的位置及总容量的大小有关。当光伏分布式发电相对网络负荷较大时，系统电压往往需要适当减低，以适应光伏分布式发电注入有功、无功功率抬高部分节点的电压。

3 结束语

开发可再生能源是我国可持续发展基本国策的重点体现，在能源的消耗日益严重的今天，势在必行。如何更加有效地利用太阳能、减小并网冲击和电力谐波、提高光伏发电系统的效率、提高功率因数，也给光伏发电系统的控制技术提出了更高的要求，对于光伏发电的研究仍需继续。

[责任编辑：汤静]