分布式光伏发电技术特性及对电力系统的影响

黄碧斌洪博文胡 静戈 狄

（1.国网能源研究院，北京 昌平102209；2.国网河南电力公司许昌供电公司，河南 许昌 461000）

分布式光伏发电技术特性及对电力系统的影响

黄碧斌1洪博文1胡 静1戈 狄2

（1.国网能源研究院，北京 昌平102209；2.国网河南电力公司许昌供电公司，河南 许昌 461000）

文章基于实际项目年度运行数据，以大量图表的形式，总结了分布式光伏发电出力特性，研究了分布式光伏发电对电力系统的正面和不利影响。

分布式光伏发电；技术特性；电力系统；影响

1 引言

随着分布式能源技术的不断提高，分布式能源系统具有的能源综合利用效率高、污染少、能耗低等优点逐步显现，正逐步成为能源电力系统的重要补充，在国家的能源战略中占有重要的地位。无论是作为城市供电的补充，还是解决边远和农村地区的用电问题，分布式电源都具有巨大的潜在市场。

分布式电源接入电力系统将带来多方面影响，这些影响与分布式电源的技术特性密切相关。本文基于实际项目年度运行数据，分析了分布式光伏发电出力特性，并全面研究了分布式光伏发电对电力系统的正面和不利影响。

2 分布式光伏发电出力特性

（1）从短时和日出力特性来看，光伏发电出力呈现较强的波动性、显著的时段性。

光伏出力随光照强度、天气、季节、温度等自然因素而变化，具有随机波动性；光伏出力多集中在白天，尤其是午间时段，而夜晚出力为零，呈现显著的时段性，无法持续稳定的供给电力。

以江苏省分布式光伏发电为例，晴朗天气光伏电站出力形状类似正弦半波，非常光滑，出力时间集中在7点到19点之间，中午达到最大；多云天气由于受到云层遮挡，辐照度数据变化大，导致光伏电站出力短时间波动大，总体出力水平也不如晴天。当太阳光强迅速变化时，输出功率也会在较大的范围内快速波动，小时级出力波动达到装机容量50%。

图1 江苏省某分布式光伏发电典型日出力特性

相对于集中式连片的光伏电站具有出力平滑效应，分布式光伏发电装机容量小、面积不大，受云层、温度等多方面影响较大，出力波动性相对更大。

图2 分布式光伏典型周出力特性（10月22日-10月28日）

（2）从年度出力特性来看，光伏发电出力呈现明显的季节特性，春秋季发电较多；全年大部分时段出力小于其装机容量的50%。

受气候影响，风电出力呈现出明显的季节特性。受光照强度和温度的影响，该江苏分布式光伏发电项目在春季、秋季发电较多，夏冬季出力较小，尤其是南方较冷的一月和二月份以及处于梅雨季节的六月份。从该分布式光伏发电项目来看，年利用小时数为996，接近1000小时。

图3 江苏某分布式光伏发电年出力特性（2013年）

由于光伏电站出力具有随机性、波动性特点，光伏电站出力接近满发的概率很小，大部分情况下分布式光伏发电出力小于其装机容量的50%。2014年江苏分布式光伏发电全年发电出力的概率分布显示，出力超过装机容量 80%的概率仅为0.1%，超过50%的概率仅为15.8%，而出力小于10%的概率达到30.8%。

图4 江苏某分布式光伏发电全年出力分布

（3）光伏发电出力和日间负荷匹配度较高，具有正调峰特性，但由于晚上难以发电，难以有效匹配晚高峰。

从日出力特性匹配来看，光伏发电出力高峰主要在中午期间，能够和居民负荷的日间高峰匹配，具有正调峰特性，但是由于居民负荷的全日峰值负荷通常在晚上，此时光伏发电无法发电，难以起到降低容量需求的作用。

从年出力特性匹配来看，就该江苏分布式光伏发电项目来说，光伏发电出力最高的三个月分别是4月、7月和8月，和夏季负荷高峰在月度上是匹配的。但需要注意的是，是否能够降低年度峰值出力，需要看夏季时刻光伏发电和负荷的日特性曲线是否匹配。

图5 江苏典型日分布式光伏发电出力和居民负荷特性

（4）光伏发电等逆变器类型分布式电源具有不同于常规电源的控制特性，将对电力系统运行提出更高要求。

逆变器类型分布式电源无法向系统提供转动惯量。在没有特殊要求的情况下，逆变器类型分布式电源一般没有类似常规机组的下垂频率控制特性，无法向系统提供一次调频。光伏出力波动性以及预测误差，对系统二次、三次调频能力提出更高需求。

3 分布式光伏发电对电力系统的影响

3.1 正面影响

（1）促进可再生能源的开发利用

利用闲置屋顶资源开发分布式光伏发电，可以避免占用大面积土地，充分利用城市农村的光照资源，有利于扩大可再生能源开发利用规模。

（2）解决偏远地区的能源电力供应问题

通过在大电网难以覆盖的偏远地区发展分布式电源，可以解决这些地区的电力等能源供应不足的问题，促进社会经济发展，还可充分利用可再生能源，保护当地生态环境。

（3）延缓输变电建设，降低输电损耗

分布式光伏发电使得电能的生产和消费尽可能在同一地点完成，不需要进行长距离的输电，降低输送损耗。此外，还可以减少部分输变电容量或输热容量，延长能源供应基础设施升级改造的周期。

3.2 不利影响

（1）改变电压分布，可能出现电压越限和电流过载

分布式光伏发电接入配电网将引起电压分布变化，分布式光伏发电投入、退出时间以及有功无功功率输出也难以准确预测，使得配电网线路电压调整控制十分困难。

传统配电网的调压原则是按照高压侧到低压侧的潮流单向流动考虑，通常将母线电压维持在一个较高范围内（如103%～105%的额定电压），从而保证线路上电压不低于额定的下限值。

随着未来分布式光伏发电的增多，潮流出现反向时，通过馈线阻抗产生的压降将使负荷侧电压比母线电压高，进而可能出现电压升高和电流过载问题。尤其在本地负载较小时。

图6 分布式光伏发电接入对馈线电压的影响

图 6示意了分布式电源接入对馈线电压的影响。在没有分布式电源接入时，馈线电压沿馈线从首端到末端逐渐降低，但接入分布式电源后，由于功率反向送入馈电线路，馈线电压有可能升高。当反向功率过大时，很有可能超过允许的电压升高限度。

电压越限的问题主要取决于网络参数和上网功率的大小。该问题尤其容易出现在农网地区，主要有原因是农网多采用架空线，长度较长，因此阻抗相对较大，容易出现电压升高问题，同时线路载流量较小也容易引起电流过载问题。

（2）带来电压波动闪变、谐波、三相不平衡等电能质量问题

受光照资源影响，分布式光伏发电输出功率具有随机性，易造成电网电压波动和闪变。通过逆变器并网，不可避免地会向电网注入谐波电流，导致电压波形出现畸变。大量单相光伏发电系统接入可能导致三相电流不平衡。无隔离的逆变器并网易导致直流分量。

（3）非计划孤岛给电网检修人员和电力用户带来安全风险

配电网检修或者故障时，分布式电源可以继续向部分负荷供电，形成供电孤岛。孤岛是引入分布式电源以后配电网中新出现的一种新运行方式，可以减小停电面积，提高供电可靠性，但是，非计划孤岛可能会对系统、用户设备、维修职员等造成危害，可能出现的供需不平衡还将严重损害电能质量，反而降低了配网供电可靠性。

图7 孤岛运行方式

分布式光伏发电造成的非计划孤岛运行可能造成如下危害：第一，电网维护人员可能由于孤岛运行而误接触带电导体发生触电事故；第二，与电网供电相比，分布式发电供电的孤岛系统的电能质量无法保证。

（4）分布式光伏发电难以提供较大短路电流，对短路电流水平和保护协调的影响不大

由于分布式光伏发电采用逆变器类型并网，短路电流通常不会超过额定输出电流的1.5倍［1］，因此光伏发电接入配电网不会引起故障电流过大问题。

表1 不同类型分布式发电故障电流注入能力

（5）系统安全运行问题

随着接入容量的增加，分布式光伏发电出力波动性将可能显著改变系统供电负荷曲线，对系统有功平衡带来挑战，对电网的运行灵活性提出更高需求。

随着系统光伏接入容量的增加，光伏发电对系统净负荷曲线将有显著影响，呈典型的“鸭型”曲线特征，这将对电力系统有功平衡带来极大挑战［2］。如白天光伏发电充足，满足电网负荷需求，甚至会出现电力过剩；而夜晚，光伏出力为零，需要其他电源能够快速增加出力，满足电网负荷。这就需要电网运行具有足够的灵活性，如足够灵活的常规发电机组对光伏出力的变化做出快速反应，充足的电网互联以发挥不同区域的资源优势，充足的需求侧响应资源等，保证系统有功平衡和运行安全。

图8 大比例分布式光伏接入后的净负荷“鸭形”曲线

4 结语

分布式光伏发电已成为近中期分布式电源发展的重点，需要全面了解其出力特性及对电力系统的影响，把握发展需要解决的关键问题。本文基于我国实际项目年度运行数据，全面分析了分布式光伏发电出力特性及对电力系统的影响，为分布式光伏发电并网相关研究提供参考。

本文针对分布式电源接入的综合经济分析问题，结合分析方法特点和需求，提出了分布式电源接入综合经济效益分析软件的设计开发方案，可实现对分布式电源接入配电网后综合经济效益的科学定量评估，并且具备良好的通用性和扩展性，可在此平台基础上进行更全面、更深入的分析功能的开发。

［1］ 胡成志，卢继平，胡利华，等.分布式电源对配电网继电保护影响的分析［J］.重庆大学学报，2006，29（8）：36-39.

［2］ Flexibility Resource Adequacy Criteria and Must-Offer Obligation［R］.USA：California ISO，2014.

Technical characteristics of distributed photovoltaic power generation and its effects on power system

Based on annual operating data from projects， this paper summarizes the characteristics of distributed photovoltaic power generation in the form of charts. Then the positive and negative effect of distributed photovoltaic power generation on power system is studied.

Distributed PV； technical characteristics； power system； influence

TM73；TM61；TM727.2

A

1008-1151（2016）01-0041-03

2015-12-11

黄碧斌（1982-），男，江苏宜兴人，国网能源研究院高级工程师，研究方向为新能源和分布式电源的政策法规、规划运营和技术经济研究。