光伏接入对配电网电能质量的影响

叶伟铨

【摘 要】随着社会对清洁能源的需求越来越大，光伏发电商业投资规模不断扩大，光伏发电的装机总容量以及接入点不断增加，光伏发电有关特性对配电网的安全运行以及电能质量产生了一定影响，成为制约光伏发电容量和规模的一道障碍。因此，为使光伏能有序接入电网并发挥最大的优势，研究光伏接入对配电网电能质量的影响显得十分重要。

【关键词】光伏发电；配电网；电能质量；光伏并网

中图分类号： TM711 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）17-0030-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.014

【Abstract】With the increasing demand for clean energy， the scale of commercial investment in photovoltaic power generation continues to expand， the number of total installed capacity and access point of photovoltaic power generation are increasing. Because of the characteristics of photovoltaic power generation， there is a certain impact on the safe operation of the distribution network and the quality of power which has become one of the restrictions on the capacity and scale of photovoltaic power generation. Therefore， it is very important to study the impact of PV electric on the power quality of distribution network in order to make photovoltaic power orderly access to the grid and give full play to its advantages.

【Key words】Photovoltaic Electric； Distribution Network； Power Quality； Photovoltaic Grid-connected System

隨着我国人民生活水平的提高和经济的发展，用电负荷不断创新高，电力资源的需求日趋上升，而且对清洁能源的需求也越来越大。清洁能源分布式发电技术作为传统供电模式的一种补充甚至替代被提出。分布式发电技术有别于传统供电方式的集中发电、跨地区长距离传输、大互联网络的特征，并网功率在几万到几十兆瓦范围内，设备建设在用电重负荷地区附近。光伏发电作为分布式发电技术的代表，早以进入了人们的视野，从路边的电动车太阳能充电棚到普通居民屋顶的小型太阳能发电板，甚至厂房棚顶的大规模光伏发电板。光伏发电利用可再生、无污染的太阳能进行发电，其安装不受地域限制，安装容量可以根据客户需求以及空间进行定制。

1 光伏发电类型

目前市场上主流的的光伏发电类型主要为以下三种：

（1）独立光伏发电系统

独立光伏发电是指脱离大电网的支持，离网、独立地为用电负荷进行供电。一般安装容量为千瓦级以上，可以单独为某一用电地区或者机构供应全部的用电量，是我国商业光伏发电持续增长的主要应用案例。

（2）并网光伏发电系统

并网光伏发电系统指通过光伏发电板以及电网共同向用户供电的光伏发电模式，并网逆变器将光伏发电板输出的直流电转换为符合供电标准的交流电上网。当前厂房顶棚光伏发电系统是此类系统的典型案例。

（3）屋顶发电

屋顶发电是适合普通居民或者商业大厦用户的发电模式，将光伏发电与建筑物设计巧妙融合，减少了前两者发电方式的占地面积，在土地资源紧张的市区用电区域提供清洁的能源。其发出的电量除了供给用户设备使用外，多余的电量可以上网销售，既提高了能源的利用效率，也增加了经济效益。

综上所述，上述三种光伏发电模式中并网发电系统备受瞩目，被誉为未来光伏发电应用的主流。并网发电系统可以根据并网位置不同，分为集中式并网与分布式并网。集中式并网的接入位置一般分布在电网系统侧，发出的电量直接上网，由电网统一调度，不直接给用户负荷使用；分布式并网的接入位置则比较分散，通常分布在用户附近，可直接为用户负荷供电，多余电量或者负荷缺口可以通过外部电网适度调节。

并网发电系统作为未来的主流应用方向，本文接下来的讨论将围绕并网发电系统。

2 配电网电能质量标准

电能质量标准是衡量供配电可靠性的关键指标，评价电网供给用户侧的交流电能的品质。理想情况下，配电网用电设备按照额定频率（50Hz）和额定电压的标准正弦波形的方式为用户提供电能，并且要求三相电压和电流对称，即各相电压和电流幅值相等，相位相差120度。但在实际使用环境下，配电网系统侧和用户侧存在各种非线性元件设备、干扰以及故障等原因，很难实现理想的情况。根据中国1990年以后颁发、修订的电能质量标准，上网电能量质量标准包含电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、谐波、三相不平衡、电压暂降等内容。

（1）电压偏差

电压偏差指某一时间段内，电压幅值缓慢变化而偏离额定值的比例，以实际电压值与额定值之差或其百分比值来表示。电压偏差超过允许范围时，供用电设备会因过压或过流而损坏。电网电压过低也造成线损上升，降低了电网运行的经济性。根据有关条例规定，10kV及以下用户端三相供电电压，允许偏差为额定电压的-7%至+7%；220V单相用户端供电电压偏差为额定电压的-10%至+7%。

（2）频率偏差

频率偏差指电网实际频率与额定频率之间的差值或差值与额定值之间的百分比值。电网频率过高或过低，会导致系统内有关损耗升高，从而降低经济性。不符合规定的电网频率也会引起动力设备的转速的改变，影响有关工业制品的质量。根据有关条例规定，系统容量较小时，允许偏差为正负0.5Hz。

（3）电压波动

电压波动指某一段时间内电压急剧变化而偏离额定值的现象。通常以电压变化速率大于1%时为 电压急剧变化。电压波动以电压急剧变化过程中相继出现的最大值和最小值之差表示。一般情况下，电压波动是由于配电网中有冲击性大负荷接入或退出引起的。根据有关条例规定，10kV以下系统为2.5%。

（4）谐波

理想工况下，配电网电压波形应为标准正弦波，但由于系统内存在大量具有铁芯结构的设备或者整流装置、电弧炉等，这些干扰源运行时会对系统注入可观的谐波，引起电压正弦波形畸变。谐波增加了配电网系统中的功率损耗，可能冲击继保设备引起误动，以及增大感应式电能表的计量偏差等等。根据有关条例规定，公用电网10kV系统电压总谐波畸变率为4%；220V为5%。

（5）三相电压不平衡

理想三相交流系统中，三相电压值应相同，并且互成120度相角。但由于故障、负荷不对称等因素，实际系统并不能做到完全平衡。三相不平衡意味着存在负序分量，使电动机产生振动力矩并发热，严重时则会引起继保误动。三相不平衡的程度以电压负序分量与正序分量的均方根的百分比值来表示。

（6）电压暂降

电压暂降指供电电压的有效值短时间暂时下降的现象。引起电压暂降的原因主要是电网发生短路故障，一些用电设备启动或者突然负荷上升。实际系统中，电压暂降发生的频率比停电事件要高得多，而且经历时间短，事故原因难以调查，处理困难较大。

3 光伏并网对配电网电能质量的影响

与传统能源相比，并网光伏发电系统只在白天并网情况下输出有功功率，其利用效率比较低，而且分布式光伏发电基于天气情况的随机性、间歇性以及频繁投退等特性也会给电网带来运行风险。光伏发电设备中使用的电力电子转换装置也会给配电网带来大量的谐波污染以及无功损耗。如不考虑上述因素影响，光伏发电有可能导致配电网的供电质量大打折扣，对配电网的安全运行造成潜在风险以及不可挽回的后果。光伏并网能为系统提供电压支持，但是也会使配电线路有功、无功发生一定变化，随之而来的是系统潮流以及稳态电压的变化，会导致电能质量的下降以及网损的升高，对配电网的安全性造成严重影响。

配电网安全运行需要保证电压在允许正常范围内，从而确保良好的电能质量。配电网节点电压反映了该处无功的供需关系，电压偏差的根本原因是系统无功出现不平衡现象。无功不平衡容易导致电压超出正常运行范围，严重影响配电网的安全以及经济运行。当光伏渗透率超过最大运行允许值或者配电网系统轻载运行时，极容易出息逆功率现象，大幅度抬升该节点电压，导致配电网潮流和运行方式的变化，也影响了继保设备的动作正确率。分布式光伏系统由于经济性原因选址离负荷中心有一定距离，配电线路越长，并网线路各节点电压损耗就越大，电压畸变也会更加严重，也会使电能质量造成很大影响。

光伏发电主要受到太阳辐射强度和温度的影响，这些不可控且难以预测的因素造成了光伏发电的波动特性，也严重影响了接入的配电网的电能质量以及运行安全。当并网光伏输出功率的波动水平达到一定程度时，配电网电压也会随之发生显著波动，从而影响频率也会发生变化。当光伏系统正常运行时，太阳辐射强度因云层或者其他原因突然减弱，光伏逆变器随之进入轻载模式，对配电网注入大量谐波，引起电压正弦波形畸变，功率损耗增加。阴天期间，光伏系统只能提供较少的功率甚至无功率输出，機组将会停机脱网，频繁的启停机会对配电网造成很大冲击以及影响设备寿命。

4 结束语

光伏发电作为未来清洁能源的发展方向之一，特别是作为城市地区最具有投资价值实用形式。但是光伏发电由于自身的不稳定性以及调度要求，对接入公用配电网的电能质量产生一定的影响。研究和讨论光伏接入对配电网电能质量的影响能够有效避免有关的事故，使光伏发电更加高效更加稳定。

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