光伏发电对配电网的影响分析

陈 华，朱启航

（1.中电建装备集团有限公司，湖北 武汉 430081；2.中电建武汉铁塔有限公司，湖北 武汉 430024）

当前随着社会经济的发展和人民生活水的提升，人们对能源的需求越来越高。光伏发电以其清洁性、经济性得到了突飞猛进的发展，各行各业也对其应用性开始深入的研究。随着大规模光伏发电系统接入配电网中，配电网中的电压、潮流分布、网络损耗、运行特性都受到了一定的影响，因此研究光伏发电对配电网的影响变得更加有价值，更具有实际意义。

1 光伏发电发展状况及相关研究

1954 年，美国科学家恰宾等在美国贝尔实验室最早制成了实用的单晶硅太阳能电池，自此掀开了光伏发电的发展篇章，从1997 年美国提出“百万屋顶”计划到现在，是光伏发电发展最迅猛的阶段。2001—2013年，全世界的PV 新增装机容量呈持续增长趋势，这10 余年的时间里，世界各国对光伏发电的导向直接影响了装机容量，其呈现出了大幅度变化的波浪式发展趋势。到2016 年，全世界的光伏发电装机容量已达到305 GW，新增装机容量为70 GW。美国、中国、日本、印度、英国和德国较其他国家相比，其光伏新增装机容量占比较大。光伏发电产业近些年迅速发展的原因除了各国政府政策上的大力支持外，其科技进步带来的光伏发电产业链经济成本的大幅下降，更促使众多客户选择了光伏发电，从而取代传统的、大成本的火力发电等。

中国地域广阔，为了给一些边远地区大范围持续供电，需要建立较长距离的供电线路，这些都增加了线路的有功损耗，不利于现代电网的经济运行，而这些地方具有很好的光照条件，例如内蒙古、西藏、新疆等，若是合理地利用其太阳能资源优势，建立含光伏发电的配电网供电系统，就能在满足环保供电的基础上，大大减少电网的线路损耗，还能够提高系统运行的稳定性。为此，中国从1958 年开始了对光伏发电的深入研究，并研制出了第一块硅晶体，自此开始了中国的光伏发电革命。2005—2013 年，中国光伏发电的装机容量呈现持续增长趋势，其中，在2012 年光伏发电累积装机容量达到了18.02 GW，在2016 年更是达到了77.42 GW，其装机容量在全球的总装机容量中以49.34%的比例占有首要位置，无疑是太阳能光伏发电大国。

现今社会是经济与科技突飞猛进的新时代，而电力能源是社会生存与发展的重要保障，没有电力系统的支撑，全球的大多数产业都将处于瘫痪状态，严重阻碍经济的发展，且影响人们的生活。据有效统计，全球约90%的产业是依赖大电网以集中方式进行电力传输的，但是这样的供电方式缺乏一定的可靠性，其主要原因是电力系统中的小范围停电故障会直接影响到系统的稳定运行，其中系统的孤岛运行更是直接影响系统频率，有可能引起电网大面积的停电，甚至导致电网的崩溃，而光伏发电方式能够改善此种情况。通常的集中供电多是采用不可更新资源进行较远距离的电力传输，虽然这样提供了强大的电力供应，但是其带来的环境污染和一次性能源危机不容忽视。基于此，太阳能光伏发电以其环保、节能、大规模、灵活性，并且可以以分布式发电方式接入到电力系统中等诸多优点在现今电力行业中突显出来。

在配电网络中，太阳能光伏发电多数以分布式电源的形式接入到网络中，这样的接入方式区别于大电网的集中供电方式，其配置是功率为数千瓦至几十兆瓦小规模的电源供电模块，能够兼容于配电网的独立发电模块。光伏发电和风力发电、火力发电、水力发电相比较，其系统结构简单，所需设备少，投入资金少，占地面积小，更能满足分布式发电的条件，得到了国内外专家以及学者的高度重视。

2 并网光伏发电系统的简介与构成

2.1 并网光伏发电系统的简介

太阳能光伏发电的原理是通过光伏板中的单晶硅及电力电子设备将自然界中光能转换为电网中电能的过程。随着电网的建设发展和技术水平的提高，光伏发电已经成为除了火力发电和风力发电以外第三大发电主体，给新能源发电领域带来了更多机遇和挑战。目前光伏发电并网主要有以2 种形式：一种是光伏发电运行在独立于电网的孤网中，另一种是光伏发电运行在公共电网中。

光伏发电运行在独立的孤网中也叫离网光伏发电系统，这种光伏发电系统多建于电网末端或者经济发展比较落后的地区，该类地区负荷较低，并且不便于电网通过输电设备进行供电。该种光伏发电系统建设相对比较灵活，更能满足地区用户的需求，缺点是到晚上光照不足时需要容量较大的蓄电池进行储能，如果电网出现故障点、缺陷等问题，电源点没有足够的能力支撑起电网的波动，供电可靠性和系统能量利用效率低，负荷波动时发电控制较困难。

光伏发电运行在公共电网中是光伏发电系统直接将电能传输到电网中，随着电网的变化应对各种用电需求，系统转换能量的效率高，对于电力系统运行和学术研究具有更高的价值，是当今新能源研究中的工作重点。

2.2 并网光伏发电系统的构成

一般，对于并网光伏发电系统的研究是通过一次系统和二次系统分别进行研究的，如图1 所示。并网光伏发电系统并网的一次系统主要包括光伏电池方阵、逆变器，二次系统主要包括光伏控制器、防孤岛保护装置。并网光伏发电系统是通过光伏电池方阵实现能量的供应，然后通过逆变器将光伏电池发出的直流电转变为交流电。采用逆变器的原因是配电网的负荷几乎为交流电源设计的负载，而光伏发电输出的却是直流电，为了满足用户的需求，需要用此装置将配电网不需要的直流电逆变为配网负载所需的交流电。逆变器除了逆变电流外，其另外具有的重要作用是自动运行、停机功能以及最大功率跟踪控制功能。光伏控制器是通过自动控制手段调节与控制光伏电池与储能蓄电装置之间充电过程和储能蓄电装置向电源调节器输电的过程，其中也包含了信息化采集功能，通过电脑数字信息集控和监督测试调控手段来迅速、实时地收集目前光伏发电的工作情况，得到并网光伏发电电站的工作数据。目的都是使光伏控制器能够很大程度地估算出光伏系统设计的科学性以及检测网络元件是否具有稳定性。

图1 并网光伏发电系统示意图

防孤岛保护装置是为了避免系统发生事故影响太阳能发电系统的正常运转，同时也避免光伏发电系统孤岛运行情况的出现。光伏发电的电能输出是不稳定的，若是其孤岛运行时，容易造成系统崩溃，甚至使那些具有恒定功率和恒定电压装置的元件受到大幅度破坏，而且对于检修工人来说，这也容易造成触电事故。

3 光伏发电对配电网的影响

3.1 对配电网网损的影响

当光伏发电以分布式电源的形式接入到配电网中时，会对配电网的网损产生以下2 种影响：①对配电网的网损产生积极的影响，即降低了配电网的总网损，但是在计算单条线路的网损时，也有可能其值有所增加。造成这种现象的原因是当某些配电网的节点本身负载较大，而接入的光伏容量和其相比并不大时，接入的光伏在降低这条线路的电量损耗方面做功不多，为此并不能使得这条配电支路的损耗有所减少，但是光伏的接入会使得线路的潮流计算发生变化，进而最终计算整个配电网的电量损耗时，其值是有所降低的。②光伏的接入对配电网的网损产生消极的影响，即增加了配电网的总损耗。造成这种现象的原因是光伏并入配电网的节点位置和并入的容量不科学，此时配电网网损不仅不能够减少反而使其值增加。当并入配电网的光伏总容量超过总负载的2 倍甚至更多倍，且光伏并入配电网某些地方的容量超过该处的负载容量时，这样的光伏并入配电网的方案获得的配电网的总电量损耗就是升高的，也得到了较低的做功效率。所以光伏以分布式电源并接入配电网时，要注意其安装节点位置、容量等。

3.2 对电压稳定性的影响

光伏发电以分布式电源的形式并接入配电网时，能够提高配电网节点电压幅值。这是因为当光伏发电以负的负荷并接入配电网中时，完全可能将原来的潮流方向改变成其他流向，使得最终的配电网的电压幅值增加。太阳能光伏发电的输出电量与太阳能辐射的强弱有关，具有随机性变化的趋势，这样的光伏电源使得配电网的节点电压容易出现电压闪变和电压谐波。电压闪变严重影响了配电网输出电压的稳定性，产生这种现象的原因是光伏在工作状态与停工状态之间切换时，光伏发电和其他装置会互相影响，进而使得电压发生闪变现象，造成电压不稳定情况的出现。光伏接入配电网中使得电压谐波出现的原因是光伏并网时所必须接入的众多电力电子元件以及这些元件经常性地动作会增加系统内谐波的出现，特别是电源调节器的逆变过程都增加了谐波的出现概率。

3.3 对配电系统运行可靠性影响

当光伏发电作为备用电源进行发电时，能够对系统发生故障或线路正常检修以及春查、秋查的系统预试等造成的配电网断电事件起到很好的后备电源作用，避免出现一些重要电力用户的失负荷现象。这样的电力供应无疑增加了配电网安全运行的供电可靠性。当光伏发电以分布式电源并接入公共配电网时，对配电网的供电可靠性也有所影响，表现为积极或消极的影响，这也是由光伏发电的随机性所决定的。当光伏发电与公共配电网消极地相互影响工作时，或是光伏发电的输出电能极其不稳定，很容易使得配电网的供电可靠性下降。

当光伏发电并接入配电网时产生的另外一个不利因素是有可能增加系统震荡的时间，这是对配电网安全可靠性的严重威胁。造成这种现象的原因是当光伏发电以较大容量接入到配电系统中时，若配电网故障引发震荡时，光伏的接入不能抑制震荡的发展，反而增加其震荡的趋势。为了避免这种情况的发生，光伏接入配电网的容量要结合配电网的实际负荷情况。

3.4 对配电系统潮流方向的影响

国内的10 kV 及以下电压等级的配电系统中其中性点通常采取对地绝缘的方式，也有一些通过电感消弧线圈或是小电阻进行接地。传统的配电网潮流计算方法有很多，但是光伏发电的加入虽然能够在很大程度上降低配电系统的电量损耗，但是给潮流计算却带来了很大的难度。当光伏发电并接入配电网时，要特别注意其运行方式，若是任意增加其并入的容量，很有可能造成一些配网支路上的潮流进行双向流动，这使得曾经的传统潮流算法失去其有效性，若是计算不当，在配电网重构过程中，会对最优结果的获得造成很大的失误。

3.5 对继电保护的影响

配电网是闭环设计、开环运行的单电源辐射状网络，当光伏发电以分布式电源的形式接入到配电网中时，会增加电源的数目，使得单电源网络转变成多电源的配电系统，如图2 所示。

图2 多光伏配电网络结构简图

配电网发生事故后，事故电流的幅值和流向都会发生变化，这都影响了含光伏发电配电网的安全性、可靠性，具体从以下3 个方面进行论述。

一是当光伏发电在下游发生事故时，如图2 中的f1 或f4 位置，因为通过故障线路电流与通过上一级保护所在线路电流之比的影响，使得流入CB2 中保护设备的事故电流小于未含光伏发电的事故电流。这样造成的直接后果是保护装置的灵敏度降低，当光伏电源接入的容量达到一定程度时，更是有可能使得保护无法动作。

二是当供电侧或邻近侧的配电支路发生事故时，如图2 中的f2 或f3 位置，这些事故位置的电源侧和光伏发电侧将为其供应持续的短路电流，反方向的短路电流使得重合闸和开关失去方向辨别能力。这样造成的直接后果是保护装置的方向识别失去，当光伏电源接入的容量达到一定程度，更是有可能使得保护误动作。误动作所带来的停电事故很大程度上会影响配电网的供电可靠性。若是新增加方向器件，其经济成本将大大地增加，这不是很好的选择。

三是电网发生事故时，若是未及时将光伏电源切断，光伏发电引起的孤岛运行模式并不稳定，容易造成系统崩溃，甚至使得那些具有恒定功率和恒定电压装置的元件受到大幅度破坏，而且对于检修工人来说，这也容易造成触电事故。

总之，光伏发电给配电网带来了上述问题，但是其接入配电网中所带来的积极影响，如大幅度降低配电网的电量损耗、提高配电网的节点电压、增加配电网的供电可靠性，这些都使得越来越多的光伏发电被用于电力系统中。

4 结论

本文阐述了几点光伏发电对配电网的影响，并进行了详细的分析，为提高配电网系统的经济运行性、改善系统运行状态以及提高供电可靠性提供了理论基础及合理的方案依据。