分布式光伏发电并网对配电网的影响分析

中国电建集团江西省水电工程局有限公司 蔡 超

1 引言

目前国内的配电网主要是中低压类型，不能同时接入大量光伏发电系统，否则会超出中低压配电网的容纳限度，导致配电网的实际电流运行方式产生变化。如果光伏发电系统接入数量大大超过配电网的安全运行限度，会对配电网的正常运行产生影响，甚至造成严重的安全事故[1]。因此，在具体的电力生产过程中要特别注意光伏发电系统在中低压配电网中的接入情况。

2 分布式光伏电源并网发电系统简介

2.1 分布式光伏电源并网方式

国外很早就对分布式光伏电源开展了研究，并积极将分布式光伏发电系统结合到电力生产中。分布式光伏电源首先一个特点是非常灵活，一般光伏电源规模都比较小，可以适应安装在大部分电力生产系统中。其次分布式光伏发电与配电网结合后可以改善电网的运行，从而提升电网的工作效率。同时分布式光伏发电大面积取代以往传统发电模式，大大节省了发电成本。

目前国内广泛使用的分布式光伏发电并网主要分为两种：单级式与两级式。本文主要介绍两级式与单级式光伏发电系统的工作原理和结构分析。

两级式光伏发电系统包括直流变换器、逆变器等，两级式系统顾名思义就是通过两次能量转化来完成电力生产的任务。首先利用光伏阵列吸收太阳能将其转变为直流电，之后通过逆变器把转化成功的直流电又转换为与配电网相同频率的交流电压，从而让光伏发电系统与配电网顺利对接，最终完成电力的生产。两级式光伏发电系统由于具有多个控制器，所以在处理转换的电力时功能比较强大，但是控制器过多也会导致电力生产系统的成本直线上升，不利于节约生产成本[2]。单级式光伏发电结构如图1所示。

仔细观察单级式和两级式光伏电源系统的结构图，不难发现单级式光伏电源系统相比两级式结构只少了直流变换器。单级式只需将电池进行串联，从而让直流电压逐步增加至能够与逆变器连接，与两级式转换直流电压的方式不太一样，但最终都是将直流电转换后接入配电网进行电力的生产。单级式光伏电源系统虽然减少了转化电流的步骤，大大提高了电力转化效率，也节约了电力生产的成本，但具体操作过程比较复杂，不符合大型发电场合的实际工作情况。

2.2 分布式光伏电源的并网原理

上文主要分析了不同类型的分布式光伏发电系统的结构差异和工作原理，同时由于单级式和两级式光伏发电结构类型的差异造成发电系统其中使用的逆变器也并不相同。下面主要讨论一下不同逆变器之间存在的差异，以及在分布式光伏电源工作中分别起到的作用。

目前在分布式光伏发电系统中常用的主要是电压型和电流型的逆变器。电流型逆变器如图2所示，电压型逆变器如图3所示。

图3 电压型逆变器

光伏装置将太阳能转化为直流电，而能否将直流电再转换成交流电接入配电网完成电力的生产就需要利用好逆变器的控制作用。电压型逆变器要求必须同时并联两个电压源才能完成交流电的顺利接入配电网，但在实际的工作过程中很难精准地控制电压源，从而导致电流无法接入配电网。所以目前大多采用电流型逆变器进行电流的转换，电流控制仅需让电流与配电网电压保持一致就可以完成接入的任务，减少了接入时的风险，极大地保障了电力生产的正常进行。

3 分布式光伏电源接入电网的具体应用研究

当前国内有许多地方都开展了分布式发电并网的实际应用，本文采用张家口张北县开展的分布式光伏发电并网项目为例进行研究。此光伏电站站址位于河北省张家口市张北县馒头营乡张汉营村西南。张北张汉营20MWp 光伏并网电站项目规划装机规模20MW，一次性建成。张北光伏电站位置如图4所示。

图4 张北光伏电站位置

3.1 光伏组件选型

3.1.1 晶体硅太阳电池

当前分布式光伏发电系统大多采用的都是晶体硅太阳电池进行发电，因为晶体硅太阳电池吸收转换太阳能的效率比较高，并且成本相较其他太阳电池也低，所以很多分布式光伏发电系统都采用晶体硅太阳电池。晶体硅太阳电池也包含许多类别，比如单晶硅、多晶硅以及球状等晶体硅太阳电池。

3.1.2 薄膜太阳电池

薄膜太阳电池种类也有很多，主要包括硅薄膜太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池、染料敏化薄膜太阳电池和有机薄膜太阳电池等。

3.1.3 聚光太阳电池

聚光太阳电池可分为低倍和高倍聚光太阳电池两大类，其太阳能能量转换效率可达 30%～40%，整个装置的转换效率为 17%～25%。太阳电池性能比较详见表1。

表1 太阳电池性能比较

在使用寿命相同的情况下，多晶硅太阳电池不仅是商业效率还是实验室效率都比其他电池要高。同时张家口张北县光伏电站建筑施工面积较大，适合大面积铺设太阳电池，所以该光伏电站采用多晶硅太阳电池进行分布式光伏发电。

3.2 电量计算

本工程采用多晶硅组件，单片容量 300Wp。根据本工程20MWp 的容量要求，根据多晶硅电池组件参数的参数计算，经过串、并联计算，确定18块为一串，每1MWp 为一个单元，布置186串，共3348块光伏组件；20MWp 共布置 66960块光伏组件。按固定不可调支架以及倾角38°计算，斜面上的年平均太阳辐射为1968kWh/m2，则斜面上峰值日照小时数为1968h，该光伏电场理论发电为20.088×1968MWh ＝39533.184MWh，即20.088MWp装机规模下，固定不可调支架形式电池板理论年发电量约为 39533.184MWh。

当然在实际的生产发电过程中，因为电池的损耗以及太阳光照的具体情况不一样，发电量数据可能与计算值有一些出入，所以也要充分结合光伏电站的实际情况进行发电量的计算预估。年衰减以及年平均发电量测算详见表2。

表2 年衰减以及年平均发电量测算

由表2可知，张家口张北县光伏电站多晶硅太阳电池的发电量随年份增长逐渐减少，利用小时也在缩减。因为电池损耗和实地情况，导致发电量并没有达到预期的发电量。同时在实际调查中还发现，由于分布式光伏电源是利用太阳能转换为电能从而向客户输送电力，这就导致在每天进行电力生产输送时会形成高峰期，高峰期的时候光照充足的话，分布式光伏电源可以稳定进行电力供给，但如果光照不足且配电网产生故障，分布式光伏电源就无法正常进行电力的生产和输送，严重影响居民生活。

以张北20MWp 光伏并网应用实例为对象进行研究分析。首先对河北张家口张北县的太阳能资源进行了分析，然后进行了总体方案设计及发电量计算，包括光伏组件选型计以及电量计算。希望对之后国内使用分布式光伏电源并网提供一些参考依据。

4 分布式光伏发电并网对配电网运行安全的影响

4.1 对配电网运行安全的影响

我国配电网主要采用的都是中低压类型，在面对大规模分布式光伏发电并网的情况下，很容易造成配电网运行的失常，导致出现安全问题，不利于电力的生产。例如，配电网往往是先于分布式光伏电源系统安置的，之前设计人员不会考虑到后期会接入分布式光伏发电系统，这就可能导致大面积的分布式光伏电源接入配电网后，因为负荷过重影响配电网工作，严重的可能直接导致电力系统崩溃。分布式光伏电源规模大、环节多，单独依靠技术人员进行人工控制管理难免会出现遗漏，导致电力系统出现问题，所以需要对配电网采取自动化管理，保障配电网的正常运行。

4.2 对配电网检修维护安全的影响

孤岛效应是分布式光伏发电与配电网并网时经常出现的现象，孤岛效应对于用电客户影响较小，但会极大阻碍电力设施设备检修人员的工作进度。在产生孤岛效应之后，配电网中的保护设备很难及时发现孤岛现象，而没有关闭分布式光伏发电系统向配电网输送电力的开关，从而导致维修技术人员在进行配电网的日常检修中发生安全事故的概率大大提高。分布式光伏发电系统经常发生孤岛效应，也会对于相关的电力设施设备产生严重的损害。同时由于分布式光伏发电系统接入配电网后，由于线路接口多，光靠人工进行检修维护也是比较困难的。

4.3 对计量安全的影响

在实际的分布式发电系统并网中，客户往往增加一个单独的电能计量表，这种私自安装的电能计量表很不稳定，而且非常容易遭到窃电。当前分布式光伏发电主要适配的是中低压的配电网。窃电的行为如果不加以制止，会对用户的用电产生影响，也会最终对国家管理电力的成本造成严重损失。

5 保障配电网安全运行的相关措施

5.1 配电网安全运行对策

通常来说，分布式发电系统向配电网输入的电力大多都在规定电流的1.5倍以内，配电网下游发生短路后，分布式光伏发电系统向配电网输送的电流也会减少，从而缓解下游短路的故障。所以在分布式光伏发电并网中低电压的设施设备可以保持原有状态，不进行额外的调整。如果光伏发电系统接入数量大大超过配电网的安全运行限度，会对配电网的正常运行产生影响，甚至造成严重的安全事故。因此，在具体的电力生产过程中要特别注意光伏发电系统在中低压配电网中的接入情况。

同时针对容易发生孤岛效应导致电力设备出现安全问题的现象，可以采用国家规定的脱网系统解决，即分布式光伏发电系统并网在出现孤岛现象后两秒之内停止向配电网输入电流，达到从根本上解决孤岛问题的效果。在具体的操作过程中，可以充分利用重合闸来延长时间，提供更充足的时间给之后电力保护等系统启动和反应，从而及时处理配电网电流输送时出现的问题，保障配电网的安全运行。

5.2 配电网检修安全对策

配电网需要定期对其进行检修维护，及时发现并处理配电网中可能出现的安全隐患，为配电网的安全运行保驾护航。

国家制定了对于分布式光伏发电以及配电网的检修标准和流程，但在实际操作中由于电网系统的复杂情况常常达不到规定的检修标准。在对配电系统进行检修维护时不仅要严格遵循国家制定的相关标准，还需要根据电力系统运行的实际情况精准地配电网中隐藏的安全问题，从而及时解决处理，保障电力的正常供给。这就要求检修人员必须具备相关资质和工作经验，否则对于出现的安全问题不够了解，也无法及时解决电网系统中的故障，严重影响分布式光伏发电并网和配电网的正常运行。

针对分布式光伏发电系统中容易出现的孤岛现象，在维修人员进行电网检修、维护之前就需要做好保护设备的检测，保证保护设备在出现孤岛效应后可以完成保护功能。也可以在分布式发电系统中安装负控设备，在进行检修过程中出现孤岛效应后可以对保护设备进行远程控制，从而减少安全事故发生的概率，保障检修人员的人身安全和电力设施的正常运行。

5.3 计量安全对策

当前一些用户存在侥幸心理，缺乏对于窃电行为的认识，经常在分布式发电并网中安装独立的电力计量表，这种私自安装的电能计量表很不稳定，非常容易遭到窃电。电力的大规模被窃，会导致国家维护电力的成本大大增加。所以相关部门需要对广大人民群众进行宣传教育，让用电的客户、业主充分了解窃电行为的性质以及相关的处罚措施，从根本上断绝用户窃电的想法。其次可以制定标准值设置报警装置，如果用户电流计量超过标准值，报警装置就会发出信号，让开展窃电行为的用户得到相应的处罚。最后还应该健全分布式光伏发电并网中电流计量监测系统，随时对用户用电计量数据进行统计整理，对于电流计量有问题的用户要更加关注，监测其是否具有窃电行为。

6 结语

随着我国经济水平的不断提高，城市发展建设对于环境的破坏、污染问题也日益严重。分布式光伏发电系统主要通过转换太阳能成为日常电流，一般不会产生污染，具有清洁、可再生的特性。虽然分布式发电具有许多优点，但是由于国内利用分布式光伏发电并网的技术还不够成熟，所以在配电网中接入分布式光伏电源产生了一些问题。本文主要研究分析了张家口张北县光伏电站使用的分布式光伏电源接入配电网的具体应用情况，对其中使用的太阳电池以及电站整体发电量进行数据整理，并根据日常分布式光伏发电可能出现的问题提出相应的解决措施。