探讨分布式光伏发电的应用及影响

探讨分布式光伏发电的应用及影响胡 芳龙源（北京）太阳能技术有限公司摘要 近年来，中国的光伏产业发展迅速，越来越多的分布式光伏电源接入到配电网中。文中介绍了分布式光伏发电系统的特性，分析了分布式光伏发电系统对配电网的影响，并对分布式光伏发电系统接入电网的影响， 提出了解决对策。 为大量分布式光伏发电系统接入电网提供一定的理论技术支持。关键词 分布式；光伏发电；并网；配电网；影响；对策中图分类号 TM421 文献标识码 A 文章编号0 引言分布式光伏发电系统有不占地，无噪声，无污染排放，架设输电线路即可就地发供电，所发电力不仅可满足用户基本用电需求， 并且电力传输系统消耗几乎为零等优点。 有越来越多的分布式光伏电源接入到配电网中，对传统的配电网提出了新的挑战。对于配电网络而言， 由于光伏并网发电的特性有别于常规发电方式， 因此有必要通过分析光伏发电的特性，采用新方法、新技术，在充分发挥出光伏电源作用的同时，将光伏电源对配电网的影响减到最小。1、分布式光伏发电的技术特点分布式光伏发电系统有两种并网形式 其一是通过低压线路接入配电网， 其二是经过变压器升压接入到高压电网。 前者是农村屋顶光伏电源或者是城市小规模光伏建筑电源， 后者则是很多光伏电站的选择。其基本结构如图 1所示从图 1可以看出 分布式光伏发电系统主要包括太阳能电池板、 最大功率点跟踪 （ MPPT）太阳能控制器、逆变器、变压器以及控制系统等。对于一些偏远的电网不稳定地区，往往还有储能电池，以为备用。而在并网系统中，逆变器又是整个系统的重中之重，它之后一般还要带有一个滤波器， 使输出的波形较为平滑， 往正弦波靠拢。 目前的并网逆变器是通过控制输出电流的幅值、频率和相位三要素参量跟踪并网点电压来实现并网和功率输出。并网光伏发电系统根据容量的大小， 可以有多种不同电压等级的并网形式。 如云南电网公司在云电科技园建设的 160KW 光伏发电项目采用的 380V 低压并网方式。 上海崇明岛 1MW光伏发电项目则采用 10KV 电压等级并入电网。通过对光伏系统的分析计算 ,可以发现光伏发电具有以下特点 1光伏发电受外界天气条件影响极大 ,发电功率会随着天气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。2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。3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。4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 THD 甚至会达到 20以上 ,这样就会对电网产生污染。5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相关问题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。研究和掌握这些影响，为下一步电网根据自身安全稳定运行需要，提出并制定PV 并网的相关技术要求，是一项非常有意义的工作。2.1、对电压的影响从电网电压降落角度研究光伏发电接入配电网前后点样电压的变化，接入光伏电源后，由于馈线上的传输功率减少， 使沿馈线各负荷节点处的电压被抬高， 可能导致一些负荷节点的电压偏移超标， 得出了光伏发电介入后将使线路电压升高， 且线路某点电压变化趋势与该点后所有负荷大小和光伏发电出力有直接关系的结论。 可通过在中低压配电网络中设置有载调压变压器和电压调节器等调压设备，将负荷节点的电压偏移控制在符合规定的范围内，另外，在正午时分，光伏电源出力通常较大，若线路轻载，光伏电源将明显抬高接入点的电压。所以合理设置光伏电源的运行方式也很重要。由于光伏电源的出电量随入射的太阳辐照度的改变而改变， 可能会造成局部配电线路的电压波动和闪变。若跟负荷改变叠加在一起，将会引起更大的波动。而同一区域的 PV 发电功率受光照变化的影响具有一致性，这将加剧电压的波动，可能引起电压 /无功调节装置的频繁动作。因此，对接入位置和容量进行合理的规划依然很重要。2.2 光伏并网系统对电流保护的影响光伏系统接入对短路点的短路电流增益很明显， 并且随着光伏系统距故障点的接近而增大。 如果光伏系统接入位置距离故障点足够近， 光伏系统容量达到一定值时， 很可能引起误动； 故障点在保护和光伏系统的中间时， 短路点的短路电流增幅明显， 流过保护的电流主要由根节点提供， 与不接光伏系统时相差不大； 而故障点在光伏系统的下游时， 流过保护的短路电流反而比未接光伏系统时小，此时会降低保护的灵敏度。光伏系统产生逆向短路电流的短路点在保护的上游， 当光伏系统容量足够大时， 会向短路点提供很大的短路电流而使保护误动作跳闸。 随着光伏系统接入容量的增大， 通过光伏系统上游保护的短路电流持续减小， 而通过光伏系统下游保护的电流持续增加， 提高了速断保护灵敏度及保护范围， 如果容量没有加以限制， 保护距离增大太多， 保护会延伸至下一级线路，很可能会引起误动，失去保护选择性。2.3 孤岛效应分布式光伏电源通过并网逆变器并网， 必须具备防孤岛效应保护。 孤岛效应对电网有很多危害，首先就是对电网检修人员的人身安全的威胁 ,其次是没有了大电网的支持，供电质量受到影响，容易损坏用电设备 ,再次电网恢复供电之后，因为相位不同步引起强大的电流冲击。鉴于孤岛效应的危害，现代并网系统基本上都有完善的反孤岛检测，只要在 2S 之内能够解列，就能够消除对电网的影响。近年来，大量研究结论表明即使将来有大量分布式电源接入到配电网中， 只要措施得当， 发生非正常孤岛的风险可控制在合理的范围内， 并不会使系统发生非正常孤岛风险的可能性有实质性增加。 因而发生非正常孤岛不会成为妨碍光伏电源等分布式电源接入的一个技术壁垒。2.4 注入电流谐波逆变器使用了大量的电力电子元件， 在逆变器将直流转换为交流的过程中， 不可避免地会产生谐波。所以并网逆变器的质量与性能对并网交流电的电能质量有着至关重要的影响，应谨慎选择。光伏并网电站谐波电压和电流的允许水平主要取决于配电系统的特性、 供电类型、 所连接的负载、设备类型以及电网的现行规定。为保证电压质量， 供电公司在工程投产后要测试相关电网的谐波， 光伏发电站并网运行时， 向公共连接点注入的谐波电流应满足光伏发电站接入电力系统技术规定的要求。 各次谐波应限制在表 1所列的百分比内。此范围内的偶次谐波应小于低的奇次谐波限值的 25。2.5 对配电网的负荷特性、规划和调度自动化的影响分布式光伏电源的发电功率随日照强度变化， 晴天时大致呈单峰曲线形状， 功率峰值一般在 10时到 14时之间， 光伏电源接入会改变配网的负荷曲线特征及最大负荷点。 以某含光伏发电的小区为例，在 1000到 1400时间段，园区从配电网吸收的功率 等效负荷 明显变小，全天最高负荷点出现在 10时前 光伏电源未接入时出现在 12时之后 。这不仅改变了配电网的配电规划，同时，由于光伏电源的接入，改变了配电网的潮流。而且现有的光伏并网系统不具备调度自动化的功能， 不能参与对电压、 电网频率的调整， 这样就会减少配网的可调度发电容量，从而加大配网与调度的难度。3. 对策为了适应大规模、高容量 PV 接入电网运行，同时保证电网的安全稳定，除了在技术层面外，同时还需要在经济政策和法规标准方面积极应对光伏发电并网给大电网带来的新问题。3.1 研究开发支撑光伏发电接入公共电网运行的监测、保护和控制设备。（ 1）配电网的实时监视、控制、调节和计量单位。原有的配电系统的监控和调度是由供电部门统一管理的，由于原配电网是一个无源的放射形电网，信息的采集、开关的操作、能源的调度相应都比较简单。 光伏发电系统的接入使此过程趋于复杂化， 电网运行需要监视的信息类型和范围增加，需要协调控制的对象增加。此外，由于分布式光伏电源的加入， 个别的配电网区域内的潮流流向可能由原来的单一方向变为双向的， 这样就有必要将原有的电能计量模式进行更改。（ 2）含有分布式光伏发电系统的配电系统电能质量分析与控制技术。光伏发电存在功率波动的问题， 这样就给用户带来了电能质量的问题。 逆变器产生的谐波也会提升配电系统的谐波水平。 如果光伏电源以单相的形式并网的话， 会加大电网的三相不平衡度。 因此需要研究含光伏发电并网的配电系统的电能质量综合监控与控制技术。（ 3）含分布式光伏发电系统的配电系统的保护原理和技术。分布式光伏发电系统的并网， 改变了原配电系统发生故障时的特征， 使故障后的电气量的变化更加复杂， 传统的保护原理和故障检测方式将受到巨大的影响， 甚至无法做出正确的判断， 需要探讨新的保护方法和技术。（ 4）孤岛检测及紧急控制与继电保护。研究光伏并网系统孤岛检测的方法，研究紧急状态下负荷切除和孤岛划分的优化选择技术，研究孤岛运行和联网运行的无缝切换控制技术， 研究光伏发电对配电网中短路电流大小、 流向及分布的影响， 以及含光伏电源的配电网保护与控制技术，以保证故障的快速、可靠切除和及时智能地恢复供电。3.2 健全分布式光伏发电接入配电网的技术标准与规范。研究分布式光伏并网发电系统的技术参数和控制特性及承受大电网扰动能力的技术要求与标准， 研究光伏发电系统并网的规模、 接入电压等级、 无功配置和电能质量等方面的技术标准， 研究大电网接纳光伏发电系统应具备的条件等技术标准与规范， 健全光伏发电接入公共电网的技术标准与规范， 将有利于引导与规范光伏发电等新能源分布式发电系统有序的接入大电网，确保这些新型发电系统及其控制设备不会对大电网的安全稳定运行造成危害。结束语分布式光伏发电技术， 以其节能和环保的优势， 具有势不可挡的发展势头， 随着这些分布式电源的接入，配电网的设计、规划、营运和控制都要升级换代来适应其发展。随着越来越多的分布式光伏电源接入到配电网中， 开展分布式光伏发电并网对原配电网影响的研究很有必要。根据研究结果，应用新的技术，制定相应的管理措施，在保证光伏发电系统电能质量、安全和可靠的前提下，最大程度地利用太阳能资源具有重要意义。参考文献1， 尹淞， 郝继红， 我国太阳能光伏发电技术应用综述 【 J】 电力技术。 电力技术 2009.73（ 3） 1-42、国家质量监督检验检疫总局， 中国国家标准化管理委员会、 GB/T19939-2005 光伏系统井网技术要求， 【 S】 .20063、国家质量监督检验检疫总局， 中国国家标准化管理委员会 GB/Z19964-2005 。 光伏发电站接入电力系统技术规定 .【 S】 .20054、孙艳 分布式光伏并网系统在国内的应用【 J】太阳能， 2012.523-24探讨分布式光伏发电的应用及影响作者 胡芳作者单位 龙源（北京）太阳能技术有限公司刊名 城市建设理论研究（电子版）英文刊名 ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu年，卷 期 201323本文链接 http//d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_csjsllyj2013234228.aspx