并网光伏发电系统对电网影响的研究

研 究 与 开 发2009 年第 3 期 41并网光伏发电系统对电网影响的研究赵 平 1 严玉廷 2（ 1.三峡大学，湖北 宜昌 443002； 2.云南电力试验研究院 (集团 )有限公司电力研究院，昆明 650217 ）摘要 本文通过对实际运行的光伏并网发电系统运行数据的挖掘分析，结合目前光伏并网发电技术特点，分析了未来大规模光伏发电接入对电网的负载特性、电网调度、电压无功、保护等诸多方面的影响，认为解决目前并网光伏发电系统存在的技术问题能更好地适应大容量并网应用的技术要求。关键词： 分布式发电；光伏发电；配电网；接入；并网逆变器Research on Effect of Grid-connected photovoltaic System on Power Grid Zhao Ping 1 Yan Yuting2（ 1.China Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002; 2.Yunnan Electric Power Research Institute, Kunming 650217 ）Abstract Based on the operation data mining and analysis of a grid-connected PV system and current PV technology features, the effect of large-scale PV parallel in power grid on load characteristics, power system dispatch, reactive power, relay protection and many other aspects is analyzed in this paper. The technical solution for current on-grid PV generation application is helpful for large-scale PV system parallel in power grid. Key words ： distributed generation ； photovoltaic(PV) ； distribution system ； parallel in ；grid-connected inverter 1 引言在能源形势日益严峻的今天，光伏发电作为可再生能源的作用与应用前景正日益得到社会的普遍认同，开展光伏发电（ Photovoltaic （ PV） ）的应用推广也更具有现实意义。光伏并网系统作为分布式发电（ DG）的一种，其工作特点是太阳电池组件产生的直流电经并网逆变器转换成符合电网要求的交流电之后， 直接进入公共电网， PV 产生的电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。面临不同容量、不同并网方式、不同系统配置的光伏发电系统接入不同输电网或配电网的要求，从电网角度而言，由于光伏并网发电特性有别于常规发电方式，常规电厂的并网技术条件和接入计算方法就不再适用，加上国内没有全面、明确、可操作的管理标准和技术规范，电网企业就很难从电能质量、可靠性、安全性和规范管理的角度对光伏并网系统进行全面评估，从而导致了光伏发电系统并网的复杂性和困难性。造成上述局面的一个主要原因，是因为目前对并网光伏发电系统的特性（包含光伏系统本身、光伏对电网的影响和电网对光伏的影响） 还不够熟悉。所以研究并网光伏发电系统的技术特点，对于推动光伏并网技术的发展，具有极为重要的意义。2 并网光伏发电系统的技术特点并网逆变器作为光伏并网控制的核心器件，包含了电网信号检测、输出电流控制、最大功率点跟踪（ MPPT） 、抗孤岛（ anti-islanding ）及其他保护，是集检测、控制、并网和保护于一体的装置。通常逆变器的功率电路使用桥式电路，由此可将直流输入转换为交流输出，并经平波电感的滤波作用，可使输出波形较为平滑。桥式逆变电路的驱动信号采用单极性正弦脉宽调制方式 (SPWM) 推动， 可以获得低失真、低谐波和高品质的正弦输出电流波形 [1] 。目前的并网逆变器是通过控制输出电流的幅值、频研 究 与 开 发2009 年第 3 期42 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设计容量的大小，可以选择 10kV 以上、 10kV 和 380V等多种电压等级并网方式。目前国内的已建成的光伏发电站，如上海崇明岛 1MW 光伏发电项目采用 10kV 电压等级并入配电网；云南电网公司在云电科技园建设的 160kW光伏发电项目则采用 380V低压并入园区配电系统。通过分析实际运行的光伏发电系统，可以发现光伏发电有以下特点：（ 1） 现有主要的光伏并网逆变器的控制方式为电压源电流控制，即输入侧为电压源，输出为电流源控制，通过控制输出电流以跟踪并网点电压，达到并网的目的。输出为纯有功功率，功率因数为 1。（ 2） 为有效利用太阳能， 并网逆变器输出功率控制策略为最大功率点跟踪（ MPPT） ，不具备功率调节能力。（ 3） 光伏发电输出受天气影响很大， 尤其在多云天气，发电功率会出现快速剧烈变化（发电功率日趋势见图 1） ， 发电功率的最大变化率超过 10%额定出力 /秒（％ Pe/s） 。图 1 发电功率日趋势曲线（多云天气）（ 4）由于 PV 发电功率的快速随机波动特性，当大容量并网时，就需要常规发电机组的旋转备用容量进行功率调整补偿，使得常规发电机组的发电成本增加。因此，大容量 PV 并网时，合理安排发电计划将是一项值得深入研究的课题。（ 5）逆变器输出轻载时，谐波会明显变大，在10%额定出力以下时， 电流 THD 甚至会达到 20%以上，如图 2 所示。图 2 PV 输出电流 THD 日趋势（多云天气）（ 6） 并网逆变器的抗孤岛保护功能 （ anti-islanding）与负荷状况的相关性： 由于现有的 PV 容量相对于负载比例小，市电消失后电压、频率会快速衰减，抗孤岛可以准确检测，如图 3；随着 PV 容量不断加大， PV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 （如图 4 所示） ， 甚至可能出现检测失败 [2]。图 3 不平衡负载下逆变器防孤岛时间测试图 4 平衡负载下逆变器防孤岛时间测试由以上可知，现有光伏并网控制技术不具备“电网友好型”（ Grid Unfriendly ）特征。随着 PV接入容量的增大，现有并网逆变器的控制保护功能与技术将不能满足输配电网安全稳定运行的需要，会成为制约 PV 并网的重要因素，因此有必要研究大规模 PV 接入对输配电网的影响。3 大规模 PV 对配电网的影响大规模 PV 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。（ 1）对配网负荷特性的影响： PV 的发电功率随日照强度变化，晴天时大致上呈单峰曲线形状，功率峰值一般在时间 10:00 到 14:00 间， 如图 5所示。研 究 与 开 发2009 年第 3 期 43PV 接入会改变配网的负荷曲线特征及最大负荷点，以某含光伏发电的园区为例， 在 10:00 到 14:00 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： 00 前（ PV 未接入时出现在 12： 00 以后） 。图 5 PV 与配电网负荷变化图（ 2）对配网规划、调度的影响： PV 接入对配电网潮流的改变、 PV 向配网反送功率（ reverse power） 的预测及对负载特性的改变， 将对现有配电网的规划、调度运行方式产生影响。（ 3）对调度自动化的影响：现有 PV 单元不具有调度自动化功能，不能参与电网频率、电压的调整，这无疑会减少配网的可调度发电容量，从而加大配网控制与调度运行的难度。（ 4）对电压的影响：若大量 PV 接入在配网的终端或馈线末端，由于存在反向的潮流， PV 电流通过馈线阻抗产生的压降将使负荷侧电压比变电站侧高，可能使得负荷侧电压越限。另外， PV 输出电流的变化也会引起电压波动 （ pv ( sin cos )V I X Rθ θ? = + ） ， 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。（ 5）对保护的影响：目前，我国的中低压配电网主要是不接地（或经消弧线圈接地）单侧电源、辐射型供电网络。变电站保护是基于断路器的三段式电流保护，主馈线上装设自动重合闸装置，支路上装设熔断器。高比例 PV 的引入使得配电网从传统的单电源辐射状网络变成双端甚至多端网络，从而改变故障电流的大小、持续时间及其方向，结果可能会导致断路器保护误动、拒动及失去选择性；导致熔断器动作失去选择性 [3] 。 PV 自身的故障也会对系统的运行和保护产生影响。另外，当 PV 系统抗孤岛保护功能时间不能与自动重合闸等装置协调配合时，就会引起非同期合闸。（ 6） 配电网中引入少量分布式发电单元时 （如PV）对整个电网不会构成太大的影响，然而当电网中存在较多的分布式发电单元，将会对系统电压形态、网损、电压闪变、谐波、短路电流、有功及无功潮流、电路元件的热负荷、暂态稳定、动态稳定、频率控制等特性有较大影响 [4] 。盲目地引入分布式发电甚至有可能使系统的可靠性、稳定性以及电能质量恶化。4 光伏发电新技术为了适应大规模、高容量 PV 接入电网运行，同时保证电网的安全稳定，有必要研究光伏并网发电的新技术。其中，储能技术、谐波抑制、新型并网逆变器等将成为主要的研究内容。4.1 储能技术储 能技术是未来电力系统中重要的新技术，尤其中是在含有高比例 PV 这类变化电源系统中更有应用前景。 PV 系统通过并网逆变器与储能装置配合，进行能量的释放或储存，可以实现频率 /有功的调节，也可以平抑电网功率的波动，限制系统故障电流和平衡负荷的扰动，提高系统的静态和暂态稳定性。主要的储能设备有蓄电池、超级电容器、超导储能装置（ SMES） 、压缩空气储能（ CAES）等。4.2 谐波抑制由前述可知，光伏发电工作在低功率区时，会有较大的电流谐波。针对现有并网逆变器，谐波抑制的有效解决方案有群控技术（ Team）和综合补偿控制两种。群控技术是指为了使逆变器工作在高效区，将多台逆变器并联运行，逆变器间进行协调控制的一种方式。由于群控时各逆变器的直流侧并联，提高了直流侧的容量，相对于非群控的低功率状态，通过协调控制使得此时只有 1 台逆变器工作，可使此逆变器工作较高效率区，从而可以提高逆变器发电功率、降低谐波含量。补偿控制技术则是在逆变器中集成交流滤波器，主要为有源滤波技术（ APF） ，通过综合控制，实现输出有功 /无功功率控制的同时， 抵消产生的谐波分量。4.3 新型并网逆变器由于现有并网逆变器的功能不能很好地满足PV 大容量接入配电网的要求，需要研究新型逆变研 究 与 开 发2009 年第 3 期44 器， 它应该具有有功 /频率控制、 无功 /电压控制功能及与调度自动化的通信能力。另 外，考虑光伏发电接入的配电保护算法、光伏发电的无功控制与配电无功调节装置的协调 [5] 也是需要研究的内容。5 结论光伏发电这一新能源发电形式能够实现可再生能源利用的优化，具有广阔的应用前景。然而大量PV 的并网运行， 可能对传统输配电网的安全可靠运行造成影响。开展大容量 PV 并网对电网的影响研究，研究有可操作性、全面、有效的并网管理标准和技术规范，从规范管理和技术可靠的角度对并网光伏发电系统提出要求，在保证光伏发电系统电能质量、可靠性和安全性的前提下，对最大程度的利用太阳能发电资源具有重要意义。参考文献[1] 赵为 . 太阳能光伏并网发电系统的研究 . 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In: Proceedings of 2001 IEEE Power Engineering Society Summer Meeting,V ol1.Vancouver(Canada):2001. 480-481. 作者简介 赵 平 （ 1975- ） ，男，湖北郧县人，硕士研究生，研究方向为电力电子及新能源发电技术。严玉廷 （ 1972- ） ，男，湖北宜昌人，硕士，研究方向为电力系统运行与控制。国产最大功率直驱式风电机组批量并网发电 近日，湘电集团湘电风能有限公司研制生产的我国首批 13 台 2MW 直驱式风力发电机组， 在大唐漳州六鳌风电场成功并网运行。专家组在严格审核试验数据后当场宣布，各项技术指标均达到或超过国家风机稳定性运行试验标准。这是我国国产最大功率直驱式风力发电机组首次批量并网发电。大唐漳州六鳌风电场总装机 10.16 万 kW ， 分三期开发。第一、二期分别采用西班牙 GAMESA 公司和印度Suzlon 公司的发电机组，第三期则选用了湘电风能公司的 XE72-2000 直驱式风电机组。 湘电生产的直驱式设计的风电机组，具有效率高、系统可靠、维护简单、噪声小及上网电源质量好等明显优势。目前已成功进入福建、内蒙古、山西、河北等地风电场，订单已达 480 台套，合同金额 50 多亿元，其中要求今年交货的产品达420 多台套。为了满足市场需求，湘电集团公司正加紧建设湘潭风电产业园，公司与大唐集团合作建设的湘电风能（福建）有限公司也即将投产。 XE72 型直驱式风机的并网成功，标志着湘电集团已经具备风电机组稳定运行和批量生产的条件，为产品持续改进、系列开发打下了坚实的基础。