分布式光伏电源接入对配电网系统的影响

近年来， 中国的光伏产业发展迅速， 并将在未来的电力供应中扮演重要的角色。 随着越来越多的分布式光伏电源接入到配电网系统中， 对传统的配电网络提出了新的挑战。 分布式光伏电源和配电网之间的交互影响， 包括光伏电源对配电网的影响和配电网对光伏电源的影响两方面。本文将重点阐述分布式光伏电源接入后对配电网的影响。光伏电源对配电网的影响包含：对电压的影响（升高接入点电压、引起电压波动） 、对短路电流的贡献、非正常孤岛、注入电流谐波、注入直流分量、对配电网络设计、规划和营运的影响、提供辅助功能。下面将从这几个方面对配电网络的影响进行详细讨论。1 对电压的影响集中供电的配电网一般呈辐射状。 稳态运行状态下， 电压沿馈线潮流方向逐渐降低。 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， 其电压被抬高多少与接入光伏电源的位置及总容量大小密切相关。 通常情况下， 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。 对于配电网的电压调整， 合理设置光伏电源的运行方式很重要。在午间阳光充足时， 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。 如果接入点是在馈电线路的末端， 接入点的电压很可能会越过上限， 这时必须合理设置光伏电源的运行方式， 如规定光伏电源必须参与调压， 吸收线路中多余的无功。在夜间重负荷时间段， 光伏电源通常无出力，但仍可提供无功出力， 改善线路的电压质量。 光伏电源对电压的影响还体现在可能造成电压的波动和闪变。 由于光伏电源的出力随入射的太阳辐照度而变， 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， 将会引起更大的电压波动和闪变。 虽然目前实际运行的光伏电源并没引起显著的电压波动和闪变， 但当大量并网光伏电源接入时， 对接入位置和容量进行合理的规划依然很重要。2 对短路电流的贡献通常认为在配电网络侧发生短路时，接入到配电网络中的光伏电源对短路电流贡献不大， 稳态短路电流一般只比光伏电源额定输出电流大 10%~20% ， 短路瞬间的电流峰值跟光伏电源逆变器自身的储能元件和输出控制性能有关。 在配电网络中， 短路保护一般采用过流保护加熔断保护。 对于高渗透率的光伏电源， 馈电线路上发生短路故障时， 可能由于光伏电源 提 供 绝 大 部 分 的 短 路 电 流 而 导 致 馈 电 线 路 无 法 检 测 出 短 路 故 障 。 1999 年 ，IEA-PVPS-Task-5 [ 4 ]（国际能源署中的光伏技术工作组） 在日本曾用 4 个不同厂家控制电流注入的逆变器连接到一个配电网上的柱式变压器， 然后在变压器另一侧进行短路试验。 试验表明，短路电流上升不超过故障前的 2 倍， 1~2 个周波就隔离了故障。此外，日本还对一个 200 kWp 的光伏电源系统进行短路试验，研究发现：短路电流经过变压器后，电流变小，变压器过流保护不动作。 2003 年，美国的 NERL [ 5 ] （美国可再生能源国家实验室）曾做过关于分布式发电与配电网络之间的交互影响的研究。采用以逆变器方式接入的分布式电源，仿真原型建立在 13.2 kV 的中压配电网络上，分布式电源的容量是 5 MW ，研究重点是熔断保护特性。 结果表明， 当发生单相和三相故障时， 以逆变器方式接入的分布式电源对短路电流的贡献很小，短路电流主要来自主网，甚至比 5 MW 感应电机提供的短路电流还要小的多。因此，可以得出以控制电流注入的光伏电源逆变器对短路电流贡献不大的结论。3 非正常孤岛随着在配电网络中有越来越多的分布式电源接入，出现非正常孤岛的可能性也越来越大， IEC [6]在 1998 年曾用“故障树理论”分析非正常孤岛发生后发生触电的可能性。在考虑光伏电源渗透率达 6 倍夜间负荷的极端情形下， 发现非正常孤岛导致触电的可能性很小，概率小于 10－ 9 次 /年。因此，只要管理得当，加上光伏电源逆变器自身带有反孤岛功能，大量光伏电源的接入并不会给系统增加实质性的触电风险。 同时， 对荷兰地区一个典型低电压住宅区的配电网络就光伏电源系统发生孤岛的可能性进行研究， 发现该区光伏电源发生非正常孤岛运行的可能性低于 10－ 5~10-6 次 /年，几乎为零。 因此，认为在住宅区大量接入光伏电源导致发生非正常孤岛的可能性很小。 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。4 注入电流谐波电流谐波对配电网络和用户的影响范围很大， 通常包含改变电压平均值、 造成电压闪变、导致旋转电机及发电机发热、 变压器发热和磁通饱和、 造成保护系统误动作、 对通信系统产生电磁干扰和系统噪音等。光伏电源逆变器产生的谐波来源主要有 2 个： 50 Hz 参考基波波形不好产生的谐波和高频开关产生的谐波。 谐波之间的相位差、 配电网的线路阻抗以及负荷都能消除部分谐波。 当光伏电源逆变器生成正弦基波时， 可以部分补偿配电网的电压波形畸变， 但会使逆变器输出更多的电流谐波， 把光伏电源逆变器接入到弱电网时就会明显出现上述现象。 当光伏电源逆变器检测配电网电压来生成参考基波时， 光伏电源逆变器可以输出很好的正弦波电流，但是无法补偿配电网的电压波形畸变。 1999 年， IEA-PVPS-Task-5 [ 4] 曾在日本对多光伏电源接入到同一配电变压器 （住宅区柱式变压器） 中的谐波进行测试， 使用了多个厂家和多个型号的逆变器。 测试结果表明， 同类型的逆变器 （内在电路和控制策略一致）会造成特定次数的谐波叠加，不同类型的逆变器可会相互抵消谐波的注入。英国也在1999 年做过类似的测试 [ 10 ] ， 测试结果表明： 高次谐波衰减很快， 低次谐波的变化情况比较复杂。 在强网中谐波畸变一般是个常值， 而弱网中的谐波畸变一般随接入的光伏电源逆变器个数增加而加重。 当馈电线路阻抗值较大时， 可使谐波衰减明显。 为了防止特定次数的谐波产生振荡， 有必要限制光伏电源逆变器的容量。 在实际运行中， 光伏电源注入的谐波电流一般都能符合相关标准的要求。5 注入直流分量直流分量主要对配电网中的变压器、电流式漏电断路器（ RCD ） 、电流型变压器、计量仪表等造成不利影响， 其中对电流式漏电断路器和变压器的影响最为不利， 如造成电流式漏电断路器误动作和造成变压器磁通饱和、 发热、产生谐波和噪音等。现在， 许多并网光伏电源逆变器都采用隔离变压器来抑制直流分量的注入。 有些国家明确规定要以带隔离变压器的方式接入， 而有的国家并无此项强制性规定。 但近十几年来， 由于技术的进步，去除隔离变压器可带来更高的效率并减少生产成本，不带隔离变压器的光伏电源逆变器应用越来越广泛。 采用脉宽调制技术的光伏电源逆变器可以抑制直流分量输出， 但是当配电网电压含不平衡的正序和负序分量时，会对采用 PWM 技术的光伏电源逆变器的性能造成不利影响。关于直流分量对配电网变压器的影响， 国际上目前对直流分量上限还没有统一的规定。 美国的规定是不超过每相电流有名值的 0.5%[ 12]。6 对配电网络设计、规划和营运的影响随着越来越多的分布式电源接入到配电网络中， 集中式发电所占比例将有所下降， 电力网络的结构和控制方式可能会发生很大的改变， 这种改变带来的挑战和机遇将要求电力网络从设计、规划、 营运和控制等各方面进行升级换代。在可以预见的将来，大量被消费的电能将来自于低压配电网络， 提前对配电网络的结构进行升级换代和优化显得尤为重要， 例如如何使配电网络的结构适应网络电流的逆向和正向的流动。 另外， 大量分布式光伏电源接入到配电网中后，用户侧可以主动参与能量管理和运营，使传统配电网运营费用模型不再适用。因此， 一方面面临电力市场自由化和解除管制的压力， 一方面可再生能源诸如光伏电源却得到保护和补贴，使得配电网在保证供电质量和可靠性方面面临越来越大的压力。7 提供辅助功能现代光伏电源逆变器可提供多种功能， 如将光伏阵列出力馈送到电网以及作为有源滤波器改善电网电能质量等。光伏电源和储能装置有效结合后，可以参与到配电网的电压调节、频率调节和稳定性调节，为重要负荷提供 UPS 功能。如在光伏电源逆变器的直流侧配备储能装置（如蓄电池和双层电容等） ，当光伏电源逆变器馈送有功出力到电网时，还可以参与配电网的电压和频率调节， 在配电网电压和频率跌落时， 增加有功出力， 当配电网三相电压不平衡时， 光伏电源逆变器可针对性地送出三相不平衡电流， 部分补偿配电网三相电压不平衡， 吸收馈电线路多余的部分无功或者输送馈电线路缺乏的部分无功。 另外， 光伏电源还可驱动水泵进行抽水储能，为电网提供黑启动电源等。8 结语分布式发电技术作为新一代发电技术， 其发展上升的势头不可阻挡， 配电网的设计、 规划、 营运和控制都要升级换代来适应分布式发电的发展。 光伏电源是分布式发电技术中发展最迅速的部分， 将有越来越多的分布式光伏电源接入到配电网中。 因此， 有必要深入开展其对配电网影响的研究。根据研究结果，应用新的技术，制定相应的管理措施，才能使大量分布式电源接入配电网后能够安全稳定运行。