分布式光伏发电规模化接入的问题与挑战

6特别策划 Power and Electrical Engineers分布式光伏发电规模化接入的问题与挑战吴福保1?国内外分布式光伏发电发展比较1.1?国外分布式发电的特点国外的分布式发电呈现以下 3个特点：（ 1） 直接向用户供电， 潮流一般不穿越上一级变压器。（2 ） 装机规模小， 一般为 10M W及以下。 美国、 法国、 丹麦、 比利时等国家均将分布式电源的接入容量限制为 10MW左右 ， 瑞典的接入容量限制为 1.5MW， 新西兰为 5MW。 英国允许分布式电源的接入电压等级较高， 相应的允许接入容量也较大， 可达 100MW。（ 3） 通常接入中低压配电网。 德国、 法国、 澳大利亚等国家均将分布式电源接入电压等级限制在中低压配电网， 国外的中低压配电网上限约为30kV。 英国允许分布式电源接入 66kV电压等级，这是由于 66kV在英国仍属于中压配电网范畴。1.2? 我国分布式光伏发电的概念和特点国家电网公司在 《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》 中确定了 分布式光伏的界定标准。 根据国际上有关国家及组织界定标准和中国电网特点， 《意见》 明确的适用范围是： 位于用户附近， 所发电能就地利用， 以 10kV及以下电压等级接入配电网， 且单个并网点总装机容量不超过 6M W。 从特点来看， 基本与国外保持一致。 根据测算， 该范围能涵盖所有的屋顶和光电建筑一体化项目。近年来， 我国分布式光伏发电发展速度很快， 装机容量从 2009 年的 9万 kW迅速提高到 2011年的 103万 kW。 但单个项目的容量较小， 其中， 金太阳示范项目平均容量为 2965kW， 而最小的项目容量仅为 147kW。 分布式光伏发电项目的建设周期一般很短， 通常情况下为 3～ 6个月， 用户类型包括发电企业、 合同能源服务公司、 工业企业、 居民等。 此外还有一个特点， 即运营模式复杂： 分为“统购统销” 、 “自发自用” 、 “合同能源管理” ， 以及政府有关部门近期提出的 “就近供电” 。1.3? 国外对光伏发电的鼓励政策在激励政策方面， 德国主要通过 《可再生能源法》 中制定的上网电价来推动分布式光伏发电的发展。2012 年之前， 德国对光伏发电的上网电价补贴较高， 因此光伏发电装机容量的增长速度很快。 从 2012 年 3月 9日开始， 德国针对不同容量的系统规模推出了相应的新政策， 如图 1所示。 可以看出， 新政策对电价的补贴有所降低。美国的鼓励政策主要有两种： 一种是税收抵免政策， 还有一种是直接的现金激励。 居民或企业法人在住宅和商用建筑屋顶安装光伏系统发电所获收益， 可享受投资税减免， 减免额相当于系统安7装成本的 30％。 消费者购买或安装特定光伏发电产品， 每户家庭可获得最高 500美元的抵税额。 而直接现金激励则包括部分退款、 津贴和系统性能激励。日本鼓励小容量的光伏发电系统， 而不鼓励大容量的光伏发电系统。 2009 年 1月重新启动的住宅光伏补贴政策为 7万日元 /kW（ 装机容量 ） ， 预算额达 209.5 亿日元， 但同时要求装机容量需小于 10kW。而且要享受政策必须达到一定的效率水平 ， 需要获得 JET证书和质量保证书， 且安装成本需低于 70万日元 /kW（ 装机容量 ） 。 日本将 10kW以上的太阳能发电电价定为 42日元 /kWh，收购期为 20年。1.4? 我国分布式光伏发展现状我国的分布式电源还处于发展初期， 以小水电为主， 规模相对较小， 但发展迅速。 2010 年， 全国范围内分布式光伏装机容量为 20万 kW； 2012年， 仅国网公司经营区域内， 分布式光伏已并网投产 103万 kW， 在建 61万 kW， 正在开展前期工作的185万 kW。 见图 2和表 1。我国在 《太阳能发电发展 “十二五” 规划》 中明确提出将发展分布式光伏发电作为未来国内光伏市场应用的重要领域： 到 2015 年， 分布式光伏装机容量达 1000 万 kW， 约占太阳能发电总装机量的50%； 到 2020 年， 分布式光伏装机达 2700 万 kW，占太阳能发电总装机量的 54%。目前， 国家电网公司已经建立了完善的分布式电源并网系列技术标准， 分为接入、 测试、 运行、监控 4类。 在企业标准方面， 4类标准已经全部制定， 具体技术要求与国外基本一致， 能够保障分布式电源接入后电网的安全运行。2? 分布式光伏发电对配电网运行的影响2.1? 配电网的运行控制问题我国的中、 低压配电网主要是中性点不接地（ 或经消弧线圈接地 ） 系统， 采用单侧电源辐射型供电网络。 当光伏电源接入配电网时 ， 使配电系统从放射状结构变为多电源结构， 潮流和短路电流大小、 流向以及分布特性均发生改变， 造成以下5方面问题：（ 1） 电压调节问题原有的调压方案不能满足接入分布式电源后的配电网电压调节要求。 因此， 必须评估分布式电源对配电网电压的影响， 研究新的调压策略。（ 2） 对有载调压分接头动作影响分布式电源 （ D G） 接入以后对线路电压、 电技术类型 已投产 在建 前期工作小水电 2376 31 19光伏发电 103 61 185分散式风电 48 11 17天然气发电 38 100 52生物质发电 45 38 33垃圾发电 96 48 16余热余压 730 196 19总计 3506 485 341煤层气、 地热等 1070 500 1000 1500 2000 250020701656562266100分布式光伏天然气多联供分布式风电生物质综合利用小水电图 2?2010 年我国分布式电源装机构成（单位：万 kW）表 1?2012 年国网公司经营区域内分布式电源并网情况（单位：万 kW）系统规模<10kW 10kW~1MW 1MW~10MW2012 年 3月 9日起 19.5 16.5 13.5降幅 20.2% 25%~29% 26%2012 年 5月起 每月削减 0.15 欧分 /kWh2012 年 7月起 10MW以上的系统补贴完全取消图 1?德国光伏发电上网电价补贴标准注： 新建小型系统仅能获得所发 电 量 85%的补贴， 中等 及大型光伏系统将获得发 电 量 90%的补贴8特别策划 Power and Electrical Engineers流的助增作用将改变传统有载调压器定值整定下的电压水平。（ 3） 对电压无功控制 （ VQC） 的影响DG启停， 无功变化造成 VQC动作次数越界。（ 4） 继电保护问题在配电网发生故障后， 继电保护以及重合闸的动作行为都会受到光伏发电系统的影响。 对基于断路器的三段式电流保护的影响最为显著， 会导致本线路保护的灵敏度降低及拒动、 本线路保护误动、 相邻线路的瞬时速断保护误动， 并失去选择性和重合闸不成功等问题。（ 5） 孤岛引起的安全问题最直接的问题就是设备的安全 、 人身的安全 、电网的安全， 此外， 孤岛可能使用户供电质量受到影响。 而且， 孤岛内部的保护装置无法协调， 孤岛电网与主网非同步重合闸造成操作过电压。 此外 ，电网供电恢复后会造成相位不同步 ， 单相分布式发电系统会造成系统三相负载欠相供电。2.2? 配电网的电能质量问题光伏发电通过电力电子逆变器并网， 易产生谐波和三相电流不平衡； 输出功率随机性易造成电网电压波动 、 闪变。 建筑光伏直接在用户侧接入 电网 ，电能质量问题将直接影响用户的电器设备安全。2.3? 配电网的规划设计问题（ 1） 增加了电力负荷的预测难度由于用户可根据自身实际需要安装使用分布式光伏系统， 与电力负荷相抵消， 会对规划区负荷增长的模型产生影响， 从而更难准确预测电力负荷的增长及空间负荷分布情况。（ 2） 加大 了配电网规划的不确定性由于分布式光伏系统安装点存在不确定性，而且其输出电能具有随机特性， 不能为规划区提供持续的电力保证， 使变电站的选址、 配电网络的接线和投资建设等规划工作更加复杂和不确定。（ 3） 提高了配电网规划适应性要求虽然分布式光伏系统的大量接入能减少或推迟配电系统的建设投资 ， 但若位置和规模不合理，则可能导致配电网的某些设备利用率降低， 网损增加， 使电网可靠性降低。3? 分布式光伏发电并网的措施与建议3.1? 提高分布式光伏发电消纳能力光伏发电的消纳除受光伏发电的出力和运行特性的限制外， 配电网的负荷特性、 调节能力、 送电能力以及电网的安全稳定运行也是重要的约束条件。 配电网中影响光伏发电消纳的因素包括： ①资源与负荷特性； ②系统调节能力； ③配电网送电能力； ④并网技术性能。3.2? 加快关键技术装备研制和应用（ 1） 分布式光伏并网接口设备通过将现有分散配置的接入设备， 如测控、 保护、 通讯、 电能质量采集等进行一体化设计 ， 达到简化接入配置、 统一并网接口规范、 减少安全隐患、 降低接入成本等实用化目的。（ 2） 光伏并网逆变器光伏逆变器在实际运行过程中不一定按照最大功率点跟踪 （ MPPT ） 的方式运行， 也可能需要考虑到电网运行的安全性。 要通过自身控制策略及输出滤波器设计等方面进行谐波抑制， 通过群控设备， 实现多台逆变器群控消谐； 通过 380V电压等级并网的逆变器， 应具备根据电网频率 / 电压值自动调节有功 / 无功输出的能力； 通过 10kV电压等级并网的分布式电源， 应具备根据电网调度机构指令等信号调节有功 / 无功输出的能力。3.3? 加强含分布式光伏电源配电网的安全保护随着大量分布式光伏电源接入配电网， 势必对配电网继电保护提出新的要求。 但是， 大部分单个分布式光伏电源的容量均有限 （ 数 kW到数百kW） ， 继电保护配置经济性问题不容忽视。 由此，针对含分布式光伏电源配电网的继电保护问题，我们提出了 “保证系统侧保护可靠性， 简化光伏侧保护配置” 的原则。由于在本地孤岛检测方面没有统一的方法，也没有统一的算法， 各个厂家如果并联在一起， 有可能造成防孤岛失效， 产生孤岛现象。 该现象已经引起了国际电工委员会 （ IEC） 的关注。93.4? 优化分布式光伏发电系统集成设计目前， 国网经研院在牵头编制分布式光伏发电接入系统典型设计 ， 通过对光伏电源准入容量、 接入位置、 光伏发电接入配电系统可靠性评估等方面的研究， 形成通用、 全面、 典型的接入系统设计方案， 以规范和指导分布式光伏电源的接入系统设计 ， 对于光伏电源准入原则和并网电压等级、 并网点与公共连接点的技术要求、 保护及安全自动装置、 通信与检测、 电能计量等方面的要求都会进一步明确。吴福保， 中 国 电力科学研究院新能源研究所副所长， 博士 ， 研究 员 级高级工程师 ， 硕士生 导师 。 先后荣获江苏省科技进步 一等奖、 国 家 电 网公司科技进步 一等奖、 三等奖， 吉林省科技进步 三等奖、 南京市科技进步 一等奖。 全国 电力 系统管理及其信 息交换标准化技术委 员 会 （ SAC/TC82 ） 委 员 。 发表论文 40余 篇 ， 申请 多 项 专利 ， 牵 头和参与 多部 国标和行标的制定。作者简介新能源调度与实时控制高 宗和1?新能源发电能力预测新能源发电能力预测包括短期发电能力预测和超短期发电能力预测。从建模的观点来看，不同的时间尺度其本质是不同的。对于超短期发电能力预测，因其变化主要取决于大气条件，所以采用数理统计方法，对风电场的测风塔数据进行时间序列分析，也可以采用数值天气预报方法和物理统计综合方法。对于日前短期预测，必须使用数值天气预报方法才能满足预测需求，单纯依赖测风时间序列外推，已不能保证预测精度。1.1?短期风力发电能力预测 — 数值天气预报数值天气预报的准确度是影响短期风功率预测精度的决定性因素。 因此， 应采用国内多个专业气象部门提供的数值天气预报作为预测功能模块的数据来源， 以保障系统数据的稳定性和可靠性。 同时， 采用资料同化技术及精细化适用技术来提高预测精度。1.2?超短期发电能力预测模型方案 — BP统计模型在超短期模型中建立 3层神经网络模型， 将基于测风塔的气象数据中的风向、 风速都输入模型。 学习自然的气象变化过程， 掌握规律， 并固化到模型中。1.3? 全网 （ 区域 ） 风力发电能力预测由于风电具有明显的区域互补特性，随着风电规模的不断扩大，风电出力的波动性将逐渐减小，呈现出区域平滑特性。同样，随着预测风电规模的不断扩大，预测误差亦会表现出