分布式光伏并网技术难点分析

各国以太阳能光伏形式为主的分布式发电正在迅猛发展。德国的屋顶光伏安装量已经增长 到 10GW 以上。虽然政府补贴按月下调，但由于电价飞涨，这一趋势未见衰退。美国已经达 到每四分钟就有一个光伏系统被安装的程度，屋顶分布式在其中的贡献功不可没。日本在 过去的一年由于政策支撑和市场模式设计失败，屋顶租赁等新兴分布式模式未达到预期效 果。但日本地方政府力争在今年改进中介方式，提高成交量，比如将太阳能发电可用作应 急储备电源等。 中国的分布式光伏在 2013 年更加大踏步前进，共有 15 个支持政策相继出台。“十二 五”规划的 35GW 光伏发电容量中，有 20GW 将为分布式发电。从技术角度，即使是在新能 源法 EEG 已经出台近 14 年的德国，分布式光伏并网还是在给电网公司们带来不小的困难和 “额外工作”，900 家电力系统运营商中只有 10%号称可以让光伏大规模的分布式接入（大 规模接入的定义：光伏电源安装量大于平均负荷值），并稳定运行其网络。笔者就曾经有 过给德国配电网运营商提供光伏电站并网优化方案的经验，在这一过程中开发商、设备商 和电网运营商之间的并网技术博弈可见一斑。 1.对配网局部电压稳定的影响。 中国早期建设的 10kV 配电线路多数是单辐射状分布供电，系统安全性较低。在城区配 电网络建设与改造中逐渐考虑建立环网供电、开环运行的模式。在各种配网结构中，静态 和动态电压的变化都会对线路保护、系统运行安全造成影响。稳态运行状态下，电压理论 上沿传输线潮流方向逐渐降低。 分布式光伏接入后，由于传输功率的波动和分布式负荷的特性，使传输线各负荷节点 处的电压偏高或偏低，导致电压偏差超过安全运行的技术指标。图 1 中描述了分布式光伏 接入配电网对于局部电压影响的原理，在大规模分布式光伏接入后，配电网局部节点存在 静态电压偏移的问题。配网中尤其是低压网络对电压变化比较敏感，若想抑制这种影响， 需要在中低压变化器选型中使用可控型变压器。 2.对电网频率稳定性的影响。 德国大规模发展分布式光伏的经验教训告诉我们，小出力照样会引起电力系统频率稳 定性问题。如前文所述，当德国分布式，尤其是屋顶光伏安装容量达到 3GW 的水平后，德 国具备的备用电源即所谓的一次调频将不能满足分布式光伏电源同时切出的出力损失。原 因在于，德国中压并网导则生效之前，旧的小型光伏逆变器设计参数中，当电网频率超过 50.2Hz 即会直接脱网而不参与电网系统服务，即不对电力系统故障情况下做出贡献。在其 他光伏安装量较多的国家，强调并网电源的频率安全运行范围和发生频率过限后的脱网时 间也逐渐在并网导则中体现。 3.对故障中短路电流的贡献。 传统的同步电机具有提供短路电流的能力，在与电网提供的短路电流叠加后可以确保 线路保护在 1~2 个周波时间断开。然而，光伏逆变器由于能量密度有限，其中电力电子元 件过流能力限制，并不能提供较高的短路电流。通过实验和动态仿真，一般认为光伏逆变 器的短路电流只比额定电流大 25%以内。 即使在国际相关标准中，也只要求逆变器提供 1 倍额定的短路电流。这导致在大规模 接入分布式光伏的情况下，传输线发生短路故障时，由于光伏逆变器短路电流能力不足， 线路上的故障无法被检测并且使保护响应。尤其是在传统的三段式保护中，瞬时电流速断 保护可能会不能被识别。 根据光伏电站并网分析经验，并网点的短路电流主要由接入的主网提供，并网点连接 的网络是否“坚强”整体决定了分布式的短路能力。光伏发电站贡献短路电流造成中低压 设备的改造问题，如对电流保护、中压开关和电流互感器等元器件的重新选型。因此，光 伏发电系统的短路电流贡献应当在配电系统规划、分布式系统设计中被充分考虑。 4.对电能质量的影响。 谐波主要是指电流谐波，由光伏逆变器的电力电子元件引起，一般情况下只有通过测 试分析才可以识别。闪变主要指电压的快速波动引起用电端可人为感知的效应。光伏发电 系统中也是由同时快速投切的并网逆变器造成的。如果分布式光伏逆变器出厂测试不达标， 较差的电能质量最坏情况下会对附近发电系统、敏感用电设备、信号传输造成破坏和干扰。 分布式光伏产生的谐波和闪变对电网和负荷的影响，除了以上提及的因素外，还依赖 于并网点的短路容量和同一中压升变压器下并网的分布式电源总量。太阳能光伏电站的电 能质量应当满足相关国家和地方并网标准，有关电流谐波和电压闪变指标应当有具体量化。 图二即为按照德标分析的分布式光伏电站案例，可以看到低次谐波和中间谐波均有不同程 度的超标，此案例电站需要进行重新测试或电能质量优化。