光伏发电接入智能配电网后的系统问题综述

第 33 卷 第 19 期 电 网 技 术 Vol. 33 No. 19 2009 年 11 月 Power System Technology Nov. 2009 文章编号： 1000-3673（ 2009） 19-0001-06 中图分类号： TM7 文献标志码： A 学科代码： 470·4054 光伏发电接入智能配电网后的系统问题综述 刘伟，彭冬，卜广全，苏剑 （中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192） A Survey on System Problems in Smart Distribution Network With Grid-Connected Photovoltaic Generation LIU Wei， PENG Dong， BU Guang-quan， SU Jian （ China Electric Power Research Institute， Haidian District， Beijing 100192， China） ABSTRACT: The development of smart distribution network and the overview of application research on photovoltaic (PV) generation are summarized. The influence of PV generation on smart distribution network after it is connencted with the latter is analyzed in the aspects of basic research, network planning and system operation, and following contents are emphatically presented: the modeling of PV station, its basic operation performance, the planning of PV station construction and its output forecasting, the planning of smart distribution network containing PV generation, power flow in smart distribution network, balance of voltage and reactive power in smart distribution network, power quality, protective relayings, faults and reliability, dynamic charateristics of micro-grid, optimal dispatching and coordinative operation, etc., in the hope of offering references for connecting PV sources with smart distribution network and the fast development of smart grids. KEY WORDS: smart distribution network ； distributed generation (DG) ； photovoltaic (PV) generation ； grid- connected； power system planning and operation 摘要 ：简述了智能配电网的发展情况和光伏发电系统的应用 研究概况，分别从基础研究、网络规划和系统运行等方面分 析了光伏发电接入智能配电网后对配电网的影响，重点介绍 了光伏电站建模、基本运行特性、光伏电站建设规划及出力 预测、含光伏电源的智能配电网规划、网络潮流、电压与无 功平衡、电能质量、继电保护、故障与可靠性、微网动态特 性、优化调度与协调运行等内容，以期为光伏电源接入智能 配电网、促进智能电网快速发展提供参考。 关键词 ：智能配电网；分布式发电 (DG)；光伏发电 (PV)； 并网；电力系统规划与运行 0 引言 近年来，智能电网正逐步成为电力领域的研究 热点 [1-7] 。在 2009 年 5 月举行的“ 2009 特高压输电 技术国际会议”上，国家电网公司结合我国基本国 情和特高压建设情况，进一步确立了加快建设以特 高压电网为骨干网架的坚强智能电网的发展目标。 如何使智能电网的重要组成部分——智能配电 网健康快速地发展，也成为电力工作者越来越关注 的问题。 支持大量分布式电源的合理接入是智能配电 网的重要特征之一，其不但具备投资少、发电灵活、 环境兼容等特点，还能提高和完善需求侧响应与管 理功能，完全符合智能配电网框架的发展要求。 作为一种重要的分布式电源，太阳能光伏发电 正逐渐从独立系统朝大规模并网方向发展 [8] 。由于 太阳能光伏电站是间歇式电源，在大规模并网过程 中将对配电系统结构和运行等方面产生显著影响， 本文以光伏发电特点及其对配电网的影响为出发 点，从系统角度探讨光伏发电接入智能配电网后需 要深入研究的若干问题。 1 国内外光伏发电的应用研究概况 近几年，世界光伏发电市场发展迅速，并网系 统以 90%的份额占主导地位，其中以分布式接入配 电网居多。世界光伏发电正从补充能源向替代能源 过渡 [9] 。 2008 年，全球光伏发电市场的发电量达 5.5 GW，累计安装总容量达 15 GW。 发达国家对光伏发电的应用研究较早，已形成 一系列应用标准 [10-11] 。这些标准范围涵盖组件、系 统、试验等，在工程应用中发挥了重要作用。 近年来，我国光伏发电产业发展迅速，光伏电 池年产量位居世界第一，而光伏发电市场发展相对 迟缓，甚至严重滞后。至 2007 年底，我国光伏系 2 刘伟等：光伏发电接入智能配电网后的系统问题综述 Vol. 33 No. 19 统累计安装量只有 100 MW，与全球装机容量相比 所占份额非常小。总体来看，虽然目前我国光伏发 电能力仍显薄弱，但具有很大的发展潜力。另外， 我国光伏发电的发展仍受一些因素制约，如成本过 高，其成本大约是生物质发电成本的 7~12 倍，是 煤电发电成本的 11~18 倍。光伏发电特性及政策因 素也影响了电网企业接收光伏电源的积极性。 目前，我国有几十个研究机构和大学参与光伏 技术研究与开发活动 [12] 。研究领域涉及太阳电池、 光伏材料、光伏系统和部件等方面，已取得了很大 进展。 2008 年以来，日照较充足的甘肃、青海、内 蒙古、云南、海南等地纷纷运作 10 MW 级以上的 大型光伏电站建设计划。此外，未来我国接入配电 网的分布式光伏发电系统也将占很大比例。在应用 研究基础方面，我国陆续出台了一系列与光伏发电 相关的技术规定和标准，如《 GB/T 19939— 2005 光 伏系统并网技术要求》 [13] 、《 GB/Z 19964— 2005 光 伏发电站接入电力系统技术规定》 [14] 等。这些标准 从设备技术层面对相关运行条件进行了基础性规 范，但仍不够深入和具体。 2 光伏发电的基础研究情况 2.1 光伏电站的建模 并网光伏电站及其接入系统运行特性的研究 正逐渐成为光伏发电产业和电力领域共同关心的 重要课题之一。其中，大型并网光伏电站及其接入 系统数学模型是该课题的理论基础，需开展深入研 究并提供有效解决方案 [15-16] 。典型并网光伏发电系 统的基本结构见图 1。 光伏电站输出电能的大小跟光伏组件表面太 阳辐照强度成正比，因此光伏电站的输出不是恒定 值。图 2 给出了并网光伏电站的等值简化电路。图 中： I p 为光电流； i PV 为光伏阵列输出电流； C PV 为 光伏阵列出口侧滤波电容； U PV 为滤波电容器直流 电压； L AC 为逆变器交流侧滤波电感； R AC 为滤波电 感等值电阻； C AC 为逆变器交流侧滤波电容； i AC 为 逆变器交流侧输出电流； u AC 为滤波电容器端电压； N 为变压器变比； L s 为从变压器到并网节点的等值 逆变器 变压器 公共 交流 电网 光伏 阵列 图 1 典型并网光伏发电系统的基本结构 Fig. 1 Basic structure of the typical grid-connected PV station ∼ RsLs us is RAC L AC iAC CAC 1:N + − uAC DC/ AC CPV UPV iPV IP + − 光 图 2 并网光伏电站的等值简化电路 Fig. 2 Simplified equivalent circuit of the grid-connected PV station 电感； R s 为变压器到并网节点等值电阻； i s 为光伏 电站注入并网点的电流； u s 为并网点母线电压，其 幅值为 U s ，相位角为 θ s 。 上述电路可以进一步分解为受控源形式的等效 电路。根据基尔霍夫电压和电流定律可得各部分电 流和电压方程。假设并网光伏发电系统交流量只包 含基波分量且为标准正弦量，则可获得如下方程组： PV PV PV AC PV AC AC AC AC AC AC s AC sss s AC d Re( )Re 0 d 2 (j) 2 j (j ) U k iC I t kU IR L U CU NI I LRIUNU ϕ ϕ ω ω ω ⎧ − −∠ = ⎪ ⎪ ∠⎪ ⎪ ++= ⎨ ⎪ ⎪ += ⎪ ++= ⎪ ⎩      (1) 式中： k 为逆变器调制深度； ϕ为逆变器调制相位角。 式 (1)中的第 1 个方程实质上表示了光伏阵列出口 处直流电容器的充放电动态过程；后 3 个方程表示 并网光伏电站的电网络连接关系。若令式 (1)中第 1 个方程中的微分量为 0，则其与式 (1)中后 3 个方 程构成并网光伏电站稳态数学模型。 根据上述数学模型，结合日辐照强度和温度曲 线，某光伏电站在某日的直流侧最大功率仿真输出 曲线见图 3，图中的仿真值与实测值吻合度较高。 此外，为了更精确地分析，很多情况下还要考 虑逆变器模型，如建立逆变器输入电网功率的校正 关系式等。必要时还要构建限定输出的逆变器模 型，以实现对逆变器的控制，如限制输出有功功率 等。在这些模型的基础上，需要研究人员更多地从 实际出发，结合智能配电网的相关技术和思想，提 出一些适用于不同条件的实用化光伏电站数学模 150 100 50 0 08:24 13:12 18:00 22:48 时刻 功率 /kW 图 3 某光伏电站直流侧最大功率仿真输出曲线 Fig. 3 Maximum power output simulation curve on the DC side of PV station 第 33 卷 第 19 期 电 网 技 术 3 型。这将在具有自愈特征的智能配电网高级配电运 行体系中发挥重要作用。 2.2 光伏电站的基本运行特性分析 2.2.1 潮流 光伏发电系统接入配电网后，特别是从负荷侧 接入后，往往会导致整个网络的负荷分布发生变 化 [17-18] 。此外，光伏发电系统的随机变化特性会导 致并网后的各种负荷分布情况交替出现，这使系统潮 流也具有一定的随机性，此时传统潮流算法将不再适 用。因此，有必要提出新的潮流分析和控制方法。 多数方法是针对配电网中不同类型分布式电 源建立稳态模型。通过对电力电子逆变器典型接口 模型进行研究，建立其在潮流计算中所需的数学模 型，考虑光伏系统功率输出特性和节点类型转化方 式，提出改进的配电网潮流算法，如基于灵敏度补 偿的计算方法等。此外，随机潮流算法从统计学角 度用概率密度函数进行描述和分析，但该方法多用 于中长期潮流计算，采用随机潮流算法分析光伏发 电系统的必要性和适用性还需进一步论证。 2.2.2 电压和频率 一般认为配电网内光伏发电系统不应主动参 与电压调节 [19] ，但此类间歇性电源的接入不但会影 响稳态电压分布，还会引起系统电压波动，特别是 大规模光伏电站并网后，可能导致系统电压越限， 因此必须采取合理的控制和补偿措施。近年来，专 家和学者提出了一些新的分析控制方法，如减少无 功出力，尽量多发有功功率；在电源装设点安装无 功补偿装置；在配电网中安装基于电力电子技术的 电压补偿设备，如静止无功补偿器 (static var compensator， SVC)等。特别对于功率因数较高 (不 小于 0.98)的光伏发电系统 [20] ，更应进行合理的无 功补偿，以实现无功的分层分区和就地平衡，减少 光伏发电接入对电压的影响，降低线损，并保证逆 变器的正常运行。如光伏发电系统以 10 kV 电压等 级接入系统，则 10 kV 侧的功率因数在 0.85~0.98 范 围内， 通常应按装机容量的 60%配置无功补偿装置。 对于大规模接入的分布式光伏电源，由于其有 功出力具有随机性，如果不加控制往往会引起系统 频率偏移，因此必须对此问题进行深入研究，探讨 合理的调节控制措施。对于接入规模较小的分布式 光伏电源，虽然也存在上述问题，但并不突出。 在智能配电网中，在需求侧响应机制下，分布 式电源与负荷的运行配置非常灵活，其基本运行特 性不易掌握，出力具有随机性，因此应深入探讨出 力变化的补偿和协调控制措施，以减小光伏发电系 统的接入对配电网的影响。 3 含光伏电源的网络规划 3.1 光伏电站的建设规划 从光伏电站建设规划情况来看，需要综合考虑 供电区域的能源、交通运输、地理和气候等因素， 并结合负荷预测信息和各种衡量指标，在满足电气 约束的条件下，进一步确定光伏电站优化布点位置 及所要采用的光伏电站配置，从而改善系统可靠 性、经济性和灵活性 [21] ，减小其接入对配电网的不 良影响 [22-24] 。此外，建筑一体化光伏电站也是一种 重要的分布式光伏发电形式，其选取方式也是建设 规划的重要内容之一。 光伏电站容量的选择不仅要满足负荷正常运 行时所需的电力，还应对突发事件具备一定承受能 力。考虑到太阳能采集的不确定性，目前一般通过 建立精确的负荷模型进行预测。有些研究还考虑了 投资约束，并与当地辐照强度变化规律相结合，进 行更切实际的容量配置、计算与分析。在光伏电站 建设规划过程中，还应根据光伏发电的特点，探索 适用的技术经济分析方法。 3.2 光伏发电的出力预测 受多种因素影响，光伏发电系统输出功率具有 不连续和不确定的特点，其中气象条件的影响最显 著。此外，光伏发电系统的输出功率还具有很强的 变化周期，这会对电网产生周期性冲击，据国外有 关文献资料介绍，电网发电容量中光伏发电的比例 不宜超过 10%~15%，否则整个电网将难以运行 [25] 。 因此，有必要进行光伏发电出力预测，以了解光伏 电源的发电运行特性，这不但有助于解决与调度、 负荷等的配合问题，有效减轻光伏并网发电对电网 的影响，还能为光伏电源的并网规划和设计提供重 要参考。 目前，针对光伏电源出力预测的研究还较少， 一般是从实际情况出发，构建光伏电站数学模型， 并根据当地太阳辐照强度模拟光伏电源出力，采用 适用的算法建立出力预测模型，进而实现出力预 测。影响光伏电源出力的因素较多，很难用确定性 模型来描述，因此，需根据光伏电源出力的不连续 性、不确定性和周期性特点以及光伏电源出力与其 影响因子之间的非线性关系，进一步研究更适用的 出力预测模型和算法。 4 刘伟等：光伏发电接入智能配电网后的系统问题综述 Vol. 33 No. 19 3.3 含光伏电源的智能配电网规划 光伏发电系统的接入将给常规配电网规划带 来诸多影响 [26] 。用户侧分布式电源的大量接入不但 使负荷增长和分布情况难以预测，还会对配电网结 构产生深刻影响。而分布式电源的多样化，还使电 源结构的设计和协调成为需迫切解决的问题。 含光伏发电系统的配电网规划与设计是一个 综合性课题 [27-31] 。相关专家和学者针对光伏接入 点、电源规划模型和网络规划思路进行了研究，但 这些研究大多停留在理论阶段，还没有形成针对光 伏发电特性的并网规划设计技术原则和规范。 在建设坚强智能配电网的运行框架下，如何合 理规划含光伏发电系统的智能配电网是今后必将 面临的问题。应将智能终端优化配置、微网用户负 荷模式分析、系统结构优化方法等关键内容与光伏 电站建设规划和出力预测等相结合，从规划思路、 流程、内容、方法等方面进行扩充和改进。 4 含光伏电源的系统运行情况分析 4.1 电能质量分析 光伏发电电源接入配电网后，会带来各种扰 动，影响系统电能质量，主要体现在电压闪烁和谐 波 [18] 、电压脉冲、浪涌、电压跌落、频率偏移、瞬 时供电中断等动态电能质量问题 [32] 。目前，主要通 过减少分布式电源启动次数，通过逆变器将光伏发 电电源接入配电网，降低光伏电源输出功率变化对 电压的影响。对于谐波问题，可以在谐波电压水平 较高的母线上安装特殊滤波器。此外，还应探索多 功能逆变器控制策略，在逆变器中加入并联有源滤 波器，采用参考电压最大功率点跟踪控制策略稳定 电压源逆变器输出电流，抑制谐波电压。 在智能配电网建设规划和运行过程中，电能质 量监控是重要支撑技术之一，因此应进一步研究、 完善该监控体系。 4.2 继电保护设计 引入光伏发电电源后，配电网将成为一个多电 源系统，这要求继电保护设备具有方向性，因此需 重新考虑继电保护装置的设计和应用思路。 目前，解决上述问题主要有 2 种方案，即切源 方案和孤岛方案 [19] 。切源方案是指在任何故障情况 下，先断开所有的分布式电源，然后采取原来的保 护措施。但这样大大降低了速动性和可靠性，既要 考虑过电流故障切除与分布式电源切断的时限配 合，还要考虑自动重合闸时间间隔内的分布式电源 速断等问题。孤岛方案主要针对切源方案中出现的 时限配合、速断等问题，利用分布式发电独立向一 部分配电系统供电，在故障时保证电力系统安全稳 定运行，并将配电网转化为若干个孤岛运行，尽可 能多地利用分布式电源供电，减小停电面积。 4.3 故障处理与可靠性分析 光伏电源与配电系统并网后，配电网的整体结 构和运行特性都将发生显著变化，其故障处理及可 靠性分析不能直接套用传统方法 [33] 。大量研究和实 践结果表明：如果光伏等分布式电源仅作为备用电 源，可以提高系统的供电可靠性；如果光伏等分布 式电源与配电系统并网运行，则可能降低系统的可 靠性。另外，当系统出现扰动时，分布式电源的高 度不确定性也可能降低系统可靠性。可见，系统可 靠性与分布式电源的接入位置、接入方式、运行方 式、电源特性等密切相关。 在坚强智能配电网的高级配电运行框架下，应 结合光伏发电系统特性，对智能配电网安全分析理 论、自愈控制框架、分布式电源协调与自适应控制 方法、含分布式电源的配电网处于紧急状态时的优 化切负荷问题、分布式电源孤岛运行策略等进行深 入研究，以充分保证光伏发电并网后智能配电网的 安全性和可靠性。 对含分布式电源的智能配电网进行可靠性评 估时，需综合考虑分布式电源的接入点、接入方式、 运行方式、能源性质以及经济、政策、地理等因素， 建立适用的可靠性计算模型 [34-35] ，明确系统可靠性 要求，通过仿真等方法获得网络可靠性指标，最终 建立适用的可靠性评估体系。 4.4 微网动态特性分析 微网主要用于管理大量中小容量分布式电源， 这些分布式电源将显著影响微网的动态特性，给微 网的设计和运行带来挑战 [36] 。随着智能配电网的发 展，大量不同类型分布式电源的接入是必然趋势， 其影响将是长期的。采用微网技术管理这些分布式 电源的接入与运行将是一种有效手段 [37-39] 。因此， 有必要对微网动态特性及其对主配电网的影响进 行深入研究。 首先需综合考虑网络结构、接入方式、电源和 负荷的容量与分布、控制目标等因素，结合各类分 布式电源的数学模型 (如光伏电站 )进一步构建微网 模型。在此基础上，探讨不同扰动情况、不同运行 条件和不同控制方式下的微网动态特性，如在主配 电网短路故障后，含大量电动机负荷的微网在恒功 第 33 卷 第 19 期 电 网 技 术 5 率控制、调差控制下的网络动态特性等。 4.5 优化调度与协调运行 光伏并网发电系统首先应满足区域内负荷用 电，必要时还可以通过新型配电网能量管理系统实 现全网能量优化调度和经济运行 [40] 。通过采用灵活 的电力调度，使多种工况 (如光照充足、光照不足、 阴雨或夜间等 )下的系统始终运行在最优方式下。 在实际中，配电网很可能面临大规模高渗透率 的分布式光伏电源接入，甚至是多种不同类型的分 布式电源接入，因此，应研究大规模分布式光伏电 源接入后对配电网的影响机理，探讨配电网对此类 大规模分布式电源的消纳能力以及光伏电源出力 与配电网主电源出力平衡的协调控制策略和方法， 如利用光伏电源对配电网实现调峰控制等。另一方 面，还需深入研究分布式光伏电源与多种分布式电 源的协调运行问题，其中最典型的就是风光储互补 发电系统。 多数地区在风力资源旺盛季节的风电输出常 显著高于用电需求，在风力资源较差季节的输出则 反之，而光伏发电的供电保证率更好，电能输出较 风电稳定得多。风光储互补发电系统正是利用了太 阳能和风能发电资源的互补性，并考虑对分布式储 能装置的应用，使电能输出更可靠。因此，有必要 对这种混合式可再生能源分布式发电系统的协调 运行问题进行深入研究，并分析其互补综合效益。 在高级配电运行框架下，可开展可再生能源分 布式发电系统的互联和接口研究、混合式并网发电 系统的工作模式研究以及在不同负载、不同电网电 价波动情况下的最优控制策略研究等。 5 结论 1）光伏电源并网带来的一系列系统问题还需 在实践基础上进行深入探讨，涉及配电系统的规 划、运行、管理等多个方面。 2）今后应将光伏发电作为一种重要的分布式 电源，纳入建设坚强智能配电网的总体研究框架 中。从基础问题入手，以高层次优化应用为目标， 以良好的实验环境为科研平台，进一步开展多方面 实用化研究，以满足智能配电网的发展需求。 参考文献 [1] 余贻鑫，栾文鹏．智能电网 [J]．电网与清洁能源， 2009， 25(1)： 7-11． Yu Yixin， Luan Wenpeng． Smart grid[J]． Power System 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