分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的八大影響

1.對(duì)電壓的影響

集中供電的配電網(wǎng)一般呈輻射狀。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，電壓沿饋線潮流方向逐漸降低。接入光伏電源后，由于饋線上的傳輸功率減少，使沿饋線各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓被抬高，可能導(dǎo)致一些負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓偏移超標(biāo)，其電壓被抬高多少與接入光伏電源的位置及總?cè)萘看笮∶芮邢嚓P(guān)。通常情況下，可通過在中低壓配電網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置有載調(diào)壓變壓器和電壓調(diào)節(jié)器等調(diào)壓設(shè)備，將負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓偏移控制在符合規(guī)定的范圍內(nèi)。對(duì)于配電網(wǎng)的電壓調(diào)整，合理設(shè)置光伏電源的運(yùn)行方式很重要。在午間陽光充足時(shí)，光伏電源出力通常較大，若線路輕載，光伏電源將明顯抬高接入點(diǎn)的電壓。如果接入點(diǎn)是在饋電線路的末端，接入點(diǎn)的電壓很可能會(huì)越過上限，這時(shí)必須合理設(shè)置光伏電源的運(yùn)行方式，如規(guī)定光伏電源必須參與調(diào)壓，吸收線路中多余的無功。在夜間重負(fù)荷時(shí)間段，光伏電源通常無出力，但仍可提供無功出力，改善線路的電壓質(zhì)量。光伏電源對(duì)電壓的影響還體現(xiàn)在可能造成電壓的波動(dòng)和閃變。由于光伏電源的出力隨入射的太陽輻照度而變，可能會(huì)造成局部配電線路的電壓波動(dòng)和閃變，若跟負(fù)荷改變疊加在一起，將會(huì)引起更大的電壓波動(dòng)和閃變。雖然目前實(shí)際運(yùn)行的光伏電源并沒引起顯著的電壓波動(dòng)和閃變，但當(dāng)大量并網(wǎng)光伏電源接入時(shí)，對(duì)接入位置和容量進(jìn)行合理的規(guī)劃依然很重要。

2.對(duì)短路電流的貢獻(xiàn)

通常認(rèn)為在配電網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)生短路時(shí)，接入到配電網(wǎng)絡(luò)中的光伏電源對(duì)短路電流貢獻(xiàn)不大，穩(wěn)態(tài)短路電流一般只比光伏電源額定輸出電流大10%~20%，短路瞬間的電流峰值跟光伏電源逆變器自身的儲(chǔ)能元件和輸出控制性能有關(guān)。在配電網(wǎng)絡(luò)中，短路保護(hù)一般采用過流保護(hù)加熔斷保護(hù)。對(duì)于高滲透率的光伏電源，饋電線路上發(fā)生短路故障時(shí)，可能由于光伏電源提供絕大部分的短路電流而導(dǎo)致饋電線路無法檢測(cè)出短路故障。1999年，IEA-PVPS-Task-5(國際能源署中的光伏技術(shù)工作組)在日本曾用4個(gè)不同廠家控制電流注入的逆變器連接到一個(gè)配電網(wǎng)上的柱式變壓器，然后在變壓器另一側(cè)進(jìn)行短路試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，短路電流上升不超過故障前的2倍，1~2個(gè)周波就隔離了故障。此外，日本還對(duì)一個(gè)200kWp的光伏電源系統(tǒng)進(jìn)行短路試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：短路電流經(jīng)過變壓器后，電流變小，變壓器過流保護(hù)不動(dòng)作。2003年，美國的NERL(美國可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室)曾做過關(guān)于分布式發(fā)電與配電網(wǎng)絡(luò)之間的交互影響的研究。采用以逆變器方式接入的分布式電源，仿真原型建立在13.2kV的中壓配電網(wǎng)絡(luò)上，分布式電源的容量是5MW，研究重點(diǎn)是熔斷保護(hù)特性。結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)生單相和三相故障時(shí)，以逆變器方式接入的分布式電源對(duì)短路電流的貢獻(xiàn)很小，短路電流主要來自主網(wǎng)，甚至比5MW感應(yīng)電機(jī)提供的短路電流還要小的多。因此，可以得出以控制電流注入的光伏電源逆變器對(duì)短路電流貢獻(xiàn)不大的結(jié)論。

3.非正常孤島

隨著在配電網(wǎng)絡(luò)中有越來越多的分布式電源接入，出現(xiàn)非正常孤島的可能性也越來越大，IEC在1998年曾用“故障樹理論”分析非正常孤島發(fā)生后發(fā)生觸電的可能性。2002年，IEA-PVPS-Task-5曾用“故障樹理論”分析光伏電源的非正常孤島。在考慮光伏電源滲透率達(dá)6倍夜間負(fù)荷的極端情形下，發(fā)現(xiàn)非正常孤島導(dǎo)致觸電的可能性很小，概率小于10-9次/年。因此，只要管理得當(dāng)，加上光伏電源逆變器自身帶有反孤島功能，大量光伏電源的接入并不會(huì)給系統(tǒng)增加實(shí)質(zhì)性的觸電風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，對(duì)荷蘭地區(qū)一個(gè)典型低電壓住宅區(qū)的配電網(wǎng)絡(luò)就光伏電源系統(tǒng)發(fā)生孤島的可能性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)光伏電源發(fā)生非正常孤島運(yùn)行的可能性低于10-5~10-6次/年，幾乎為零。因此，認(rèn)為在住宅區(qū)大量接入光伏電源導(dǎo)致發(fā)生非正常孤島的可能性很小。2006年，DISPOWER對(duì)在德國使用的帶檢測(cè)電網(wǎng)阻抗變化的反孤島策略及電網(wǎng)電壓和頻率監(jiān)控的光伏電源逆變器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明當(dāng)電網(wǎng)在一般低阻抗情況下運(yùn)行時(shí)，效果理想;當(dāng)電網(wǎng)在高阻抗不理想的情況下運(yùn)行時(shí)，光伏電源逆變器檢測(cè)電網(wǎng)阻抗變化精確度比較差，目前還沒有很好的解決方案來滿足德國對(duì)光伏電源反孤島策略的標(biāo)準(zhǔn)要求。近年來，大量研究結(jié)論表明：即使將來有大量分布式電源接入到配電網(wǎng)中，只要措施得當(dāng)，發(fā)生非正常孤島的風(fēng)險(xiǎn)可控制在合理的范圍內(nèi)，并不會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生非正常孤島風(fēng)險(xiǎn)的可能性有實(shí)質(zhì)性增加，因而發(fā)生非正常孤島不會(huì)成為妨礙光伏電源等分布式電源接入的一個(gè)技術(shù)壁壘。

4.注入電流諧波

電流諧波對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)和用戶的影響范圍很大，通常包含改變電壓平均值、造成電壓閃變、導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)電機(jī)及發(fā)電機(jī)發(fā)熱、變壓器發(fā)熱和磁通飽和、造成保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作、對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾和系統(tǒng)噪音等。光伏電源逆變器產(chǎn)生的諧波來源主要有2個(gè)：50Hz參考基波波形不好產(chǎn)生的諧波和高頻開關(guān)產(chǎn)生的諧波。諧波之間的相位差、配電網(wǎng)的線路阻抗以及負(fù)荷都能消除部分諧波。當(dāng)光伏電源逆變器生成正弦基波時(shí)，可以部分補(bǔ)償配電網(wǎng)的電壓波形畸變，但會(huì)使逆變器輸出更多的電流諧波，把光伏電源逆變器接入到弱電網(wǎng)時(shí)就會(huì)明顯出現(xiàn)上述現(xiàn)象。當(dāng)光伏電源逆變器檢測(cè)配電網(wǎng)電壓來生成參考基波時(shí)，光伏電源逆變器可以輸出很好的正弦波電流，但是無法補(bǔ)償配電網(wǎng)的電壓波形畸變。1998年，IEA-PVPS-Task-5曾經(jīng)對(duì)丹麥的一個(gè)80%家庭都安裝有光伏電源的住宅區(qū)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)光伏電源對(duì)當(dāng)?shù)氐闹C波貢獻(xiàn)有限，還不如家用電器造成的諧波多。因此，研究者認(rèn)為：對(duì)于具有相對(duì)較高短路容量的饋電線路和局部高滲透率的光伏電源接入的情況，均有此普遍現(xiàn)象。1999年，IEA-PVPS-Task-5曾在日本對(duì)多光伏電源接入到同一配電變壓器(住宅區(qū)柱式變壓器)中的諧波進(jìn)行測(cè)試，使用了多個(gè)廠家和多個(gè)型號(hào)的逆變器。測(cè)試結(jié)果表明，同類型的逆變器(內(nèi)在電路和控制策略一致)會(huì)造成特定次數(shù)的諧波疊加，不同類型的逆變器可會(huì)相互抵消諧波的注入。英國也在1999年做過類似的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：高次諧波衰減很快，低次諧波的變化情況比較復(fù)雜。在強(qiáng)網(wǎng)中諧波畸變一般是個(gè)常值，而弱網(wǎng)中的諧波畸變一般隨接入的光伏電源逆變器個(gè)數(shù)增加而加重。當(dāng)饋電線路阻抗值較大時(shí)，可使諧波衰減明顯。為了防止特定次數(shù)的諧波產(chǎn)生振，有必要限制光伏電源逆變器的容量。在實(shí)際運(yùn)行中，光伏電源注入的諧波電流一般都能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5.注入直流分量

直流分量主要對(duì)配電網(wǎng)中的變壓器、電流式漏電斷路器(RCD)、電流型變壓器、計(jì)量儀表等造成不利影響，其中對(duì)電流式漏電斷路器和變壓器的影響最為不利，如造成電流式漏電斷路器誤動(dòng)作和造成變壓器磁通飽和、發(fā)熱、產(chǎn)生諧波和噪音等?，F(xiàn)在，許多并網(wǎng)光伏電源逆變器都采用隔離變壓器來抑制直流分量的注入。有些國家明確規(guī)定要以帶隔離變壓器的方式接入，而有的國家并無此項(xiàng)強(qiáng)制性規(guī)定。但近十幾年來，由于技術(shù)的進(jìn)步，去除隔離變壓器可帶來更高的效率并減少生產(chǎn)成本，不帶隔離變壓器的光伏電源逆變器應(yīng)用越來越廣泛。采用脈寬調(diào)制(Pulse-widthmodulatim，PWM)技術(shù)的光伏電源逆變器可以抑制直流分量輸出，但是當(dāng)配電網(wǎng)電壓含不平衡的正序和負(fù)序分量時(shí)，會(huì)對(duì)采用PWM技術(shù)的光伏電源逆變器的性能造成不利影響。關(guān)于直流分量對(duì)配電網(wǎng)變壓器的影響，國際上目前對(duì)直流分量上限還沒有統(tǒng)一的規(guī)定。英國的研究建議是每相不超過等同于5%的諧波畸變值，或者是每個(gè)光伏電源注入到典型的500kVA配電網(wǎng)變壓器的直流分量不能超過40mA。美國的規(guī)定是不超過每相電流有名值的0.5%。

6.對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、規(guī)劃和營運(yùn)的影響

隨著越來越多的分布式電源接入到配電網(wǎng)絡(luò)中，集中式發(fā)電所占比例將有所下降，電力網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和控制方式可能會(huì)發(fā)生很大的改變，這種改變帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇將要求電力網(wǎng)絡(luò)從設(shè)計(jì)、規(guī)劃、營運(yùn)和控制等各方面進(jìn)行升級(jí)換代。在可以預(yù)見的將來，大量被消費(fèi)的電能將來自于低壓配電網(wǎng)絡(luò)，提前對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)換代和優(yōu)化顯得尤為重要，例如如何使配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電流的逆向和正向的流動(dòng)。另外，大量分布式光伏電源接入到配電網(wǎng)中后，用戶側(cè)可以主動(dòng)參與能量管理和運(yùn)營，使傳統(tǒng)配電網(wǎng)運(yùn)營費(fèi)用模型不再適用。因此，一方面面臨電力市場自由化和解除管制的壓力，一方面可再生能源諸如光伏電源卻得到保護(hù)和補(bǔ)貼，使得配電網(wǎng)在保證供電質(zhì)量和可靠性方面面臨越來越大的壓力。近些年，一些專家學(xué)者提出了模擬電站和微網(wǎng)概念，可運(yùn)用到分布式光伏電源管理中，把有功出力具有隨機(jī)性的光伏電源和具有保證出力的電源以及儲(chǔ)能裝置集成在一起，作為整體的模擬電站或者微網(wǎng)，整合到當(dāng)今的電力生產(chǎn)和傳輸框架內(nèi)。

7.提供輔助功能

現(xiàn)代光伏電源逆變器可提供多種功能，如將光伏陣列出力饋送到電網(wǎng)以及作為有源濾波器改善電網(wǎng)電能質(zhì)量等。光伏電源和儲(chǔ)能裝置有效結(jié)合后，可以參與到配電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，為重要負(fù)荷提供UPS功能。如在光伏電源逆變器的直流側(cè)配備儲(chǔ)能裝置(如蓄電池和雙層電容等)，當(dāng)光伏電源逆變器饋送有功出力到電網(wǎng)時(shí)，還可以參與配電網(wǎng)的電壓和頻率調(diào)節(jié)，在配電網(wǎng)電壓和頻率跌落時(shí)，增加有功出力，當(dāng)配電網(wǎng)三相電壓不平衡時(shí)，光伏電源逆變器可針對(duì)性地送出三相不平衡電流，部分補(bǔ)償配電網(wǎng)三相電壓不平衡，吸收饋電線路多余的部分無功或者輸送饋電線路缺乏的部分無功。另外，光伏電源還可驅(qū)動(dòng)水泵進(jìn)行抽水儲(chǔ)能，為電網(wǎng)提供黑啟動(dòng)電源等。

8.結(jié)語

分布式發(fā)電技術(shù)作為新一代發(fā)電技術(shù)，其發(fā)展上升的勢(shì)頭不可阻擋，配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、營運(yùn)和控制都要升級(jí)換代來適應(yīng)分布式發(fā)電的發(fā)展。光伏電源是分布式發(fā)電技術(shù)中發(fā)展最迅速的部分，將有越來越多的分布式光伏電源接入到配電網(wǎng)中。因此，有必要深入開展其對(duì)配電網(wǎng)影響的研究。根據(jù)研究結(jié)果，應(yīng)用新的技術(shù)，制定相應(yīng)的管理措施，才能使大量分布式電源接入配電網(wǎng)后能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。