分布式光伏并网发电对配电网的影响以及应对调整策略

2014-03-02徐剑楠

电力需求侧管理 2014年2期

郭剑，徐剑楠

（杭州国电能源环境设计研究院，杭州 310030）

随着化石燃料的大量消耗，能源短缺以及环境污染问题日益严重，制约了人类经济和社会的可持续发展。太阳能作为一种零污染、可再生资源，是化石燃料理想的替代能源。近几年，世界光伏发电迅速发展，其中，以分布式电源形式接入配电网的并网光伏系统占主导地位，并有大规模发展的趋势。

分布式发电是指发电功率在数千瓦至几十兆瓦的小型模块化、分散式、布置在用户附近，高效的、可靠的、无污染的发电单元。据统计，目前全世界发电量80%以上来自不可再生能源，其中燃煤发电占40.8%,燃气发电占20.0%,燃油发电占5.8%,核电占14.7%,可再生能源发电中除了水电占16.4%以外，分布式能源如太阳能发电、风电、生物质能等总共还不到3%[1]。随着世界经济的发展和能源环境问题的不断突出，分布式电源的优越性将越来越受到关注，其位置灵活、分散的特点极好地适应了分散的电力需求和资源分布，缓解了输、配电网升级换代的巨额投资带来的压力，同时它与大电网互为备用，也使供电可靠性得以改善。

1 分布式光伏发电的发展和现状

太阳能照射范围广，能源总量巨大且清洁无污染。光伏发电作为太阳能的有效利用方式之一，地理位置上不受限制，同时光伏电池能与建筑物紧密结合，不额外占用土地资源，安装灵活，能最大限度接近本地负荷，并且运营时不污染环境，无噪声。初期的光伏电池光电转换效率很低，制作成本高，科学技术工作者一直致力于光伏电池光电转换效率的提高和生产成本的降低。光伏发电系统跻身世界能源舞台，形成初具规模的光伏发电产业则是从20世纪70年代中后期开始的，随后光伏发电技术不断发展，光伏发电系统生产及建设成本持续降低，引起世界各国特别是工业发达国家的普遍重视，各国政府针对光伏发电产业纷纷制定了发展规划，并增加研发投入。最近在能源危机频发及环境保护双重压力下，太阳能光伏发电系统由于无需燃料和无污染，得到了迅猛发展，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。

光伏发电系统按发电形式可以分为离网型和并网型2种，其中并网型发电己成为光伏发电市场的主流，占到世界光伏发电市场的80%以上，并网型光伏发电市场分布如图1所示。

图1 世界光伏发电装机总量

2 光伏接入对配电网的影响

分布式光伏电源受太阳辖照度和温度的影响，其输出功率具有一定的不连续和不确定性，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[2]。光伏发电系统理想情况下的日出力随着太阳辐射的变化呈现先增后减的特点，中午时达到峰值。晴朗天气时，正午出力最大值可以达到装机容量的60%～90%。不同的天气情况也会对光伏发电系统的出力造成影响。阴雨多云或者沙尘暴等天气条件下，光伏发电系统的出力会急剧下降，这给光伏发电系统的出力带来了很大的不确定性。图2中给出了晴朗、多云、阴雨这3种天气情况下的光伏发电系统出力占额定出力的百分比曲线。

图2 不同天气下光伏发电系统的出力百分比曲线

当分布式光伏并网发电系统接入配电网运行时，常会引起以下问题。

2.1 对潮流分布的影响

对于传统辐射状配电网，其用户侧无任何电源接入，分布式光伏电源接入后，电网由福射式变为多电源网络，潮流将不再是单向地由变电站母线流向各个负荷，而可能会出现逆流，出现多种复杂的电压分布情况。分布式光伏电源的接入位置、接入容量及网络结构等因素决定了潮流的大小和方向，此外，分布式光伏电源受太阳辖照度、温度等自然条件的影响较大，随机性明显，输出功率的不确定性会导致并网后的各种负荷分布情况交替出现，使系统潮流也具有一定的随机性[3]。

2.2 对电能质量的影响

分布式光伏电源接入配电网对电能质量的影响主要表现在电压偏差、电压波动与闪变及电力谐波等方面。

（1）电压偏差

稳态运行状态下，传统配电网各负荷点的电压沿线路潮流方向逐渐降低。分布式光伏电源接入后，将改变配电网的潮流分布，甚至可能出现逆向潮流。由于分布式电源的接入，使馈线上的传输功率减小，导致各负荷点处的电压升高，这会对各负荷点的电压偏差造成影响。此外，分布式光伏电源的输出功率受太阳辐照度影响很大，会随着太阳辐照度的变化不断发生变化。由于配电网中除了通过投切电容电抗器调节电压外，一般很少配备其它的动态无功调节设备，如果光伏出力所占比例较大，其出力的易变性将使配电线路上的负荷潮流也极易产生波动，从而加大了电网正常运行时的电压调整难度，调节不好会使电压超标。

（2）电压波动与闪变

由于分布式电源的并入，增加了系统短路容量，从而加强了系统电压强度，可抑制和削弱区域配电网内出现的电压波动，但在分布式光伏电源投入运行和退出系统的过程中，可能造成较大的系统电压波动：①分布式光伏电源的启动和停运与政策法规、用户需求、电力市场等众多因素有关，分布式电源的不规则启停容易导致其输出功率波动，进而引起配电网的电压波动；②分布式光伏电源的输出受自然条件，如：太阳辖照度、温度等环境因素影响，环境的剧烈变化也会导致其输出功率的波动，引起电压波动。

（3）谐波污染

光伏阵列的直流电经逆变器转换为交流电并入电网时会产生谐波，对交流电网造成谐波污染。当配电网接入的光伏容量较小时，如果滤波器的设计良好，一般能将高次谐波对电网的谐波污染控制在规定范围内。但是,随着光伏并网发电的逐步推广和光伏发电量占电网总发电量比例的不断上升，多个谐波源的互相叠加，总谐波含量有可能超出电能质量规定的范围。

（4）产生孤岛效应

当电力公司因供电故障、停电维修或事故而停电时,各用户端的分布式光伏电源有可能与周围负载构成一个不受电力公司掌握的自给供电孤岛，即所谓的孤岛效应。随着分布式光伏并网系统的不断推广,孤岛效应产生的概率也将不断增加。通常情况下，孤岛效应对配电网及其用户造成的影响有：①孤岛区域供电电压和频率不稳定；②恢复供电时,因相位不同步而可能对电网造成冲击；③当切换成孤岛方式，依靠光伏并网发电系统供电时，如果该供电系统内无储能元件或其容量太小，会使用户负荷发生电压波动与闪变；④光伏供电系统形成孤岛后，脱离了原有的配电网，若其原来为单相供电模式，则可能造成配电网内三相负荷不对称情况，从而影响其他用户的电压质量。

（5）其他方面的影响

分布式光伏电源接入配电网后，除了会对配电网的潮流、电能质量等产生影响外，还会对配电网设计、规划和营运、运行的稳定性、继电保护等产生影响。

3 分布式光伏电源接入配电网准则

按照《分布式光伏电源接入配电网规划设计技术导则》的规定，分布式光伏电源接入配电网应遵循以下几项基本准则。

3.1 就地消纳

应明确分布式光伏电源（distributed photovoltaic，PV）电力消纳范围及相应区域范围内的负荷容量，做好负荷预测及光伏发电的出力情况预测。PV年发电量必须小于自身负荷的年用电量，且应以就近消纳为主，避免远距离输送。

3.2 准入容量和电压等级限制

PV的接入容量应限制在8 MW以下，并保证各种工况下所发电力在接入电压等级消纳，严禁升压至高一级电压的电网。非储能型光伏电站的接入容量一般不宜超过配电网总容量的30%；对于储能型光伏电站，其接入容量可根据储能装置的容量和类型适度放宽。此外，光伏电站的接入容量与配电网的电压等级相适应。其中，总容量低于20 kW的宜接入低压单相电网；总容量介于200 kW～8 MW的光伏电站宜接入10 kV或20 kV电压等级配电网。

3.3 并网同步

PV接入配电网时，其相位、频率必须和电网电压同步，在系统和电网闭合之前还必须使电压幅值跟踪电网电压。分布式电源入网前，频率、电压与相位必须符合表1所示的要求才允许并网。

表1 分布式电源并网要求

4 分布式光伏电源对配电网电压影响的对策

4.1 现行调压方式的不足

分布式光伏电源接入配电网会使线路的电压升高或者越限。当光照不足，分布式光伏电源低功率运行或退出运行时，对于依靠其支撑电压的线路又会出现电压过低等电能质量问题。因此要保证分布式光伏电源在投入和退出运行时，配电网电压都能满足电压偏差要求，就必须考虑电压调节措施。常用的调压方法是改变变压器变比调压，但对于分布式光伏电源接入情况，并不都能满足调压要求，或者说调压效果不够理想，因此需要采用新的调压手段，如采用静止无功补偿装置（static var eompensator,SVC）、新型静止无功发生器（advanced static var generator,ASVG）。相对于改变变比调压，新的调压手段更灵活，但投资相对较高。本文在考虑调压效果和经济性的同时，在尽可能保持变比不变的情况下，通过改变分布式光伏电源的接入位置或接入方式实现调压要求。

4.2 电压调整建议

配电网的电压调整是个较为复杂的问题，整个配电网各个节点运行条件不同，电压调整需要根据具体情况选用合适的调压方法才能达到目的。考虑实际含有分布式光伏电源的配电网，通常是在电网结构、设备已经固定的情况下接入分布式光伏电源，往往是先根据地区的太阳辖照情况和建筑面积规划光伏电源，再研究其对电网电压的影响。本文建议在不改变配电网结构和设备的前提下达到调节电网电压的目的。

（1）通过调节变压器变比来调节线路的电压分布，使整条线路的电压在供电电压偏差允许的范围之内，必须保证调节变比后，在光伏电源投入运行和退出运行2种情况下，电压均能符合要求。实际运行中，往往不能通过一次调节变压器变比使所有时刻的电压都不超过电压偏差限值。此外，若实际中使用无载调压变压器，单凭改变分接头调压不一定都能使电压满足要求，也不便于实际应用，这就需要使用有载调压变压器。

有载调压变压器能够带负载调压，调压速度快且调压范围较大，可以达到15%以上。但有载调压变压器的开关和结构复杂，制造工时和材料增多，成本较高，因此需要改变PV的接入位置，尽可能使接入点电压不超过限值。

（2）改变分布式光伏电源的接入位置调压。光伏出力随着太阳辐照度的增强而增加，随着光伏出力的不断增加，光伏接入点上游线路的潮流逐渐减小，甚至会出现逆流，整条线路电压的变化趋势可能有2种：先降低后升高再降低或先升高后降低。这2种情况下，光伏接入点为整条线路的极大值点，只需调整接入位置，使光伏接入点电压不超过供电电压偏差规定范围，就可使整条线路电压符合要求。当太阳辖照度最强时，PV出力最大，对电压的提升幅度最大。因此，只要保证光伏出力最大时，光伏接入点的电压符合电压偏差要求，就可以保证该点电压在其它出力情况下电压保持在电压偏差规定的范围内。

（3）整体调整策略。实际情况下，对于不同的接入容量的PV，仅通过一种调压方式往往不能达到调压要求，此时就需要将改变PV的接入位置和调节变压器变比2种调压方式结合。因为改变PV的接入位置，不但可以调压，还可以降低电压的峰谷差，使线路的电压分布趋于均匀，所以首先改变PV的接入位置进行调压，若电压符合电压偏差要求，则无需调节变压器变比，若不符合，则通过改变变压器分接头来实现调压。如果前2种方式均不能使线路电压满足要求，就需使用有载调压变压器。