分布式光伏对配电网电能质量的影响及调压方案

李清然, 张建成

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北保定071003)

分布式光伏对配电网电能质量的影响及调压方案

李清然, 张建成

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北保定071003)

摘要：随着分布式光伏电源在配电网渗透率上升，分布式光伏对配电网电能质量的影响日益增加。在充分利用可再生能源为用户供电的同时，其电能质量必须得到保证。为了增加配电网的光伏消纳能力，分析了分布式光伏电源对配电网电能质量的影响，从装置角度分析了分布式光伏发电技术的研究现状、待解决的问题及未来的发展趋势。从现有配电网建设与改造和分布式光伏系统运行控制方法两个层面研究了增加配电网中光伏渗透率的措施，为分布式光伏技术的发展及其在配电网的推广应用起到了积极的推动作用。

关键词：分布式光伏；配电网；电能质量；调压方案

中图分类号:TM615

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.10.001

收稿日期：2015-07-06。

基金项目：国家自然科学基金(51177047)。

作者简介：李清然 (1989-)，女，硕士研究生，研究方向为新能源发电技术，E-mail：qingrli@126.com。

Abstract：With the increased penetration of distributed photovoltaic system in distribution network, the impact of distributed PV on network power quality is growing. Power quality must be guaranteed in taking full advantage of renewable energy power. In order to increase distribution network’s absorptive capacity of photovoltaic power, the influence of distributed PV for distribution network power quality is analyzed and the status, unresolved problems and future trends are studied from the angle of the devices. Existing distribution network construction and transformation as well as distributed PV systems operation control method are also studied in order to increase the level of PV penetration in the distribution network. The results of this study are conducive to the promotion of distributed photovoltaic technology development and its application in distribution network.

Keywords：distributed PV; distribution network; power quality; voltage regulation scheme

0引言

近年来随着光伏发电技术日趋成熟，分布式光伏在配电网尤其是低压配电网中的渗透率不断上升[1]。在光伏技术发展较成熟的德国，约75%的光伏容量为接入低压配电网的分布式光伏[2]。分布式光伏对配电网的稳定性、电能质量、继电保护、规划设计、潮流分布、负荷预测等各方面产生的影响日益增大。

本文以电能质量为切入点，主要探讨了分布式光伏对配电网电能质量的影响，从装置研究角度分析了目前分布式光伏系统各部分的研究现状和亟待解决的问题。对目前国内外关于含分布式光伏电源的配电网的电压管理措施进行分析和综述，为推动配电网中光伏渗透率的研究提供参考。

1分布式光伏电源对配电网电能质量的影响

1.1　正面影响

(1)分布式光伏电源接入配电网可以实现能量的就地平衡，避免了远距离输电的投资和损耗。当配电网中关联负载较大时，分布式光伏电源能够迅速提供功率支持，提高了配电网带负荷的能力和系统稳定性。

(2)通过合理配置储能装置和利用光伏并网逆变器的无功输出能力，可以使分布式光伏电源参与配电网电压、频率和稳定性调节[3]。

(3)利用光伏并网发电系统与统一电能质量调节器结构与控制上的诸多相似，将二者复合，可以降低配电网的设备投资，实现光伏并网发电、电能质量的综合治理、电力中断补偿等[4]。

1.2　负面影响

分布式光伏电源的接入改变了传统配电网潮流单向辐射状供电模式。由于分布式光伏的输出功率具有随机性、波动性和不可调度特性，容易引起电压波动与闪变、谐波污染、电压越限等电能质量问题，给配电网电力用户带来经济损失，同时危害光伏系统的安全稳定运行。

(1)高光伏渗透率的配电网尤其是较弱的放射形链式低压配电网中，云层遮挡等引起的光伏出力剧烈波动，可能引起电压骤降、闪变[5]；文献[6]通过对IEEE13节点系统研究证实了光伏渗透率高于40%后，多云天气等引起的电压波动将影响系统的稳定性。

(2)高光伏渗透率的配电网中，光伏电源出力超过了配电网消纳能力后导致潮流逆流引起电压升高甚至过电压等问题限制了配电网的光伏渗透率[7，8]。例如，当光伏电源出力较高而配电网轻载情况下容易发生潮流逆流导致过电压等问题。

(3)分布式光伏发电系统中含有大量的电力电子开关器件，会对配电网产生谐波污染。尤其是当弱配电网中光伏电源渗透率较高时，还可能发生谐波的叠加甚至特定次数的谐波谐振[3]，危害配电网的安全运行。

(4)当电网故障或检修时，各分布式光伏发电系统可能与周围的负载形成一个孤岛供电系统。非正常孤岛可能给电力维修人员的安全造成风险，同时用户的供电电能质量也得不到保证。

2装置研究

光伏发电系统作为一个统一的整体，其中任何一个环节的运行状态都与整个系统的供电电能质量相关，尤其是其中的最大功率跟踪(MPPT)装置、并网逆变器、储能装置等。

MPPT装置通过借助特定的变换电路来实现光伏电源最大输出功率的跟踪和控制，其工作特性将直接影响光伏电源的光能利用率和光伏发电系统的供电电能质量。目前MPPT控制方法的理论研究较多且方法比较成熟，主要有定电压跟踪法、短路电流比例系数法、差值计算法、扰动观察法、电导增量法、模糊控制法[9～12]，目前MPPT技术研究偏向于人工智能等更加复杂的控制方案如人工神经网络法、基于智能方法的复合控制法等[13]，但是过于复杂的控制方案需要大量的数据处理工作，会导致微处理器的成本升高、计算延时，实用性有待考量。

在分析项目功能时主要是从成本，质量和进度等方面进行评价，定量和定性分析项目进度和质量，并且按照分析结果对方案进行完善。在分析和研究方案时，需要按照不同发展条件对比分析不同方案的经济效益，这样可以确保最大进度价值和质量价值。实现策略管理方案的最优化，这样可以开展高效项目管理。

逆变器的控制方法及输出滤波器的设计等均会影响供电电能质量。在逆变器的控制方法方面，目前国内外已经实现了基本交流电能的输出，但在高质量电能供给控制方面仍然存在一些未能解决的问题，如开关器件的非线性特性以及死区时间的存在对电能质量的影响与控制问题[14，15]、光照条件或负载剧烈变化时输出功率的快速跟踪控制问题[16]、电网扰动情况下逆变器自身抗扰[17，18]和对电网提供有功和无功功率支撑问题[19]、配电网三相不平衡情况下的持续运行问题[20，21]、非理想电网情况下低电压穿越问题[22，23]等，目前致力于解决上述问题以提供高质量电能的逆变器控制方法研究在理论层面刚刚开始，而由于理论研究尚未成熟，故装置层面仍未涉及。滤波器设计方面涉及衰减速率、阻尼特性、谐振抑制等多方面的因素，目前常用的滤波器有L型、LC型、LCL型等，LLCL型滤波器的研究及参数设计方案也正在兴起[24]。

分布式储能技术作为分布式发电、智能配电网的支撑技术，在系统调峰、调压、调频、平滑分布式电源出力波动、增强分布式电源可调度性、分布式电源端节点电压控制、改善电能质量等方面具有广阔应用前景[25]。文献[26，27]对光伏系统中储能容量优化配置问题进行了相关研究。文献[28]应用超级电容器储能系统解决光伏电源的低电压穿越问题。文献[29]应用储能系统平抑光伏电源出力波动，实现光伏的柔性并网。针对光伏发电系统的间歇性、波动性和随机性引起的供电电能质量问题，可通过配备一定容量的储能装置予以解决，如超导储能、超级电容储能、飞轮储能和蓄电池储能等[30]。从目前的技术经济情况来看，单一类型的储能设备很难满足光伏发电系统的要求，混合储能系统具有较强的技术经济优势[31]。混合储能系统的优化控制技术对于提高光伏发电系统的供电电能质量具有重要的作用。

3调压方案

主动配电网技术的发展对提高供电可靠性、改善电能质量提出了越来越高的要求[32]，含分布式光伏电源的配电网电压控制问题已经成为限制分布式光伏电源容量和渗透率的主要因素之一[33]。改善配电网电压的技术措施可以从配电网和分布式光伏系统两方面考虑。

3.1　配电网侧的措施

(1)在分布式光伏电源规划建设阶段，根据历史环境数据和负荷数据等计算分布式电源最佳接入位置、最大允许接入容量[34]等因素。但该方案难点在于接入位置的选择受地理条件等很多客观因素限制，并且容量规划很难兼顾分布式电源出力、负荷变化的随机性及二者的协调情况，因此单纯地依靠规划有时不能完全避免过电压问题。

(2)针对配电网过电压问题，最直接的解决方案是增大配电网导线的半径从而减小线路阻抗，但是更换配电网线路的耗资巨大，此方案的可行性最差。

(3)通过调节有载调压变压器的分接头调节分布式光伏电源接入引起的电压波动[35]，但此方案不能有效处理配电网末端电压越限的情况，同时频繁调节有载调压变压器的抽头可能会降低抽头控制机构的运行寿命，而且目前大部分低压配电网没有配置有载调压变压器。文献[36]为减少变压器抽头的调节次数，提出了基于负荷和光照强度预测的无功优化运行策略，将最大功率点跟踪、馈线的允许电压范围等限制因素处理为约束条件，协调和优化各无功电源的出力。

(4)借助可调电容器、电抗器等设备调节无功和电压[37]，但是这些设备存在投切瞬间暂态冲击较大、响应速度较慢、可能引起系统谐振等问题[38]。

(5)安装D-STATCOM调控配电网电压[39]，增加配电网中光伏渗透率，但这种方法一方面投资较大，另一方面对于有功功率过剩的配电网，电压控制效果会受到一定的影响。

(6)文献[40]研究指出，对同样的功率波动和功率因数，电压等级越低电压波动越严重。因此，对于同一容量的光伏发电系统，提升光伏并网电压等级可以一定程度上减轻对配电网电压的扰动。

3.2　光伏系统侧的措施

在不改变配电网现有的网架结构和设备配置情况的前提下，有效管理含分布式光伏电源的配电网电压对保证配电网电能质量、推广分布式光伏发电技术具有重要意义。

3.2.1无功控制方案

由于STATCOM和逆变器结构和控制上存在诸多相似之处，利用光伏系统中的并网逆变器的无功输出能力进行并网点电压控制成为可能。

目前在并网逆变器无功电压控制方面还没有统一的规定，德国研究人员提出了光伏并网逆变器恒无功功率控制、恒功率因数控制、基于光伏电源有功功率输出的cosφ(P)控制、基于并网点电压的Q(U)控制等多种可能的方案[41～44]。这些方案各自有其优缺点：

(1)恒无功功率控制和恒功率因数控制。这两个方案控制实现简单，但灵活性较差，无论配电网是否发生过电压光伏发电系统都会有一定的无功功率输出，增大了配电网的网损。

(2)基于光伏电源有功功率输出的cosφ(P)控制。光伏并网逆变器无功输出仅响应于有功出力，而未考虑配电网电压。当光伏有功出力较大，但配电网重载时，可能并网点并未发生过电压，但逆变器却有较大的无功输出，增大了配电网的网损。

(3)基于并网点电压的Q(U)控制。光伏并网逆变器无功输出仅响应于自身并网点电压，当配电网中有多个光伏接入时，某节点电压越限，可能其余节点电压并未越限，因此配电网总体调压能力不足。

许多学者也针对这些逆变器无功控制方案进行了相应的改进。文献[45]提出协调使用光伏和储能电池来解决电压升高或跌落问题，对R/X有较大差异的农村和城市的配电网中光伏逆变器结合下垂型储能电池系统的无功调节能力进行了评估。文献[46]将Q(U)控制和cosφ(P)控制复合，增强了配电网中邻近变压器的光伏逆变器的无功调压能力。文献[47]根据电压敏感性分析结果得到，提供等量的无功功率时，若光伏电源处于配电网末端位置对配电网电压调节效果更显著，据此设计了与光伏接入位置相关的光伏逆变器功率因数设定方案。

3.2.2有功控制方案

分布式光伏并网对电网造成不利影响的根本原因在于其出力的不可控性，因此解决配电网电压问题的另一个思路是控制光伏电源的有功出力。

光伏系统通常工作在最大功率点附近，日本电网规定当并网点电压越过设定的上限值时要求光伏系统减少有功出力。但是为了保证最大的经济效益，削减有功出力的方案需要对任何情况下的配电网可以消纳的最大光伏有功出力作出实时估计，当光照强度迅速变化如多云天气，同时考虑负载的随机无规则变化，要实时估计配电网可消纳光伏功率上限值的难度很大。

文献[48]研究了基于下垂控制的有功削减控制策略，根据电压敏感性分析的结果给各节点的分布式电源设置不同的下垂系数，从而使得各分布式光伏都承担了部分有功削减。文献[49]基于配电网电压敏感性分析，优化各分布式电源有功无功输出，调节配电网电压并使得有功网损最小化。

控制光伏电源的有功出力有两种方法：一是通过调整光伏电池板的工作点改变光伏电池的输出功率；二是不改变光伏电池工作状态的情况下，通过调节储能装置的输出功率改变光伏系统的出力。光伏电池阵列通常工作在最大功率点附近，文献[50]通过向电池板开路电压方向移动工作点的方法降低光伏出力，但此方案降低了光伏电池光电转换的效率，使更多的能量以热能的形式消耗在电池板中，缩减了电池板的使用寿命。另外，此方案只能在光伏电池最大功率基础上减少光伏出力。随着分布式储能技术的发展和储能装置成本的降低，配备储能装置成为分布式光伏系统的发展趋势。

4结论

本文探讨了分布式光伏发电系统对配电网电能质量的正反两方面的影响，从硬件装置层面分析了目前分布式光伏系统各环节应具备的功能、目前的不足及发展趋势。从配电网建设、改造与分布式光伏系统自身运行控制两个角度分析了增加配电网中光伏渗透率的措施。对考虑供电电能质量的分布式光伏电源控制研究具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]邵汉桥, 张籍, 张维. 分布式光伏发电经济性及政策性分析[J]. 电力建设, 2014, 35(7): 51-57.

[2]谢晓惟, 梁秀红, 梁勃. 德国光伏发电综述[J]. 太阳能, 2015, (2): 6-10.

[3]赵波. 大量分布式光伏电源接入对配电网的影响研究[J]. 浙江电力, 2010, (6): 5-8.

[4]杨秋霞, 刘大鹏, 王海臣, 等. 光伏并网发电与电能质量调节统一控制系统[J]. 电力系统保护与控制, 2015, 43(5): 69-74.

[5]Thomson M, Infield D. Impact of wide spread photovoltaic generation on distribution systems[J]. IET Renewable Power Generation, 2007, 1(1): 33-40.

[6]Ruifeng Y, Saha T K. Investigation of voltage stability for residential customers due to high photovoltaic penetration[J]. IEEE Transactions on Power System, 2012, 27(2): 651-662.

[7]黄欣科, 王环, 王一波, 等. 光伏发电系统并网点电压升高调整原理及策略[J]. 电力系统自动化, 2014, 38(3): 112-117.

[8]Stffel S J, Caroselli P R, Dinkel A M, et al. Integrating solar generation on the electric distribution grid[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2012, 3(2): 878-886.

[9]张忠政, 程晓舫. 太阳电池最大功率恒压跟踪研究[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(26): 4521-4527.

[10]朱镜儒, 粟时平, 刘桂英, 等.光伏发电阵列输出的变论域模糊滞环MPPT控制研究[J]. 电力科学与工程, 2014, 30(1): 56-61.

[11]吴雷, 高兴琳. 基于功率预测的变步长扰动观测法MPPT研究[J]. 电源技术, 2015, 139(3): 527-528,570.

[12]刘萌, 王印松, 宋雨倩. 基于模型参考电导增量法的光伏电池MPPT控制[J]. 电力科学与工程, 2013, 29(1): 16-20.

[13]胥芳, 张任, 吴乐彬, 等. 自适应BP神经网络在光伏MPPT中的应用[J]. 太阳能学报, 2012, 33(3): 468-472.

[14]章建峰. 逆变器死区时间对输出电压的影响分析[J]. 电力电子技术, 2007, 41(8): 31-33.

[15]孙绍华, 贲洪奇, 李春鹏, 等. 基于指数趋近律滑模控制的逆变器死区补偿 [J]. 电力电子技术, 2013, 33(11): 9-14.

[16]杨勇, 李世华, 朱彬彬, 等. 基于双阶广义积分的单相光伏并网逆变器灵活功率控制[J]. 电网技术, 2014, 38(4): 952-958.

[17]闫士杰, 闫伟航, 冷冰, 等. 带阻抗观测器的单相逆变器抗扰控制[J]. 电机与控制学报, 2014, 18(7): 44-50,59.

[18]张永康. 提高三电平矢量控制系统抗扰性能的研究[D]. 北京：北京科技大学, 2014.

[19]陈燕东, 罗安, 陈智勇, 等. 一种快速无功支撑的阻容性逆变器并联控制方法[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(30): 5296-5305.

[20]郭小强, 邬伟扬, 漆汉宏. 电网电压畸变不平衡情况下三相光伏并网逆变器控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(3): 1-7.

[21]郭小强, 张学, 卢志刚, 等. 不平衡电网电压下光伏并网逆变器功率/电流质量协调控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(3): 346-353.

[22]周京华, 刘劲东, 陈亚爱, 等. 大功率光伏逆变器的低电压穿越控制[J]. 电网技术, 2013, 37(7): 1799-1807.

[23]王定国, 陈卓, 姚为正. 光伏并网逆变器低电压穿越检测方案分析[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(12): 143-147.

[24]李嘉俊, 张建成, 李倩, 等. 用于光伏发电系统的LLCL型滤波器混合阻尼控制策略[J]. 中国电力, 2013, 46(8): 30-39.

[25]王成山, 武震, 李鹏. 分布式电能存储技术的应用前景与挑战[J]. 电力系统自动化, 2014, 38(16): 1-8.

[26]林少伯, 韩民晓, 赵国鹏，等. 基于随机预测误差的分布式光伏配网储能系统容量配置方法[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(4): 25-33.

[27]杨珺, 张建成, 桂勋. 并网风光发电中混合储能系统容量优化配置[J]. 电网技术，2013, 37(5): 1209-1216.

[28]刘耀远, 曾成碧, 李庭敏, 等. 基于超级电容的光伏并网低电压穿越控制策略研究[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(13): 77-82.

[29]张卫东, 刘祖明, 申兰先. 利用储能平抑波动的光伏柔性并网研究[J]. 电力自动化设备, 2013, 33(5): 106-111.

[30]许守平, 李相俊, 惠东. 大规模电化学储能系统发展现状及示范应用综述[J]. 电力建设, 2013, 34(7): 73-80.

[31]谢石骁, 王乔来. 混合储能系统在分布式发电系统中的应用[J]. 华东电力, 2011, 39(7): 1179-1182.

[32]赵波, 王财胜, 周金辉, 等. 主动配电网现状与未来发展[J]. 电力系统自动化, 2014, 38(18): 125-135.

[33]Shayani R A, De Oliveira M A G. Photovoltaic generation penetration limits in radial distribution systems[J]. Power Systems IEEE Transactions on, 2011, 26(3): 1625-1631.

[34]范元亮, 赵波, 江全元, 等. 过电压限制下分布式光伏电源最大允许接入峰值容量的计算[J]. 电力系统自动化, 2012, 36(17): 40-44.

[35]Choi J H, Kim J C. Advanced voltage regulation method of power distribution system interconnected with dispersed storage and generation systems[J]. Power Delivery IEEE Transactions on, 2001, 16(2): 329-334.

[36]Agalgaonkar Y P, Pal B C, Jabr R A. Distribution voltage control considering the impact of PV generation on tap changers and autonomous regulators[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2014, 29(1): 182-192.

[37]许晓艳, 黄越辉, 刘纯, 等. 分布式光伏发电对配电网电压的影响及电压越限的解决方案[J]. 电网技术, 2010, 34(10): 140-146.

[38]Turitsyn K, Sulc P, Backhaus S, et al. Options for control of reactive power by distributed photovoltaic generators[J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(6): 1063-1073.

[39]Chen C S, Lin C H, Hsieh W L, et al. Enhancement of PV penetration with DSTATCOM in Taipower distribution system[J]. Power Systems IEEE Transactions on, 2013, 28(2): 1560-1567.

[40]陈权, 李令东, 王群京, 等. 光伏发电并网系统的仿真建模及对配电网电压稳定性的影响[J]. 电工技术学报, 2013, 28(3): 241-247.

[41]Rogers K M, Klump R, Khurana H, et al. An authenticated control framework for distributed voltage support on the smart grid[J]. Smart Grid IEEE Transactions on, 2010, 1(1): 40-47.

[42]Stetz T, Marten F, Braun M. Improved low voltage grid-integration of photovoltaic systems in Germany[J]. Sustain. Energy IEEE Transactions on, 2013, 4(2): 534-542.

[43]Samadi A, Eriksson R, Soder L, et al. Coordinated active power-dependent voltage regulation in distribution grids with PV systems[J]. Power Delivery IEEE Transactions on, 2014, 29(3): 1454-1464.

[44]Jahangiri P, Aliprantis D C. Distributed Volt/VAr control by PV inverters[J]. Power Systems IEEE Transactions on, 2013, 28(3): 3429-3439.

[45]Kabir M N, Mishra Y, Ledwich G, et al. Coordinated control of grid-connected photovoltaic reactive power and battery energy storage systems to improve the voltage profile of a residential distribution feeder [J]. Industrial Informatics IEEE Transactions on, 2014, 10(2): 967-977.

[46]周林, 晁阳, 廖波, 等. 低压网络中并网光伏逆变器调压策略[J]. 电网技术, 2013, 37(9): 2427-2432.

[47]Demirok E, Gonzalez P C, Frederiksen K H B, et al. Local reactive power control methods for overvoltage prevention of distributed solar inverters in low-voltage grids[J]. Photovoltaics IEEE Journal of, 2011, 1(2): 174-182.

[48]Tonkoski R, Lopes L A C, El-fouly T H M. Coordinated active power curtailment of grid-connected PV inverters for overvoltage prevention[J]. Sustainable Energy IEEE Transactions on, 2011, 2(2): 139-147.

[49]Calderaro V, Conio G, Galdi V, et al. Optimal decentralized voltage control for distribution systems with inverter-based distributed generators [J]. Power System IEEE Transactions on, 2014, 29(1): 230-241.

[50]周峰武, 邓哲, 吕征宇. 中压电网中光伏逆变器故障穿越控制策略[J]. 太阳能学报, 2014, 35(8): 1441-1448.

Review of Distributed PV’s Impact on Network Power Quality and Voltage Regulation Scheme

Li Qingran， Zhang Jiancheng(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)