光伏建筑一体化并网发电系统及配电网关键技术研究

协鑫集团设计研究总院 ■ 焦晓雷 吴洪宽 潘高枫 苏保刚

0 引言

随着近几年分布式光伏发电的发展，分布式光伏发电系统在配电网中所占的比例快速增加。为了优化光伏发电结构，国家能源局实施了由传统光伏电站向分布式光伏转变的基本策略。按照国务院的相关要求，“十二五”期间，我国要将光伏发电容量升高到35 GW，而分布式光伏能源容量要占20 GW，这也是促进能源结构调整的积极信号[1]。“十三五”期间，国家能源局又进一步提出，地区应当加快光伏发电示范区建设，争取在2020年，全国范围内要落成100个分布式光伏示范区，并在80%的新建屋顶安装分布式光伏发电装置，以及现有的屋顶要有一半左右的覆盖率[2]。国家能源政策调整后，分布式光伏能源容量持续走高，虽然在一定程度上优化了能源结构，但其固有的不稳定性也严重影响了配电网的安全运行。分布式光伏发电系统接入配电网已引起业内对分布式接入方式的高度关注。

将建筑屋顶、顶棚等和光伏阵列相结合，即可构成光伏建筑一体化并网发电系统，它是将建筑物配电网和光伏能源相结合的具有创新意义的产物，是一个由多逆变器组成的集群系统。文献[3]对配电网最小负荷时光伏能源渗透配电网的最大值进行了分析和研究。不同于水电和煤电，分布式光伏发电容易受到光照强度的影响，当光照不均时其所产生的电能也存在差异，波动性较大，因此可控能力较差。随着分布式光伏发电系统对配电网渗透率的提高，对系统控制水平的要求越来越高。因此，对本地资源和负荷量及分布式光伏系统发电功率做到准确预测，达到可调、可控将是建筑光伏系统未来的发展方向。

1 研究现状及发展趋势

1.1 短路电流对配电网的影响

传统的配电网都是以煤电和水电为主，光伏、风能等清洁能源所占的容量很小。在接入光伏能源时，需要由光伏能源向短路节点提供一个短路电流，由此便会影响整个传输网络的故障定位，但通常配电侧的短路故障并不会引起整个传输网络短路电流发生较大的变化。结合相关数据可知，短路瞬间的电流峰值跟光伏逆变器自身的储能元件和输出控制性能有关。文献[4]对分布式能源对配电网短路电流的影响情况进行了介绍。此外，分布式能源向短路节点提供的短路电流峰值是固定的，一般要求不能高于公共节点允许的短路电流[5]。

在电力系统中，熔断保护一般采用保险管来防止因过流而引起的线路中的设备损坏。结合分布式光伏电源的特性可知，馈线短路故障发生时，会出现由于光伏电源提供绝大部分短路电流而导致馈电线路无法检测出短路故障的情况。在文献[6]中，刘健等借助仿真软件对配电网系统中常见的相间短路故障进行了模拟和分析，并得出结论：当光伏电源发生故障时的短路电流一般不会高于其正常工作值的1.5倍，并且在逆变器回路中应当单独设置熔断保护措施。

1.2 防孤岛保护及反孤岛策略

2002年，IEA-PVPS-Task-5结合故障树理论，指出光伏能源存在非正常孤岛现象，并介绍了当分布式光伏能源渗透率超过最低负荷工作时间段的6倍以上时，光伏能源的非正常孤岛并不会引起触电事故，触电事故的概率小于10-9次/年。结合上述结论，在管理工作到位和逆变器具有孤岛功能的条件下，光伏电源的计入并不会给配电网带来安全风险。有荷兰学者曾经对当地具有光伏电源的配电网的孤岛情况进行了分析和计算，指出光伏电源发生孤岛的可能性是10-6～10-5次/年。通过上述分析可知，住宅区接入光伏电源引发非正常孤岛现象的概率几乎为零。

在文献[7]中，欧盟Dispower项目研究了德国使用的带监测电网阻抗变化的反孤岛策略，并对带频率监测的光伏逆变器和电网电压进行了测试。结果表明，若电网处于低阻抗运行状态时，逆变器的工作状态较为稳定；若电网处于高阻抗运行状态时，光伏逆变器检测阻抗的精度变差。从目前情况来看，对光伏电源反孤岛策略的标准并不统一，因此还未制定出完善的解决措施。

当前，世界范围内对孤岛检测方法主要包括：被动检测(Passive Method)、主动检测(Active Method)及基于通信的联锁跳闸(Inter-tripping)。其中，前2种检测方法都是在本地局部信息的基础上完成，其安装位置一般布置在分布式光伏电源的输出端[8]。

1.3 光伏发电系统与储能系统稳定控制技术

储能系统作为光伏发电系统必要的能量缓冲环节，其地位的重要性不言而喻。作为配电网调峰的主要系统，光伏发电系统具有调度功能，对配地网的负荷控制、频率调整具有重要意义。双向逆变器作为储能系统与光伏发电系统相耦合的核心器件，其性能决定了储能系统能否实时准确地存储或补偿系统的有功或无功。

由于受外界因素的影响，光伏发电系统的输出功率并不稳定，因此在文献[9]中，王中秋等提出了采用蓄电池作为储能装置的解决方案，思路是：将储能控制主电路布置在母线上，通过检测母线电压大小来对蓄电池进行充电或放电，维持电源侧和负荷侧的平衡，防止供电频率发生波动。此外，文献[10]中程志江等提出了将超级电容和蓄电池相结合的解决方案，其思路是：低频功率由蓄电池负责控制，高频功率则由超级电容控制，双管齐下，避免负载变化引起直流母线电压的波动。

1.4 电能质量

为了保障电网的运行安全与稳定性，世界各国对并网光伏发电系统输出的电能质量提出了较高的要求，并以此来对其并网标准进行规范。现行比较典型的标准主要有IEEE Std 929-2000、IEEE Std 1547-2003 等，上述标准主要是从光伏发电系统的功率因数、电流谐波等方面进行了规定[4]。我国在GB/T l2325-2008《电能质量供电电压允许偏差》中对不同电压等级的无功补偿原则进行了规定，无功应尽量做到就地补偿，尽可能降低配电网的无功潮流。电压等级在10 kV以下的线路允许在公用变压器上设置用于无功补偿的电容组，以保证线路处于最大负荷时的补偿需求，同时也可避免负荷较低时发生无功功率倒送现象[11]。

美国电科院(Electric Power Research Institute ，EPRI)的Hingorai博士[12]早在1988年就提出了用户电力技术的配电系统概念，其中心思想是应用现代电力电子技术和控制技术，实现对配电网系统电能质量和供电可靠性的控制。我国对谐波电流总畸变率的问题也进行了研究，其中浙江省电科院分别对220 V、400 V、10 kV的接入系统进行了测试，结果发现系统都存在畸变率过大的现象。从理论上来看，光伏能源容量的增大会在一定程度上提高电网的谐波电流，因此，国际上很多学者提出将光伏发电和电能质量调节一起作为控制对象进行研究，并探索出两者之间的关系[13]。

1.5 并网逆变对输出有功和无功功率的影响

就理论而言，光伏发电系统的无功和有功可以通过逆变器来控制，并以此来对功率因数进行调整，进一步达到稳定电网电压的目的。目前，很多学者都对光伏发电的无功控制进行了研究：在文献[14]中，赵争鸣等分析了电网功率和光伏电源之间的传递关系模型；在文献[15]中，Komatsu建立了电网矢量电压同步旋转坐标系，并利用d-q轴电流实现了光伏发电系统到配电网的有功和无功解耦控制模型；在文献[16]中，Wang等在瞬时无功理论的指导下，提出了利用负荷指令来对电网无功和有功进行补偿的控制策略；在文献[17]中，吴理博等将直流母线电压控制、配电网无功控制、最大功率点跟踪等结合起来，提出了功率因数的超前滞后控制方案，并在经过多次试验后发现，该方案不仅可以补偿无功，同时也可以有效减小电网的电流谐波。

光伏发电系统检测到直流母排电压突然增大时，根据光伏系统特性就可以判断其输出功率降低，这样有利于实现低电压穿越。在文献[18]中，Gustavo等搭建了光伏并网发电试验平台，并结合瞬时有功理论对有功上限值和参考电流进行设置，采用比例-谐振的控制方案对系统发生相位故障和接地故障时的情况进行了仿真，揭示了低电压穿越现象。文献[19]针对一个l0 MVA的静止同步补偿器，未采用额外装置，仅使用减小输出容量、改变直流母排参考电压的方式，实现了低电压穿越，证明了大容量并网逆变装置实现低电压穿越的可行性。

1.6 光伏能源对配电网络设计、规划和营运的影响

随着能源结构的不断变化，光伏能源所占的比例会不断增加，这也会引起配电网结构的调整。因此，电网应当从设计和规划入手，从根源上处理好电力系统的安全稳定运行。

从用户角度看，低电压配电网络会是未来发展的主力，因此对配电网进行升级和改造具有重要意义。为了适应网络电流的双向流动，可以适当对配电网络的结构进行必要的调整。此外，当大容量的分布式光伏能源接入到配电网系统后，可以适当增强用户端的调节能力，鼓励其积极参与到电力能源的管理当中，这样一来，原有的配电网模型就需要重建。从上述分析可知，配电网一方面要面临电力市场的自由化，同时还要尽可能利用国家对光伏能源的补贴政策来获得更多的经济效益。随着电网技术的不断进步，一些学者研究并提出了模拟电站[20]，并将它应用在分布式光伏能源的管理上，把随机性较强的分布式光伏能源和储能装置结合在一起，作为模拟电站并入到目前的电力生产和输送系统中。

2 未来的研究方向

1 )集群控制策略。该策略的做法是将多个逆变器进行并联，然后根据系统的整体运行情况来投切对应的变压器和逆变器，进而应对光照因素对分布式光伏能源输出功率的影响；同时通过逆变器的轮流工作使整个系统不受单台逆变器维修或故障的影响，并能使系统各部分的工作达到最优。

2)谐波检测的实时性、准确性及谐波环流的治理。谐波检测的实时性和准确性会直接影响谐波补偿电流的大小，如果实时性和准确性达不到要求，不但不能有效补偿谐波，还有可能放大谐波。此外，多个逆变器并联运行会产生较大的谐波环流，这也是传统逆变器无法克服的，因此，要想保证谐波补偿电流监测的准确性，必须对谐波环流进一步研究和分析，消除其对配电网的影响。

3)大容量能量转换的多机并联协作。为了实现大容量能量转换，各种多机并联协作的方案也处在论证和竞争中，有无变压器隔离、共用变压器方案的实现，以及多电平、多重化和功率器件的串并联都是大容量光伏产品的核心问题。

4 )减小或消除孤岛检测时对配电网电压的影响。在对光伏系统功率、电压和电流等参数检测时，扰动不同步会对检测结果产生影响；即使保证了扰动同步，也会因为光伏系统并网输出功率的快速变化而引起配电网电压、负荷和电流值的不稳定，因此，怎样在主动孤岛检测时消除对配电网电压稳定性的影响成为亟待解决的难题。

5 )智能化能量管理系统。智能化能量管理系统的主要目标是实现能源两侧的供需平衡，维护配电网的供电电压、频率稳定在合理的区间内，并结合用户侧所需负荷的变化量来对供给侧进行自适应控制和调节。此外，该系统中还加入了储能单元、供电优化单元、经济效益分析单元等，这也是未来智能电网发展的必然方向。

6)逆变模块与建筑光伏模块的协调控制策略。当多个建筑光伏模块在直流母线上并联集中逆变输出时，由于模块的特性及容量等存在差异，需要对集中逆变模块中协调控制器的性能及系统的稳定性进行研究。

3 一种典型的高渗透率分布式光伏系统拓扑结构

能量渗透率(Energy Penetration，EP)定义为：在系统总负荷中分布式光伏能源所占的比例。图1为高渗透率分布式光伏系统的网络结构图，其中，MGCC(Micro-grid control center)为微电网控制中心；FU为本地控制单元；FACTS为柔性交流输电系统。

1)并网的稳定控制。图1中，储能装置和光伏阵列构成了功率可调节的光伏储能系统，通过双向变流器控制该系统的有功功率，维持系统的功率平衡，实现并网的稳定。

2)电能质量调节。电能质量调节分为谐波治理和无功补偿2个方面，其中全局的无功补偿由FACTS实现，本地无功补偿在DC/AC逆变器环节实现。

3)系统的安全保护。孤岛保护和继电保护都是用于保护系统安全，其中，继电保护采用系统级和单元级的分级保护方式，孤岛保护分为集中式孤岛保护和分散式孤岛保护。

4)能量管理。在整个供电系统中，能量管理涉及系统内部所有的环节，属于一个多输入、多输出的多变量控制系统。该拓扑结构以一个全局能量管理和多个单元能量管理的“1+N”管理模式呈现，由MGCC中心依托通信网络和中央测控系统实现全局的能量管理，即能量管理系统的“1”；FU和分散计量系统及各个所控单元实现分散的能量管理，即能量管理系统的“N”。该拓扑结构有较强的可扩展性。能量管理系统拓扑如图2所示。

按照系统中不同模块的位置和功能划分，能量管理系统包括：中央测控系统、监控和通信网络、分散计量测控系统。光伏发电系统的分散计量测控系统是利用计算机技术对光伏发电系统中的各单元分别进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种控制技术；中央测控系统将从各分散计量系统获得的数据进行统一管理和调度，以使整个系统达到最优；监控和通信网络负责MGCC与各子单元间的通信连接。

图1 一种典型的高渗透率分布式光伏系统的拓扑结构

图2 能量管理系统拓扑结构

4 总结

大型地面光伏电站的建设浪潮过后，各光伏企业的目光都瞄准了光伏建筑一体化市场，从2015年底开始，国内分布式光伏的装机容量和占比迅速增加，而大量分布式光伏建筑一体化的渗透，势必对配电网造成很大的冲击和影响，且该问题会越来越严重。早在2010年，国家高技术研究发展计划(863计划)就将高密度、多接入点的建筑光伏列为重点研究课题，并制定了国家的2020年中长期发展规划。本文分析了目前国内外对光伏建筑一体化的研究现状及可能的研究方向，并给出了一种典型的高渗透率分布式光伏系统的拓扑结构，供相关人员参考。

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