分布式光伏并网发电对电网的影响研究

张继成 周艳华 宋晓薇

摘 要：文中简单介绍了分布式光伏并网发电系统的概念，着重从孤岛效应、电能质量、继电保护、电网规划等方面阐述了分布式光伏并网发电对电网的不利影响，并提出科学合理规划、健全技术标准和规范的对策，希望能为下一步研究提供参考。

关键词：分布式光伏；并网发电；影响；电网安全；对策

Abstract：This article described the distributed photovoltaic grid connected power generation system briefly.Selective analyzing the influence of distributed grid-connected photovoltaic power generation on power grid in terms of anti-islanding，power quality，relay protection，and power grid planning.Meanwhile，such countermeasures are given as rational planning，sound technical standards and standards to provide reference for further research.

Key words：Distributed photovoltaic；Grid connected power generation；Influence；Grid security；Countermeasures

能源是人类生存和发展的基础。电力作为一种重要的能源，在人们生产生活中扮演者十分重要的角色。随着人类社会的快速发展，人们对电能的需求量越来越大，传统火力和水力发电出现了供应不足的状况。火力发电消耗大量煤炭资源，加之煤炭在燃烧过程中会产生大量的有害气体和固体颗粒，带来温室效应、雾霾等环境问题。发展清洁能源代替传统能源是解决能源和环境问题的有效途径。近年来，以太阳能、风能、生物质能、地热能为代表的可再生能源发电技术发展迅速，特别是光伏发电技术，因其资源丰富、清潔无污染、发电成本低等诸多优点发展尤为迅猛。截至2017年底，我国光伏发电装机量达1.3亿千瓦，同比增长68.7%，连续3年位居全球首位；新增光伏发电装机5306万千瓦，增幅达53.6%，连续5年位居世界第一，展现出广阔的发展前景。分布式光伏发电技术作为新型可再生能源发电技术的代表，凭借其资源丰富、无污染、并网流程简化等优点呈现出爆发式增长。[1]随着光伏发电技术的日渐成熟，未来将有大量的分布式光伏并网发电系统接入电网，大规模分布式光伏并网发电很可能会改变现有电网稳定的运行状态，对智能电网安全运行产生一定的影响。所以，开展分布式光伏并网发电对电网影响的研究工作，对构建稳定坚强智能电网具有重要意义。

光伏发电及并网发电系统简介

太阳能光伏发电技术是指通过半导体界面的光生伏特效应将光能转换为电能的一种发电技术，其工作原理是半导体PN结的光生伏打效应。如图1是光伏发电原理示意图，在接受太阳光照射时，部分拥有特定能量的光子进入半导体内，将会产生带负电荷的电子和因失去电子而带正电荷的空穴，在PN结产生的静电场的作用下，电子将向N型半导体运动，而空穴则向P型半导体运动，并各自聚集在两电极部分，达到动态平衡后，PN节中会产生一定的电势差，如果接通外部负载，负载中就会有电流通过。[2]光伏电池阵列发出的直流电经过逆变器转化为符合要求的交流电后直接或通过变压器接入电网。

图2是典型的分布式光伏并网发电系统控制示意图，可以看出其主要由光伏阵列、逆变器以及滤波器构成。在分布式光伏接入电网运行时，通过对光伏阵列的最大功率点跟踪MPPT和并网电流的检测，将信息实时传递到逆变器中，从而不断调节逆变器输出的电压电流，向电网提供合格的电能。

分布式光伏并网发电对电网的影响

2. 孤岛效应

当分布式光伏接入电网发电时，“孤岛效应”可能是对电网产生的最直接的影响。分布式光伏并网发电系统的孤岛效应是指与光伏发电系统连接的电网线路因故障停电时，客户端的分布式光伏发电系统没有及时检测出停电状态并脱离电网络，继续保持向所带负荷供电，形成公共电网无法控制的自给自足的供电孤岛。发生“孤岛效应”会对配电网和用户产生严重的影响和危害，主要表现为以下四个方面[3-5]：

（1）威胁电网运维人员的人身安全。当发生故障时，电网停止向供电，并网逆变器仍保持向周边电网供电时，若运维人员进行电力线路或电力设备检修，可能引发触电伤亡的严重事故；

（2）损坏用电设备。缺少了电网的支持，电力孤岛区域的供电电压和频率不稳定，如果孤岛运行的分布式光伏并网发电系统无储能元件或储能容量太小，用户负荷还会发生电压闪变，造成电力客户的电器设备损坏；

（3）损坏电网设备。供电恢复时，分布式光伏输出的电压和电网的电压可能不同步，恢复供电瞬间将产生很大的电流，对电网设备造成损伤；

（4）对用户电压产生影响。如果发生分布式光伏并网发电系统断开所并入电网的情况，其原有的单相供电模式可能会引起配电网内出现三相负载不对称的问题，从而对周边用户的电压质量带来影响。

2. 对电能质量的影响

所谓电能质量，是指电力系统不干扰或影响负荷运行的能力。下面从电压偏差、电压波动与闪变及谐波污染三个方面阐述分布式光伏并网发电对电能质量产生的影响。

电压偏差指的是电力系统改变运行方式或者负荷正常变化时，致使配电系统各点实际电压偏离额定电压的现象。现有的配电网通常呈现出辐射的形态，在电网稳态运行状况下，电压沿着馈线潮流方向逐渐降低。[6]大量分布式光伏涌入电网发电后，电网的潮流分布改变，会引起馈线的各负荷节点电压被抬高，造成负荷侧电压越限。[7]此外，受太阳光照度、辐照度等自然条件不断变化的影响，分布式光伏发电的输出功率不稳定，造成输出电压处于不稳定状态。[8]

所谓电压波动指的是电网电压有效值一系列随机的快速变动。电网的潮流决定了电网的电压分布情况，所以电网中负荷消耗和电源注入功率的变化都会引起电网各母线节点的电压波动。[9]光伏发电的间歇性和波动性决定了其输出功率的不稳定性，从而引起电网电压波动。

分布式光伏所发的直流电流必须通过逆变转换为交流电才可并入公共电网，整流装置和逆变装置是分布式光伏发电系统接入电网后不可缺少的设备。整流和逆变装置具有很大的功率，在将分布式光伏所发的直流电流转变为交流电的过程中会产生大量的谐波。这些谐波注入电网后将带来很大的危害，一方面会降低电能在发、输、配、用过程中的效率，另一方面会严重减少电气设备使用寿命，甚至造成电气设备烧毁。加之，电网谐波很难被消除，大量的谐波累计会引发功率谐振，严重影响电力系统的电能质量。[10]

2.3 对继电保护的影响

目前，单电源放射状结构在我国配电网中占据主流，系统潮流方向单一（电源流向负荷），继电保护装置以速断保护形式为主，并不具备方向性。分布式光伏光伏接入电网后，电网潮流将会发生改变，从而对配电网原有的继电保护将产生一定的影响：[3]

（1）分布式光伏的接入改变了配电系统的网架结构，变成了多電源。在发生故障时，如果分布式光伏接入位置不合理，可能会引起原有的保护装置发生拒动或误动现象；[11]

（2）当分布式光伏并网点发生故障，且分布式光伏处于孤岛运行状态时，故障重合闸时可能会引起保护误动作，导致无法按时恢复供电，降低供电可靠性；

（3）通常情况下，当分布式光伏并网发电系统的功率注入电网时会缩小原有继电保护区域，干扰继电保护装置正常工作。

2.4 对电网规划的影响

考虑到分布式光伏并网发电系统并网的方式通常是直接接入配电网，当其大规模接入电网时，将会极大地影响电网规划。

由于大规模分布式光伏发电系统的并入，传统的配电网计算分析和规划方法将难以适用于。需要根据分布式光伏运行的特点以及并网的方式重新制定其接入电网的设计方案；[12]

负荷预测是电网规划的一个重要依据，受自然环境的影响分布式光伏发电具有间歇性和波动性的缺陷，导致电网规划人员很难准确预测负荷的变化情况，从而影响电网规划的准确性；[13]

位置和容量是分布式光伏发电系统并网时需要考虑的两个重要因素，如果选择不恰当会加大电能的损耗，导致电网络中某些节点电压下降或者出现过电压的现象。

3 对策

大规模分布式光伏并网发电是未来发展趋势，从保障电网安全稳定运行的角度出发，笔者认为除了加强在诸如光伏并网发电系统的孤岛效应检测技术等技术层面的研究外，还需要在规划和技术标准方面积极应对分布式光伏发电并网给大电网带来的新问题

3. 科学合理规划

针对分布式光伏并网发电对电网安全运行的影响，供电公司要科学合理规划，为电网安全稳定运行提供保障。大规模分布式光伏接入电网后，装机容量在电力系统中所占比例将会越来越大，这种情况一方面会改变电网运行控制方式，另一方面原有电网结构的稳定性也会随之改变。未来电力客户所用电能很可能主要来自低压配电网，且电力用户能够参与电能运营，这些改变无疑对供电公司提供优质电能提出了挑战。供电公司应结合当地电网实际情况，科学绘制分布式光伏并网蓝图。以分布式光伏选址和定容、电网安全运行指标等为出发点，开展大规模分布式光伏接入的电网规划研究工作，为将来大量分布式光伏并网发电后，电网的安全运行提供有效保障。

3. 健全相关技术标准及规范

得益于自身诸多优势和国家政策的支持，分布式光伏发展迅速，然而与之并网发电相匹配的相关技术标准及规范发展相对滞后。从分布式光伏并网发电系统安全、有序地接入大电网发电的角度出发，电力部门一方面要充分研究分布式光伏并网发电系统的基本技术参数、分析电网抗干扰的能力、掌握分布式光伏并网发电系统的控制特点、细化分布式光伏并网规模、并网电压等级等方面的技术参数，建立完备的技术标准和规范；另一方面，制定分布式光伏产品进入电网的标准，把好接入网分布式光伏设备的质量关。通过相关技术标准和规范引导分布式光伏合理并网发电，降低对电网的影响[14]。

4 结语

分布式光伏发电技术是解决能源和环境问题的有效途径，大规模分布式光伏并网发电是未来有利用效能源的快捷方式，但其在电能质量、继电保护、电网规划等方面给电网带来的影响不可忽视，开展分布式光伏并网发电对电网影响的研究工作很有必要。供电公司可以从网源协同的角度出发，通过科学合理规划，建立健全相关技术标准和规章制度，减少分布式光伏并网给电网带来的影响，确保电网安全稳定运行以及分布式光伏的健康发展。

参考文献：

[1]娄素华，胡斌，吴耀武，等.碳交易环境下含大规模光伏电源的电力系统优化调度[J] 电力系统自动化，2014，38（17）：91-97.

[2]何娣.太阳能光伏并网发电系统的研究[D].西安：长安大学，2013.

[3]匡兆平.光伏发电对电网安全稳定的影响[J].江苏科技信息，2017，35：46-47.

[4]邹超文.简析光伏并网发电系统对电网的影响[J].低碳世界，2016，（36）：15-17.

[5]李建坤.光伏发电并网对电网运行的影响及解决策略[J].通讯世界，2017，13（6）：122-123.

[6]赵岩，胡学浩.分布式发电对配电网电压暂降的影响[J].电网技术，2008，32（14）：5-9.

[7]周峰，杨志雄，王朋.分布式光伏并网对电能质量影响研究[J].通讯世界，2016，19（192）：181-183.

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

[9]韩民晓，代双寅.分布式电源并网中电能质量及相关标准探讨[J].中国标准化，2010，8（12）：28-32.

[10]陈炜，艾欣，吴涛，等.光伏并网发电系统对电网的影响研究综述[J].电力自动化设备，2013，33（2）：26-32.

[11]玄京岩，张艳，刘德馨，等.分布式光伏发电对吉林省电网的影响分析[J].电器与能效管理技术，2018，（6）：66-69.

[12]赵争鸣，雷一.光伏发电并网对三水电网的影响及对策研究[J].中国电业，2015，12（6）：101-107.

[13]赵争鸣，雷一.大容量光伏发电技术与并网影响综述[J].电力系统自动化，2010，35（12）：164-167.

[14]刘洁，袁松振，杨海柱.分布式光伏发电系统对电网的影响与对策[J].通信电源技术，2013，30（2）：41-43.

作者简介：张继成（1992-），男，湖北襄阳人，工学硕士，从事电能计量方面的工作；周艳华（1984-），女，湖北襄阳人，工学学士，从事电能计量方面的工作；宋晓薇（1994-），女，湖北襄阳人，工学学士，从事配电运维方面的工作。