分布式光伏接入电网的影响分析与实用化解决方案

范 佳，张佳杰，陈方舟，徐溢民，王岚青

(国网上海市电力公司长兴供电公司，上海 201913)

随着“3060”双碳战略的推广实施，分布式光伏作为投资低、见效快的低碳发电模式，预计装机容量将迅速增加。长兴岛作为上海光伏低碳战略的领头羊，将率先在上海实现低碳岛与零碳岛[1]。然而，大容量光伏接入长兴岛电网产生的诸多新挑战，也将日益浮出水面。

在大力发展光伏发电的同时，分布式光伏发电技术也在不断成熟，与之相匹配的一些供电安全性、经济性和可靠性的技术也在不断进步，为大力发展新能源发电奠定了基础[2]。已有众多学者对分布式电源接入配电网引起的问题进行了深入研究：文献[3]考虑了配电网负荷分布情况，分析了光伏机组接入配电网对节点电压的影响；文献[4]分析了分布式光伏接入点对配电网电压的影响；文献[5]研究了当配电网接入分布式电源变为多个谐波源的网络时，其谐波呈现多分布参数特性；文献[6]提出利用变压器来调节分布式光伏接入引起的电压波动，但此方法易损害变压器，缩短其寿命。

但这些文献都是从单一方面分析光伏接入对配电网的影响，缺点是不够全面。本文在此基础上进行全面分析，对光伏接入配电网产生的影响提出实用化的技术方案，以解决配电网中存在的隐患。

1 分布式光伏接入对电网的主要影响

1.1 对配电网局部电压稳定的影响

低压配电线路多数是单辐射状分布供电，电源向下级负荷逐级单向传输，在发生网络故障时，供电的安全性和可靠性无法得到保证。因此，在配电网的改造和建设中，环网供电、开环运行的模式因其可靠性和安全性高，在越来越多的网络中得到应用。配电网中电源和负荷的数量和位置都会对局部电压产生影响，进而对系统的正常运行造成影响。

在传统配电网中，电压沿着传输线由电源向负荷逐渐降低，如无外界电源接入，情况会比较稳定；但当传输线接入新的电源——分布式光伏发电，会使得传输线各负荷节点处的电压偏高或者偏低，甚至超出系统安全运行的指标，影响配电网的安全性能和操作规章，这是因为大规模的光伏接入后，因其出力的间歇性与电网负荷时空匹配性不一致，从而导致系统潮流流动模式改变。低压配电网的电压问题关乎用户用电的质量问题，负荷侧的消纳要和供电量相匹配，否则可能会造成电压严重偏高或偏低，给配电网的安全运行和用户的电能质量带来威胁[7]。

1.2 对继电保护的影响

在大规模接入分布式光伏的情况下，如传输线发生故障时，光伏逆变器因其能量密度有限，其中电力电子元件过流能力限制，并不能提供较大的短路电流，从而可能会导致线路上的故障无法被检测并且使保护响应[8]。

尤其是在传统的配电网三段式保护中，瞬时电流速断保护可能会不被识别，以带有分布式电源的简单配电网系统进行分析，配电网系统如图1所示。

图1 配电网系统图

图1中，S为电源，QF0-QF2为继电保护开关，单一的分布式电源接在馈线上。当K1点发生短路时，短路电流从电源、分布式电源共同流向K1点，在开关动作之前，QF1上只流过电源引起的短路电流，与K1点的短路电流相对较小，导致开关QF1的保护灵敏度减小；当QF1发生动作跳闸后，分布式电源仍持续不断地为短路点K1提供短路电流，可能使瞬时性故障变为永久性故障，从而引起设备损坏。

对于继电保护，如大量末端分布式光伏向同级或上级电网倒送故障电流时，由于既有配电网保护不考虑功率方向问题，这会使得保护误动作或拒动作概率提高，可行的做法是使光伏逆变器在识别到系统故障后停止输出，保证继电保护设备成功动作、切除故障后再重合闸恢复输出。由光伏逆变器的电力电子元件引起的谐波，还会导致保护的动作特性改变，造成保护装置的拒动或误动，这也可能会引起设备损坏。

1.3 对电能质量的影响

规模化的分布式光伏接入配电网，电能质量受到的影响主要表现在谐波和频闪这两个方面。

光伏逆变器的电力电子元件引起的谐波，增加了系统中元器件的附加谐波损耗，降低了发电、输电的效率，当大量的3次谐波流过中线时，可能会使线路过热引起不必要的火灾，造成设备损失和人员伤亡[9]。一般情况下，谐波只有通过测试分析才能识别出来。

闪变主要指电压的快速波动引起用电端可人为感知的效应，当其通过照明设备时，会危害身体健康，影响正常的工作，例如频闪效应会引发视觉疲劳、偏头痛。

1.4 对运检安全的影响

配电网作为电力系统的重要组成部分，承担着电能的输送功能，然而伴随着大量分布式光伏发电的接入，光伏的不确定性和波动性，极易导致在规划电网时出现电力配电网电源点负荷不匹配城市建设的问题，这不仅会影响到电力企业的经济效益，还会对配电网的运维检修流程产生极大影响。

对于运维检修安全，另外重要的问题是，分布式光伏系统的防孤岛效应保护。防孤岛效应保护原本就是解决系统脱网后能够快速关断输出，防止功率倒送导致的安全事故。由于既有光伏逆变器仅仅通过关闭内部绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)方式停止输出，系统无明显断开点，因而隐患较大，并且当分布式光伏容量规模大幅增加后，理论上孤岛独立运行的有功平衡条件存在，只要光伏逆变器的防孤岛保护设置参数考虑不周，就很可能导致防孤岛保护无效，产生功率倒送情况，所有光伏逆变器孤岛带负荷运行。因此，必须设计可靠性高、有明显断开点的防孤岛效应辅助保护机制[10]。

2 配电网隐患解决思路

2.1 电能质量优化技术

逆变器一端连接着光伏发电系统，另一端连接着配电网，作为光伏电站和大电网的中间重要环节，对提高光伏电力的友好性，起着至关重要的作用。

传统的光伏电站在设计时，通常需要设置20%～30%的动态无功补偿装置(Static Var Generator，简称SVG)，如图2所示。

图2 SVG补偿示意图

动态无功补偿装置作用于并网点处的功率因数动态调节，能够实现无功的动态补偿，具有连续调节、调节速度快等优点。目前光伏逆变器具有大范围的功率因数调节和响应能力，能够及时地吸收和释放无功，达到调节电压的目的。针对此问题，本文提出了一种基于可控串联补偿的外置光伏逆变器滤波与无功补偿装置，利用新型材料，在实现无功吸收的同时，解决了光伏逆变器中高次谐波的问题。

2.2 孤岛检测技术

孤岛会损害公众和电力公司维修人员的安全和供电的质量，因此防孤岛技术在含有并网逆变器的电网中不可避免地会被使用到。在并网逆变器的孤岛检测中，当出现电压异常现象时，仅仅依靠被动技术，则容易出现孤岛防护失效，所以必须有效结合主动技术进行防护。被动技术是通过检测并网点电气量是否越限而判定的保护功能，实现起来简单、成本低，但是其保护动作值难以整定[11]；主动技术是通过注入扰动量而实现的防孤岛保护功能，此方法需要施加扰动，影响了电能质量[12]。

然而，无论是主动还是被动，对于光伏系统接入的末端电网，若系统中存在大转动惯量的电机设备，防孤岛保护依旧存在失败的可能，对此本文提出了基于空间背景电磁场感应的孤岛效应检测新技术。

该技术通过检测环境中的空间背景电磁场，当环境中主网产生工频50Hz的电磁场无处不在时，通过跟踪主网在空间中衍生电磁场的相位、相角与频率，再与本地光伏逆变器输出信号进行比较，就能高灵敏地发现系统是否脱网运行。基于空间背景电磁场感应的孤岛效应检测技术相比现有的末端电气量检测方法，减少了杂散信号的干扰，提高了检测精度，从根本上将孤岛独立运行的风险降低到零。

2.3 快速重合闸技术

为避免光伏系统倒送故障电流导致保护误动作或拒动作，在系统扰动时瞬时断开光伏逆变器输出，并在电压恢复后快速恢复逆变器输出，对于保证继电保护正确动作，以及系统故障后的恢复稳定有极大好处。

通过采集线路末端电压绝对值与电压波动速率，判断系统是否存在故障，并快速动作于逆变器跳闸与重合闸，从而使配电网既有继电保护无需考虑光伏逆变器的影响。

2.4 多断口断路器技术

随着电压等级的不断升高，多断口断路器因其含有多个短间隙串联，是未来替换SF6断路器的发展方向之一[13]。目前，绝大多数逆变器出口断路器均为单断口，如若仅有的一个断口在发生故障时并未按规定正常断开，便可能会发生严重的电力事故。

基于此，本文研发了智能双断口断路器，既可以通过电压与空间电磁场感应动作于分合闸，又能通过通用分组无线业务(General Packet Radio Service，简称GPRS)接受远方分闸指令，并且双断口技术从根本上解决了单一断口失效导致的触电危险。

3 分布式光伏电网接入影响解决方案

3.1 新型滤波与补偿装置

采用坡莫合金材料制作的高密度电抗器，在不需要电容的情况下，可提升其滤波效率，为系统提供近似于正弦波的工作环境，如图3所示。通过滤波后，电网电流波形得到显著改善。通过设置宽频带的无功电抗器，基于可控串联补偿外置光伏逆变器滤波与无功补偿装置，可通过检测末端电压进行投切，对无功进行高响应的吸收，同时也可抑制光伏逆变器的高次谐波干扰。

图3 滤波前后注入电网电流的波形

3.2 空间背景电磁场检测技术

在空间环境中，由于传统的交流电网工频信号为50 Hz，通过大地与空间电容感应辐射效应，将遍布绝大部分有电网供电的区域，交流电网的空间杂散电磁信号强度很大，一般人体感应信号最大的就是电网的工频交流感应信号。此时，将该信号的相位、相角、频率等信息，与本地光伏逆变器出口端电压进行对比，就能非常清楚地检测到光伏系统是否脱网运行，其流程如图4所示。首先将隔离滤波后的本地电网电压信号与放大滤波后的空间背景信号进行A/D转换，然后进行频率、相位和相角比较，最后根据结果执行开关动作。

图4 空间背景电磁场检测技术

该空间背景电磁场检测技术与单一本地电网信号模拟量检测相比，由于引入了另一个可靠的主网电源信息参照量，不仅大大提高了检测的准确率，而且避免了复杂算法带来的其他不确定性，使得防孤岛保护能够如实正确地动作，保障维修人员的安全和供电质量。

3.3 光伏专用自动重合闸断路器

为配合配电网既有继电保护装置而无须再考虑光伏逆变器带来的影响，本文设计了光伏专用自动重合闸断路器，自动重合闸机构如图5所示。该重合闸在通电的情况下自动合闸，正常工作；但在低电压的情况下会自动分闸，断开电路。

图5 自动重合闸机构

该自动重合闸同时具有故障防合闸及过载和短路保护功能，可大大提高系统的安全性。光伏专用自动重合闸参数如表1所示，该重合闸适用于50 Hz交流电系统，额定工作电压有230 V和400 V两种情况，额定工作电流为6～125 A。当电网供电出现欠压2%以上时，重合闸自动跳闸，待电压恢复后立即重合闸，并具备自动与手动两种操作模式。自动工作模式下，主电路有电情况下断路器自动合闸,停电情况下自动分闸；手动模式下电网正常电压不会自动合闸。

表1 光伏专用自动重合闸参数

3.4 基于GPRS遥控通信的智能双断口断路器技术

随着公共无线传输技术的成熟和普遍推广，基于GPRS/WIFI等数据传输的电力行业也在快速发展。因此，本文提出基于通信模式的自带机构遥控分合闸操作断路器，其示意图如图6所示。该断路器与上级供电部门的工作手机平台联网，当检修需要时直接遥控台区内的所用光伏逆变器脱网，从根本上保证了电网运行的安全性。

图6 双断口安全隔离断路器示意图

4 结语

本文对分布式光伏发电接入电网的影响进行了全面分析，针对电压稳定、继电保护、电能质量和运维安全方面的隐患，研究出了具有可操作性、有效性和安全性的设备和技术操作，解决了分布式光伏发电接入电网带来的隐患。在保证电能质量和系统安全性的前提下，为后续光伏发电的大量接入，提出了建设性的方案，对光伏的利用具有重要意义。