分布式光伏接入的配电网的影响及改造方法分析

2023-03-05刘立群

现代工业经济和信息化 2023年11期

刘立群

（南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏南京 211102）

0 引言

在现代能源转型的背景下，分布式光伏技术逐渐崭露头角，为可持续发展提供了重要支持。然而，将分布式光伏系统与传统配电网相融合，也带来了新的技术挑战。配电网作为能源供应的重要环节，需要同时维护其稳定性和环境友好性。分布式光伏的引入，将配电网从原本的无源状态转变为有源状态，但光伏发电的波动性可能对电能质量造成不利影响，甚至引发短路电流等问题。为适应分布式光伏的接入，需要对配电网进行多方面的技术改进，包括逆变器技术的升级、储能系统的配置，以及线路和分销网络的优化。

1 分布式光伏对配电网的影响分析

此种影响体现在以下方面：

1）电压偏差：光伏系统的并网可能引起电压偏低问题，尤其在微电网等小型系统中，可能会导致电力设备的故障、电能表读数不准确等问题。

2）谐波扰动：光伏逆变器的工作会引入谐波，扰乱电网的电压和电流波形。过多的谐波可能会影响电网设备的寿命，甚至造成其他用户的电气设备故障。

3）频率稳定性：大规模分布式光伏系统可能对电网频率稳定性产生影响。当光伏系统突然接入或脱离电网时，可能导致瞬时频率波动，进而影响电网其他部分的正常运行[2]。

4）短路电流：分布式光伏系统并网后，其可能对电网的短路电流产生影响，需要重新评估电网的保护措施，以确保安全稳定地运行。

2 分布式光伏接入配电网的限制条件

2.1 变电站最大负荷

分布式光伏接入配电网时，变电站的最大负荷成为一个重要的限制条件。光伏系统的不稳定性和波动性可能引入电网的谐波扰动，影响电网的电压和电流波形。在这种背景下，变电站的最大负荷需要进行精细的评估和规划。变电站最大负荷受到光伏系统容量、逆变器特性、电网运行状态等因素的制约。光伏系统容量的增加可能导致在高负荷时出现电网电压异常下降的情况，影响电力供应的稳定性。逆变器产生的谐波可能干扰其他电力设备的正常运行，从而影响变电站的负荷承受能力。

2.2 变电站剩余间隔

剩余间隔是指在电网中为容纳新的光伏系统而保留的未利用空间，光伏系统的引入可能导致电网结构变更和设备增加，对变电站的剩余间隔提出了要求。光伏系统的并网可能需要新增的逆变器、连接设备等，需要考虑其在变电站中的布置。此外，光伏系统的运行可能引起短时间的电流冲击，需要在剩余间隔内保留足够的缓冲空间，以防止电流冲击对其他设备造成损害。在规划变电站剩余间隔时，需要综合考虑光伏系统的容量、配置方式以及未来扩展需求。合理设计剩余间隔布局，采用合适的隔离、保护和过电压装置，以确保光伏系统的接入不会对电网的稳定性和可靠性产生不利影响。

2.3 变电站负荷最大值

负荷最大值是指变电站所能承受的最大电力负荷，包括来自光伏系统和其他负荷的总和。分布式光伏的引入可能会增加变电站的负荷，因此负荷最大值的管理变得至关重要。光伏系统的电力输出与日照强度相关，因此具有不稳定性和间歇性。在高峰时段，光伏系统的功率输出可能较高，对变电站的负荷产生影响。为确保变电站不超负荷运行，需要在设计中考虑光伏系统的容量，并与其他负荷进行协调。合理管理变电站负荷最大值涉及对光伏系统的功率预测、电力调度等技术手段的运用。通过实时监测光伏输出和电网负荷，可以在光伏功率波动时进行灵活的电力调整，避免超负荷运行的风险。

2.4 负荷特性

光伏系统的不稳定性和波动性可能对电网的负荷产生影响。由于光伏系统的日照相关性，其输出功率存在周期性变化，这可能导致电网负荷的不稳定性。为应对这一限制，需采用负荷平衡技术，如储能系统的引入和智能电力调度，以在光伏功率波动时平稳调整电网负荷，维持电力供应的可靠性和稳定性。此外，基于对光伏系统负荷特性的深入理解，优化电网规划和负荷管理策略，将有助于更好地应对光伏系统对电网负荷带来的挑战。

3 分布式光伏技术接入配电网的改造技术方法

3.1 改造配电网边界

为适应分布式光伏系统的接入，需要借助智能配电网管理系统实时监测光伏系统的电流、电压、功率等参数，以及电网的负荷状况。系统能够自动分析数据，调整光伏系统的输出功率，实现电网负荷的平衡，并在电压不稳定等情况下进行快速响应。由于分布式光伏系统可能引发功率因数下降等问题，无功补偿技术可以有效改善电网的功率质量。通过配置无功补偿装置，能够调整光伏系统的无功功率，维持电网的功率因数在合适的范围内，提升电网稳定性[3]。针对光伏系统的电压波动特点，需要制定相应的电压稳定控制策略。通过采用电压调节器、变压器等设备，能够实时调整光伏系统的输出电压，以保持电网电压在合理范围内，如图1 所示。

图1 智能变电站网络边界安全防护

3.2 新型逆变器技术

在分布式光伏技术接入配电网的改造中，新型逆变器技术发挥着关键作用，技术在提高电能转换效率的同时，也针对电网电流质量和稳定性等方面的挑战提供了创新解决方案。新型逆变器技术包括高精度的最大功率点跟踪（MPPT）算法，能够快速响应光伏系统功率变化，最大程度上提高能源捕获效率。逆变器中直流（DC）到交流（AC）转换的过程公式如下：

式中：Vac（t）是输出交流电压随时间变化的函数；Vmax是交流输出电压的峰值（最大值）；ω 是角频率，与交流电源的频率相关，通常为2π 乘以频率；t 是时间；φ 是相位角，表示交流波形相对于某一参考点的相位偏移。

智能无功功率控制技术可实现逆变器对电网电压的动态调节，有效抑制电压波动和谐波扰动。而逆变器的集成式储能装置还能平衡电网负荷，减轻负荷波动对电网的影响。这些新型逆变器技术的应用，将进一步提升分布式光伏系统的稳定性、适应性和可靠性，推动清洁能源的高效融入电力网络。

3.3 无功补偿技术

光伏系统的接入可能引发无功功率波动，导致电压稳定性下降和谐波扰动增加。无功补偿技术能够有效控制和调节系统的无功功率，保持电网的功率因数在合适范围内，维护电压稳定。静态无功发生器（SVG）等设备通过响应速度快、精度高的方式，迅速对电网中的无功功率进行调整，从而降低电压波动风险，减少谐波对电网的影响。此外，无功补偿技术的引入还有助于提高电网的电能利用率，减少电网能量损耗，促进电力系统的可持续运行。因此，在分布式光伏系统接入配电网的改造中，无功补偿技术不仅可以优化电网质量，还能提升电力系统的稳定性和效率。

3.4 新型储能技术

传统储能技术如锂离子电池、超级电容器等已经在应对光伏系统波动性方面发挥重要作用。然而，近年来涌现出诸如流电池、压缩空气储能等新型储能技术，这些技术在能量密度、寿命、环保等方面都有所突破，能够更高效地存储大量电能，减少能源浪费，详见表1。流电池技术以其高能量密度和长寿命优势，为电能储存提供了更稳定的解决方案。压缩空气储能技术通过将压缩空气储存于地下储层，以在需要时释放能量，实现了长期大规模地储能。新型储能技术的应用能够有效平衡光伏系统不稳定的电能输出，缓解电网负荷波动，提升电网的可靠性和稳定性。与此同时，新型储能技术也能为电能储存行业带来更多的创新机遇，促进可再生能源与电网的融合发展。具体见表1。

表1 各种新型储能技术的优势及转化率数据

4 配电网改造的目标和实现方法

4.1 改造目标

1）配电网改造的首要目标之一是提高电网的稳定性和可靠性。通过引入智能微网、新型逆变器技术和储能系统等措施，能够有效平衡分布式光伏系统的波动性，避免电压频率偏离标准范围，减少电网的故障风险，保障用户用电需求。

2）配电网改造旨在最大限度地实现电能的高效利用。新型逆变器技术、预测控制和储能系统等能够调整电能输出，匹配用户负荷需求，不仅有助于降低能源浪费，还能有效降低电网的负荷峰值，减轻电网压力。

3）配电网改造的目标之一是促进清洁能源，特别是光伏发电的广泛应用。通过分布式光伏系统的接入，电网可以获取更多的可再生能源，减少对传统化石能源的依赖，推动能源结构的升级和碳排放的减少[4]。

4）配电网改造还追求电网的智能化升级。智能配电网管理系统、数据监测与管理系统等技术的应用，使得电网能够实现实时监测、分析和调控，提升电网的运行效率，为未来能源管理提供了更多可能性。

4.2 实现方法

1）变电站间隔扩建。在现有变电站之间增加新的变电站，可以有效分担光伏发电系统引入的电力负荷，降低电网压降和线损，从而提高电网的负载能力和稳定性。新建的变电站可以更精确地匹配光伏系统的电能输出，确保电网电压在正常范围内，这项措施不仅改善电能传输效率，也为清洁能源的大规模并网提供了坚实支持，推动电力系统向可持续发展迈进。

2）线路改造分析。光伏系统的接入可能引发线路电流波动，影响电网稳定性。通过对线路容量进行评估和升级，可以适应光伏系统的功率波动，减少线路过载风险。此外，采用低阻抗线材、优化线路布局等技术手段，降低线路电阻，提高输电效率，确保电能顺畅传输。线路改造不仅满足分布式光伏的需求，也为电力系统的现代化转型创造了更稳健的基础。

3）储能容量配置。分布式光伏接入后，储能容量的合理配置成为确保电能平衡与稳定的关键因素。光伏系统的波动性可能导致电能供需失衡，影响电网的稳定性。储能系统能够在光伏产能高峰时存储过剩电能，并在低谷时释放，平衡负荷波动。通过精确的负荷预测和能量存储需求分析，可以确定储能容量。同时，综合考虑储能系统成本、性能和维护等因素，实现最优的容量配置，保障电网的可靠供电，为清洁能源的融入提供可持续支持。

4）无功补偿配置。分布式光伏系统的接入可能导致功率因数下降，影响电网稳定性。通过合理配置无功补偿设备，如静态无功补偿器，能够有效调整电网的无功功率，维持功率因数在合适范围内。这有助于降低电网谐波失真，提升电能质量。根据光伏系统的容量、负荷特性等，进行无功补偿容量的评估和配置，可为电网稳定运行提供良好支撑，确保分布式光伏的顺利接入。