高渗透率分布式光伏配电网问题分析及解决措施

中国水利水电第十工程局有限公司 牟长江

1 分布式光伏发电的种类及工作原理

1.1 分布式光伏发电种类

光伏发电种类如图1所示。根据分布式光伏发电的使用情况通常将其分为三种：第一种是光伏电站产出的电能供给客户直接利用，不需要并入外界配电网中；第二种是光伏电站产出的电能在满足客户使用后还有部分余量，为避免浪费，将该余量并入外界配电网中进行综合利用；第三种是光伏电站产出的电能直接并入外界配电网进行售卖，根据用户需求进行分配使用[1]。据相关统计，第二种分布式光伏发电的投入成本低，性价比较高，应用比较广泛，但也会强烈影响配电网的安全平稳运行。

图1 光伏发电种类

1.2 分布式光伏发电工作原理

分布式光伏发电系统主要由光伏组件、汇流箱、交直流逆变器、配电箱、双向电表、监控控制系统、安装支架等组成，其原理结构如图2所示[2]。光伏电池采用串联或并联方式，以一定的角度在光伏支架上进行设计安装，组成光伏阵列，尽可能地吸收太阳量，并将太阳量转化为直流电，经汇流箱后进入逆变器，在逆变器中逆变为交流电后，输送到主电网中。双向电表可以对系统的实际发电、用电情况进行跟踪记录和显示储存等，实现输入主电网电力量的统计。

图2 分布式光伏发电系统的主要原理结构

2 高渗透率分布式光伏条件下配电网存在的问题

2.1 光伏发电对电网电能质量造成的问题

一是高渗透分布式光伏电站产生的电能并入电网后，会使整个电网的负荷预测难度加大，具有较多的未知性和不确定性。当光伏系统电源的电压、频率瞬时过高或者过低时，均会造成配电网故障，甚至中断整个电力系统的运行，拖延各项生产工作进度，扰乱人们正常生活秩序，造成社会影响[3]。常见的处理方法是先用数据万用表对电网的电压、频率进行实测，如果不在正常范围内，则静候使供电网恢复正常即可。如果供电电网的网压、频率在正常值之内，可能是电路板的本体发生故障，可以通过将交直流端子切断，对逆变器断电重启，进行设备故障恢复。

二是高渗透分布式光伏电站发电功率主要取决于光照辐射强度，非常容易受到当日天气状况的影响，特别在阴天或下雨时会发生较大变化。与火力发电厂相比，其发电功率波动性较强，且具有很大的不确定性，严重妨碍对电网进行经济节能性的研究。

2.2 谐波污染问题

高渗透分布式光伏电站输出的电能通过逆变器并网后，势必会对配电网中原来的重合闸参数、继电保护值等相关量的设置造成一定程度影响，导致配电网设备灵敏度下降、保护失灵、误动作等异常情况发生。此外，光伏电站采用的交流逆变器在工作时，其内部的电子组成元件反复吸合，不可避免地产生谐波分量，进而对配电网带来谐波污染，导致电力设备损耗和老化加剧，降低设备生命周期。因此，电力公司制定了相关规定：光伏发电站在接入电网前，需要加装能够限制逆变器产生谐波分量的装置。

2.3 光伏发电并入配电网接入点位置与设计容量问题

通常来讲，光伏发电站的位置选址及规模容量较为重要，直接影响整个电网的发电质量，科学设计光伏电站发电容量并且合理选择光伏电站的配电网的接入点，才能够降低电网不稳定因素，提高配电网运行质量，改善用户用电体验。但是受现实地理环境情况的影响，很多光伏配电网前期规划不完整，造成其并网接入点与设计发电容量存在一定瑕疵，且区域内的不同的光伏电站在工作时还互相牵制，这种现象往往会导致负荷节点电压高于正常值而损坏电力设备，还会造成配电网的电压值上下波动，影响电网稳定运行。西北地区某光伏电站并入配电网后，线路24h 电力数据监测情况，如图3所示。

图3 甘肃地区某光伏电站24小时电压监测数据

由图3可知，光伏电站在当天光照辐射最大时，光伏发电功率也达到最大值，因此造成了严重的过电压现象，但太阳落山后，倘若未能及时合理调节配电网中潮流布置，将导致系统低电压情况发生。

2.4 配电网设计规划问题

配电网初期规划通常会采用取辐射状结构，电网潮流流向固定通道，形成了固定的规模，但是高渗透的分布式光伏发电站发电主要依靠光照，不可避免会造成电网电量的随机与波动性，用户用电也具有较大的未知性，没有规律可言以及区域内的不同的光伏电站工作时还互相牵制，往往会造成现有配电网中潮流流向的不确定性。因此，在有高渗透分布式光伏电站接入的配电网规划时，需要额外考虑电网潮流方向和高渗透率的影响。倘若对分布式光伏电站的接入点位置和发电容量规划不完善，将无法保证配电网安全可靠运行，也不利于降低能量耗损，严重影响配网工作质量。

2.5 设备配置、作业人员水平对电网运行的影响

一些光伏电站为节省成本，采购的发电设备配置较低，且维修人员的维检修水平有限，在日常工作时存在电气设备操作不正确、故障发生后故障长时间未能得到有效解决等诸多情况，还会时常发生电器短路、跳闸等电气故障，这些都对配电网造成极大的冲击，严重干扰了配电网的正常运转，威胁到工作人员的生命财产安全。另外，光伏电源工作时也会产生谐波电流，且谐波电流的幅值会随时间变化而相应改变，一定程度上危害到配电网的运行质量。

3 采取科学的解决措施

3.1 完善配电网建设

加快推进主动配电网建设进度，提前做好配电网的整体规划，降低高渗透率下配电网的线路设备损耗并将其控制在可操控的范围之内。同时，充分考虑光伏发电受早晚阳光照射发电不均衡的影响，在配电网设计规划时采用分层分布协调控制技术，合理设计配网结构，更好引地导电网中潮流流向的同时实现高渗透率下分布式光伏出力精准预测，实时响应用户侧的需求，完善高渗透率下光伏发电的运行工作流程[4]。此外，基于配电网的全局能量控制技术，对于高能耗用电客户用电负荷或光伏发电出力浮动而造成的配电网中的电力数据波动，及时进行调节和控制，使其保持在正常值之内。

3.2 抑制配电网谐波产生

抑制配电网谐波电流的办法通常有两种方法，一是对谐波电流产生源头（用电负荷侧的电力设备本身）进行技术改造，将谐波电流扼杀在萌芽状态，同时要求高渗透率下分布式光伏电站增强对入网客户设备选型的指导与监督，优先采购配置好、效率高的设备，根本上控制谐波电流产生。二是加装谐波电流补偿设备，例如新型滤波装置等，该装置能够产生与负荷谐波I 大小相同但方向相反的补偿I，从而起到遏制谐波的作用。

3.3 合理选择高渗透率下光伏电站接入配电网的位置电压

光伏电站中电网电压值如何选择是系统正常运行的基本要求，为了尽可能地降低并网电压不合理而造成的配电网设备故障，要合理选择接入点电压。通常情况下，在接入点电压要求方面，光伏电站系统额定电压范围是89%～115%。所以，需要通过交直流逆变器来对接入配电网的电压进行相应调节及控制。

3.4 科学设置电网频率，预防电压闪变

根据高渗透率下光伏电站在实际生活中的应用情况，电网的频率需要恒定在49.5～50.5Hz，运行过程中，一旦超出该频率区间，如果未能立即切换到逆变器运行模式，将会引发设备故障，导致系统运行中断[5]。此外，分布式光伏电站将产出的电直接输入到配电网后，会出现电压闪变故障，进而导致电压的偏离，依据相关要求，需要将电压偏离值限定在5%以下，一定程度上避免此类故障发生。

3.5 加强配电网用电考核管理

为强化配电网质量的提升、充分落实质量管理规范化，应从以下方面采取措施：一是优化管理制度，通过梳理配电网质量的主要工作内容，制定出各岗位标准作业法，应涵盖电网质量管理标准、设备配置标准、电力损耗标准等。二是建立奖惩机制，对于不良用电习惯和异常用电负荷引起的谐波污染，要根据相关规定对污染企业或用户进行考核。三是积极落实质量责任制，明确各级工作人员的质量工作职责，利用上下级管理关系，形成万一配电网运行过程中发生事故，便可逐级汇报、一一落实的责任化，追究到个人，严格保证配电网生产进度，提高整个配电网的供电质量。此外，企业内部应明确职责分工，建立督察督办，构建短期加长期的工作机制，并积极对督办事项进行跟踪反馈，形成闭环管理。

3.6 提升一线作业人员技术水平

在配电网的运行维护过程中，应着重增强作业人员的安全意识，提高作业人员技能水平。首先，充分学习配电网运维过程中相关机械电气设备的操作规程，熟练掌握其使用方法，避免操作不当而造成的设备故障，进而影响配电网正常运转。其次，开展专业的指导和培训，使电力从业人员熟练掌握配电网中相关辅助设备的常见故障处理技术，并将其所学知识在实际工作中落到实处。此外，定期组织技术交流会，讨论棘手难题，交流心得体会，分享先进经验，全面提升从业人员职业素质，减少配电网设备故障发生后的处理时间，提高电网生产效率。

4 结语

本文从分布式光伏发电的种类及工作原理入手，探讨了高渗透率分布式光伏条件下配电网存在的电能质量、谐波污染等问题，最后提出了完善配网建设，抑制配电网谐波产生，合理选择配电网接入位置电压，科学设置电网频率，预防电压闪变、全面提升一线人员技术水平等科学的解决措施，充分保证高渗透率分布式光伏条件下配电网安全平稳运行，有效提高了配电网的供电质量，改善了电力用户的用电体验，促进了电力企业的健康发展。