分布式光伏接入對配電網(wǎng)系統的八大影響

1.對電壓的影響

集中供電的配電網(wǎng)一般呈輻射狀。穩態(tài)運行狀態(tài)下，電壓沿饋線(xiàn)潮流方向逐漸降低。接入光伏電源后，由于饋線(xiàn)上的傳輸功率減少，使沿饋線(xiàn)各負荷節點(diǎn)處的電壓被抬高，可能導致一些負荷節點(diǎn)的電壓偏移超標，其電壓被抬高多少與接入光伏電源的位置及總容量大小密切相關(guān)。通常情況下，可通過(guò)在中低壓配電網(wǎng)絡(luò )中設置有載調壓變壓器和電壓調節器等調壓設備，將負荷節點(diǎn)的電壓偏移控制在符合規定的范圍內。對于配電網(wǎng)的電壓調整，合理設置光伏電源的運行方式很重要。在午間陽(yáng)光充足時(shí)，光伏電源出力通常較大，若線(xiàn)路輕載，光伏電源將明顯抬高接入點(diǎn)的電壓。如果接入點(diǎn)是在饋電線(xiàn)路的末端，接入點(diǎn)的電壓很可能會(huì )越過(guò)上限，這時(shí)必須合理設置光伏電源的運行方式，如規定光伏電源必須參與調壓，吸收線(xiàn)路中多余的無(wú)功。在夜間重負荷時(shí)間段，光伏電源通常無(wú)出力，但仍可提供無(wú)功出力，改善線(xiàn)路的電壓質(zhì)量。光伏電源對電壓的影響還體現在可能造成電壓的波動(dòng)和閃變。由于光伏電源的出力隨入射的太陽(yáng)輻照度而變，可能會(huì )造成局部配電線(xiàn)路的電壓波動(dòng)和閃變，若跟負荷改變疊加在一起，將會(huì )引起更大的電壓波動(dòng)和閃變。雖然目前實(shí)際運行的光伏電源并沒(méi)引起顯著(zhù)的電壓波動(dòng)和閃變，但當大量并網(wǎng)光伏電源接入時(shí)，對接入位置和容量進(jìn)行合理的規劃依然很重要。

2.對短路電流的貢獻

通常認為在配電網(wǎng)絡(luò )側發(fā)生短路時(shí)，接入到配電網(wǎng)絡(luò )中的光伏電源對短路電流貢獻不大，穩態(tài)短路電流一般只比光伏電源額定輸出電流大10%~20%，短路瞬間的電流峰值跟光伏電源逆變器自身的儲能元件和輸出控制性能有關(guān)。在配電網(wǎng)絡(luò )中，短路保護一般采用過(guò)流保護加熔斷保護。對于高滲透率的光伏電源，饋電線(xiàn)路上發(fā)生短路故障時(shí)，可能由于光伏電源提供絕大部分的短路電流而導致饋電線(xiàn)路無(wú)法檢測出短路故障。1999年，IEA-PVPS-Task-5(國際能源署中的光伏技術(shù)工作組)在日本曾用4個(gè)不同廠(chǎng)家控制電流注入的逆變器連接到一個(gè)配電網(wǎng)上的柱式變壓器，然后在變壓器另一側進(jìn)行短路試驗。試驗表明，短路電流上升不超過(guò)故障前的2倍，1~2個(gè)周波就隔離了故障。此外，日本還對一個(gè)200kWp的光伏電源系統進(jìn)行短路試驗，研究發(fā)現：短路電流經(jīng)過(guò)變壓器后，電流變小，變壓器過(guò)流保護不動(dòng)作。2003年，美國的NERL(美國可再生能源國家實(shí)驗室)曾做過(guò)關(guān)于分布式發(fā)電與配電網(wǎng)絡(luò )之間的交互影響的研究。采用以逆變器方式接入的分布式電源，仿真原型建立在13.2kV的中壓配電網(wǎng)絡(luò )上，分布式電源的容量是5MW，研究重點(diǎn)是熔斷保護特性。結果表明，當發(fā)生單相和三相故障時(shí)，以逆變器方式接入的分布式電源對短路電流的貢獻很小，短路電流主要來(lái)自主網(wǎng)，甚至比5MW感應電機提供的短路電流還要小的多。因此，可以得出以控制電流注入的光伏電源逆變器對短路電流貢獻不大的結論。

3.非正常孤島

隨著(zhù)在配電網(wǎng)絡(luò )中有越來(lái)越多的分布式電源接入，出現非正常孤島的可能性也越來(lái)越大，IEC在1998年曾用“故障樹(shù)理論”分析非正常孤島發(fā)生后發(fā)生觸電的可能性。2002年，IEA-PVPS-Task-5曾用“故障樹(shù)理論”分析光伏電源的非正常孤島。在考慮光伏電源滲透率達6倍夜間負荷的極端情形下，發(fā)現非正常孤島導致觸電的可能性很小，概率小于10-9次/年。因此，只要管理得當，加上光伏電源逆變器自身帶有反孤島功能，大量光伏電源的接入并不會(huì )給系統增加實(shí)質(zhì)性的觸電風(fēng)險。同時(shí)，對荷蘭地區一個(gè)典型低電壓住宅區的配電網(wǎng)絡(luò )就光伏電源系統發(fā)生孤島的可能性進(jìn)行研究，發(fā)現該區光伏電源發(fā)生非正常孤島運行的可能性低于10-5~10-6次/年，幾乎為零。因此，認為在住宅區大量接入光伏電源導致發(fā)生非正常孤島的可能性很小。2006年，DISPOWER對在德國使用的帶檢測電網(wǎng)阻抗變化的反孤島策略及電網(wǎng)電壓和頻率監控的光伏電源逆變器進(jìn)行了測試，結果表明當電網(wǎng)在一般低阻抗情況下運行時(shí)，效果理想;當電網(wǎng)在高阻抗不理想的情況下運行時(shí)，光伏電源逆變器檢測電網(wǎng)阻抗變化精確度比較差，目前還沒(méi)有很好的解決方案來(lái)滿(mǎn)足德國對光伏電源反孤島策略的標準要求。近年來(lái)，大量研究結論表明：即使將來(lái)有大量分布式電源接入到配電網(wǎng)中，只要措施得當，發(fā)生非正常孤島的風(fēng)險可控制在合理的范圍內，并不會(huì )使系統發(fā)生非正常孤島風(fēng)險的可能性有實(shí)質(zhì)性增加，因而發(fā)生非正常孤島不會(huì )成為妨礙光伏電源等分布式電源接入的一個(gè)技術(shù)壁壘。

4.注入電流諧波

電流諧波對配電網(wǎng)絡(luò )和用戶(hù)的影響范圍很大，通常包含改變電壓平均值、造成電壓閃變、導致旋轉電機及發(fā)電機發(fā)熱、變壓器發(fā)熱和磁通飽和、造成保護系統誤動(dòng)作、對通信系統產(chǎn)生電磁干擾和系統噪音等。光伏電源逆變器產(chǎn)生的諧波來(lái)源主要有2個(gè)：50Hz參考基波波形不好產(chǎn)生的諧波和高頻開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的諧波。諧波之間的相位差、配電網(wǎng)的線(xiàn)路阻抗以及負荷都能消除部分諧波。當光伏電源逆變器生成正弦基波時(shí)，可以部分補償配電網(wǎng)的電壓波形畸變，但會(huì )使逆變器輸出更多的電流諧波，把光伏電源逆變器接入到弱電網(wǎng)時(shí)就會(huì )明顯出現上述現象。當光伏電源逆變器檢測配電網(wǎng)電壓來(lái)生成參考基波時(shí)，光伏電源逆變器可以輸出很好的正弦波電流，但是無(wú)法補償配電網(wǎng)的電壓波形畸變。1998年，IEA-PVPS-Task-5曾經(jīng)對丹麥的一個(gè)80%家庭都安裝有光伏電源的住宅區進(jìn)行測試，發(fā)現光伏電源對當地的諧波貢獻有限，還不如家用電器造成的諧波多。因此，研究者認為：對于具有相對較高短路容量的饋電線(xiàn)路和局部高滲透率的光伏電源接入的情況，均有此普遍現象。1999年，IEA-PVPS-Task-5曾在日本對多光伏電源接入到同一配電變壓器(住宅區柱式變壓器)中的諧波進(jìn)行測試，使用了多個(gè)廠(chǎng)家和多個(gè)型號的逆變器。測試結果表明，同類(lèi)型的逆變器(內在電路和控制策略一致)會(huì )造成特定次數的諧波疊加，不同類(lèi)型的逆變器可會(huì )相互抵消諧波的注入。英國也在1999年做過(guò)類(lèi)似的測試，測試結果表明：高次諧波衰減很快，低次諧波的變化情況比較復雜。在強網(wǎng)中諧波畸變一般是個(gè)常值，而弱網(wǎng)中的諧波畸變一般隨接入的光伏電源逆變器個(gè)數增加而加重。當饋電線(xiàn)路阻抗值較大時(shí)，可使諧波衰減明顯。為了防止特定次數的諧波產(chǎn)生振，有必要限制光伏電源逆變器的容量。在實(shí)際運行中，光伏電源注入的諧波電流一般都能符合相關(guān)標準的要求。

5.注入直流分量

直流分量主要對配電網(wǎng)中的變壓器、電流式漏電斷路器(RCD)、電流型變壓器、計量?jì)x表等造成不利影響，其中對電流式漏電斷路器和變壓器的影響最為不利，如造成電流式漏電斷路器誤動(dòng)作和造成變壓器磁通飽和、發(fā)熱、產(chǎn)生諧波和噪音等?，F在，許多并網(wǎng)光伏電源逆變器都采用隔離變壓器來(lái)抑制直流分量的注入。有些國家明確規定要以帶隔離變壓器的方式接入，而有的國家并無(wú)此項強制性規定。但近十幾年來(lái)，由于技術(shù)的進(jìn)步，去除隔離變壓器可帶來(lái)更高的效率并減少生產(chǎn)成本，不帶隔離變壓器的光伏電源逆變器應用越來(lái)越廣泛。采用脈寬調制(Pulse-widthmodulatim，PWM)技術(shù)的光伏電源逆變器可以抑制直流分量輸出，但是當配電網(wǎng)電壓含不平衡的正序和負序分量時(shí)，會(huì )對采用PWM技術(shù)的光伏電源逆變器的性能造成不利影響。關(guān)于直流分量對配電網(wǎng)變壓器的影響，國際上目前對直流分量上限還沒(méi)有統一的規定。英國的研究建議是每相不超過(guò)等同于5%的諧波畸變值，或者是每個(gè)光伏電源注入到典型的500kVA配電網(wǎng)變壓器的直流分量不能超過(guò)40mA。美國的規定是不超過(guò)每相電流有名值的0.5%。

6.對配電網(wǎng)絡(luò )設計、規劃和營(yíng)運的影響

隨著(zhù)越來(lái)越多的分布式電源接入到配電網(wǎng)絡(luò )中，集中式發(fā)電所占比例將有所下降，電力網(wǎng)絡(luò )的結構和控制方式可能會(huì )發(fā)生很大的改變，這種改變帶來(lái)的挑戰和機遇將要求電力網(wǎng)絡(luò )從設計、規劃、營(yíng)運和控制等各方面進(jìn)行升級換代。在可以預見(jiàn)的將來(lái)，大量被消費的電能將來(lái)自于低壓配電網(wǎng)絡(luò )，提前對配電網(wǎng)絡(luò )的結構進(jìn)行升級換代和優(yōu)化顯得尤為重要，例如如何使配電網(wǎng)絡(luò )的結構適應網(wǎng)絡(luò )電流的逆向和正向的流動(dòng)。另外，大量分布式光伏電源接入到配電網(wǎng)中后，用戶(hù)側可以主動(dòng)參與能量管理和運營(yíng)，使傳統配電網(wǎng)運營(yíng)費用模型不再適用。因此，一方面面臨電力市場(chǎng)自由化和解除管制的壓力，一方面可再生能源諸如光伏電源卻得到保護和補貼，使得配電網(wǎng)在保證供電質(zhì)量和可靠性方面面臨越來(lái)越大的壓力。近些年，一些專(zhuān)家學(xué)者提出了模擬電站和微網(wǎng)概念，可運用到分布式光伏電源管理中，把有功出力具有隨機性的光伏電源和具有保證出力的電源以及儲能裝置集成在一起，作為整體的模擬電站或者微網(wǎng)，整合到當今的電力生產(chǎn)和傳輸框架內。

7.提供輔助功能

現代光伏電源逆變器可提供多種功能，如將光伏陣列出力饋送到電網(wǎng)以及作為有源濾波器改善電網(wǎng)電能質(zhì)量等。光伏電源和儲能裝置有效結合后，可以參與到配電網(wǎng)的電壓調節、頻率調節和穩定性調節，為重要負荷提供UPS功能。如在光伏電源逆變器的直流側配備儲能裝置(如蓄電池和雙層電容等)，當光伏電源逆變器饋送有功出力到電網(wǎng)時(shí)，還可以參與配電網(wǎng)的電壓和頻率調節，在配電網(wǎng)電壓和頻率跌落時(shí)，增加有功出力，當配電網(wǎng)三相電壓不平衡時(shí)，光伏電源逆變器可針對性地送出三相不平衡電流，部分補償配電網(wǎng)三相電壓不平衡，吸收饋電線(xiàn)路多余的部分無(wú)功或者輸送饋電線(xiàn)路缺乏的部分無(wú)功。另外，光伏電源還可驅動(dòng)水泵進(jìn)行抽水儲能，為電網(wǎng)提供黑啟動(dòng)電源等。

8.結語(yǔ)

分布式發(fā)電技術(shù)作為新一代發(fā)電技術(shù)，其發(fā)展上升的勢頭不可阻擋，配電網(wǎng)的設計、規劃、營(yíng)運和控制都要升級換代來(lái)適應分布式發(fā)電的發(fā)展。光伏電源是分布式發(fā)電技術(shù)中發(fā)展最迅速的部分，將有越來(lái)越多的分布式光伏電源接入到配電網(wǎng)中。因此，有必要深入開(kāi)展其對配電網(wǎng)影響的研究。根據研究結果，應用新的技術(shù)，制定相應的管理措施，才能使大量分布式電源接入配電網(wǎng)后能夠安全穩定運行。