劉 潔，袁松振，楊海柱

（1．河南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 焦作454000；2．河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作454000）

0 引 言

近年來，中國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，隨著國(guó)家對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)支持力度的加大，尤其是“金太陽工程”的實(shí)施，光伏產(chǎn)業(yè)在政策面上將會(huì)得到更大力度的支持。根據(jù)中國(guó)2007年制定的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，2020年太陽能發(fā)電總?cè)萘繉⑦_(dá)180萬kW。按照最近的專家預(yù)計(jì)這一數(shù)字有望達(dá)到1000萬kW。這就意味著有越來越多的分布式光伏電源接入到配電網(wǎng)中，對(duì)傳統(tǒng)的配電網(wǎng)提出了新的挑戰(zhàn)。

對(duì)于配電網(wǎng)絡(luò)而言，由于光伏并網(wǎng)發(fā)電的特性有別于常規(guī)發(fā)電方式，因此有必要通過分析光伏發(fā)電的特性，采用新方法、新技術(shù)，在充分發(fā)揮出光伏電源作用的同時(shí)，將光伏電源對(duì)配電網(wǎng)的影響減到最小。

1 分布式光伏發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)有兩種并網(wǎng)形式：其一是通過低壓線路接入配電網(wǎng)；其二是經(jīng)過變壓器升壓接入到高壓電網(wǎng)。前者是農(nóng)村屋頂光伏電源或者是城市小規(guī)模光伏建筑電源；后者則是很多光伏電站的選擇。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看出，分布式光伏發(fā)電主要包括太陽能電池板、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）、逆變器、變壓器以及控制系統(tǒng)等。對(duì)于一些偏遠(yuǎn)的電網(wǎng)不穩(wěn)定地區(qū)，往往還有儲(chǔ)能電池，以為備用。而在并網(wǎng)系統(tǒng)中，逆變器又是整個(gè)系統(tǒng)的重中之重，它之后一般還要帶有一個(gè)濾波器，使輸出的波形較為平滑，往正弦波靠攏。目前的并網(wǎng)逆變器是通過控制輸出電流的幅值、頻率和相位三要素參量跟蹤并網(wǎng)點(diǎn)電壓來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)和功率輸出。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)容量的大小，可以有多種不同電壓等級(jí)的并網(wǎng)形式。如云南電網(wǎng)公司在云電科技園建設(shè)的160 kW光伏發(fā)電項(xiàng)目采用的380 V低壓并網(wǎng)方式；上海崇明島1 MW光伏發(fā)電項(xiàng)目則采用10 kV電壓等級(jí)并入電網(wǎng)。

通過對(duì)光伏系統(tǒng)的分析計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電具有以下特點(diǎn)：

（1）光伏發(fā)電受外界天氣條件影響極大，發(fā)電功率會(huì)隨著天氣的變化而劇烈地變化，夏天的多云天氣尤為明顯，其功率在瞬間的輸出變化率甚至能超過10%。

（2）現(xiàn)有主要的并網(wǎng)逆變器的控制方式基本上都是通過控制輸出電流以跟蹤并網(wǎng)點(diǎn)電壓，達(dá)到并網(wǎng)的目的。其輸出為純有功功率，功率因數(shù)接近1，沒有對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)調(diào)節(jié)的能力。

（3）由于光伏發(fā)電輸出功率的快速波動(dòng)性，當(dāng)進(jìn)行大容量并網(wǎng)的時(shí)候，就要通過旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的工作來進(jìn)行功率調(diào)整的補(bǔ)償，這樣就增加了一個(gè)合理安排發(fā)電計(jì)劃的研究課題。

（4）隨著逆變器輸出負(fù)載的變化，諧波也隨之發(fā)生變化，在輸出減小到額定輸出的90%時(shí)，其輸出電流THD甚至?xí)_(dá)到20%以上，這樣就會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染。

（5）并網(wǎng)逆變器的抗孤島保護(hù)功能與負(fù)荷狀況的相關(guān)性：隨著并網(wǎng)容量不斷加大，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中會(huì)有多種類型的并網(wǎng)逆變器（不同保護(hù)原理）接入同一并網(wǎng)點(diǎn)，導(dǎo)致互相干擾，同時(shí)在出現(xiàn)發(fā)電功率與負(fù)載基本平衡的狀況時(shí)，抗孤島檢測(cè)的時(shí)間會(huì)明顯增加，甚至可能出現(xiàn)檢測(cè)失敗。

由以上光伏發(fā)電的特性可知，現(xiàn)有的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)并不是“電網(wǎng)友好型”電源，它與傳統(tǒng)火電、水電、乃至新興的風(fēng)電、生物質(zhì)能都有很大的不同，當(dāng)其接入電力系統(tǒng)時(shí)應(yīng)就相關(guān)問題進(jìn)行專門的研究。

2 分布式光伏電源接入配電網(wǎng)的相關(guān)問題

大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入，不可避免地會(huì)對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行等多方面產(chǎn)生影響。研究和掌握這些影響，為下一步電網(wǎng)根據(jù)自身安全穩(wěn)定運(yùn)行需要，提出并制定PV并網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)要求，是一項(xiàng)非常有意義的工作。

2．1 對(duì)電壓的影響

集中供電的配電網(wǎng)一般呈輻射狀。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，電壓沿饋線潮流方向逐漸降低。接入光伏電源后，由于饋線上的傳輸功率減少，使沿饋線各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓被抬高，可能導(dǎo)致一些負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓偏移超標(biāo)，其超標(biāo)量與接入光伏電源的位置及總?cè)萘看笮∶芮邢嚓P(guān)。通常情況下，可通過在中低壓配電網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置有載調(diào)壓變壓器和電壓調(diào)節(jié)器等調(diào)壓設(shè)備，將負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓偏移控制在符合規(guī)定的范圍內(nèi)。另外，合理設(shè)置光伏電源的運(yùn)行方式也很重要。在正午時(shí)分，光伏電源出力通常較大，若線路輕載，光伏電源將明顯抬高接入點(diǎn)的電壓。

光伏電源對(duì)電壓的影響還體現(xiàn)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輻照度而變，可能會(huì)造成局部配電線路的電壓波動(dòng)和閃變。若跟負(fù)荷改變疊加在一起，將會(huì)引起更大的電壓波動(dòng)和閃變。另外，PV輸出電流的變化也會(huì)引起電壓波動(dòng)（ΔU ＝IPV（Xsinθ＋Rcosθ）），而同一區(qū)域的PV發(fā)電功率受光照變化的影響具有一致性，這將加劇電壓的波動(dòng)，可能引起電壓／無功調(diào)節(jié)裝置的頻繁動(dòng)作。雖然目前實(shí)際運(yùn)行的光伏電源并沒引起顯著的電壓波動(dòng)和閃變［2，3］，但當(dāng)大量并網(wǎng)光伏電源接人時(shí)，對(duì)接入位置和容量進(jìn)行合理的規(guī)劃依然很重要。

2．2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電流保護(hù)的影響

光伏系統(tǒng)接入對(duì)短路點(diǎn)的短路電流增益很明顯，并且隨著光伏系統(tǒng)距故障點(diǎn)的接近而增大。如果光伏系統(tǒng)接入位置距離故障點(diǎn)足夠近光伏系統(tǒng)容量達(dá)到一定值時(shí)，很可能引起誤動(dòng)；故障點(diǎn)在保護(hù)和光伏系統(tǒng)的中間時(shí)，短路點(diǎn)的短路電流增幅明顯，流過保護(hù)的電流主要由根節(jié)點(diǎn)提供，與不接光伏系統(tǒng)時(shí)相差不大；而故障點(diǎn)在光伏系統(tǒng)的下游時(shí)，流過保護(hù)的短路電流反而比未接光伏系統(tǒng)時(shí)小，此時(shí)會(huì)降低保護(hù)的靈敏度。

光伏系統(tǒng)產(chǎn)生逆向短路電流即光伏系統(tǒng)在保護(hù)的下游，而短路點(diǎn)在保護(hù)的上游，光伏系統(tǒng)會(huì)對(duì)故障點(diǎn)和光伏系統(tǒng)之間的保護(hù)產(chǎn)生影響，當(dāng)光伏系統(tǒng)容量足夠大時(shí)會(huì)向短路點(diǎn)提供很大的短路電流而使保護(hù)誤動(dòng)作跳閘。隨著光伏系統(tǒng)接入容量的增大，通過光伏系統(tǒng)上游保護(hù)的短路電流持續(xù)減小，對(duì)上游保護(hù)不會(huì)產(chǎn)生影響；而通過光伏系統(tǒng)下游保護(hù)的電流持續(xù)增加，提高了速斷保護(hù)靈敏度及保護(hù)范圍，如果容量沒有加以限制，隨著保護(hù)距離的不斷增大，保護(hù)延伸至下一級(jí)線路，可能會(huì)引起誤動(dòng)，失去保護(hù)選擇性。

2．3 孤島效應(yīng)

分布式光伏電源通過并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)，必須具備防孤島效應(yīng)保護(hù)。孤島效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)有很多危害，首先就是對(duì)電網(wǎng)檢修人員的人身安全的威脅；其次是沒有了大電網(wǎng)的支持，供電質(zhì)量受到影響，容易損壞用電設(shè)備；再次電網(wǎng)恢復(fù)供電之后因?yàn)橄辔徊煌揭饛?qiáng)大的電流沖擊。鑒于孤島效應(yīng)的危害，現(xiàn)代并網(wǎng)系統(tǒng)基本上都有完善的反孤島檢測(cè)，只要在2 s之內(nèi)能夠解列，就能夠消除對(duì)電網(wǎng)的影響。近年來，大量研究結(jié)論表明：即使將來有大量分布式電源接入到配電網(wǎng)中，只要措施得當(dāng)，發(fā)生非正常孤島的風(fēng)險(xiǎn)可控制在合理的范圍內(nèi)，并不會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生非正常孤島風(fēng)險(xiǎn)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。

2．4 注入電流諧波

逆變器使用了大量的電力電子元件，在逆變器將直流轉(zhuǎn)換為交流的過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生諧波。所以并網(wǎng)逆變器的質(zhì)量與性能對(duì)并網(wǎng)交流電的電能質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇。

光伏并網(wǎng)電站諧波電壓和電流的允許水平主要取決于配電系統(tǒng)的特性、供電類型、所連接的負(fù)載／設(shè)備類型，以及電網(wǎng)的現(xiàn)行規(guī)定。

按照《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》光伏發(fā)電站并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，向公共連接點(diǎn)注入的諧波電流應(yīng)滿足GB／T14549－1993的要求。各次諧波應(yīng)限制在表1所列的百分比內(nèi)。此范圍內(nèi)的偶次諧波應(yīng)小于低的奇次諧波限值的25%。建議供電公司在工程投產(chǎn)后測(cè)試相關(guān)電網(wǎng)的諧波，以保證電壓質(zhì)量。

表1 并網(wǎng)電流諧波限值

2．5 對(duì)配電網(wǎng)的負(fù)荷特性、規(guī)劃和調(diào)度自動(dòng)化的影響

分布式光伏電源的發(fā)電功率隨日照強(qiáng)度變化，晴天時(shí)大致呈單峰曲線形狀，功率峰值一般在10時(shí)到14時(shí)之間，光伏電源接入會(huì)改變配網(wǎng)的負(fù)荷曲線特征及最大負(fù)荷點(diǎn)。以某含光伏發(fā)電的小區(qū)為例，在10：00到14：00時(shí)間段，園區(qū)從配電網(wǎng)吸收的功率（等效負(fù)荷）明顯變小，全天最高負(fù)荷點(diǎn)出現(xiàn)在10時(shí)前（光伏電源未接入時(shí)出現(xiàn)在12時(shí)之后）。這不僅改變了配電網(wǎng)的配電規(guī)劃，同時(shí)，由于光伏電源的接入，改變了配電網(wǎng)的潮流。而且現(xiàn)有的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)不具備調(diào)度自動(dòng)化的功能，不能參與對(duì)電壓、電網(wǎng)頻率的調(diào)整，這樣就會(huì)減少配網(wǎng)的可調(diào)度發(fā)電容量，從而加大配網(wǎng)與調(diào)度的難度。

3 對(duì) 策

為了適應(yīng)大規(guī)模、高容量PV接入電網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，除了在技術(shù)層面外，同時(shí)還需要在經(jīng)濟(jì)政策和法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)方面積極應(yīng)對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)給大電網(wǎng)帶來的新問題。

3．1 研究開發(fā)支撐光伏發(fā)電接入公共電網(wǎng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)、保護(hù)和控制設(shè)備

（1）配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)和計(jì)量單位。原有的配電系統(tǒng)的監(jiān)控和調(diào)度是由供電部門統(tǒng)一管理的，由于原配電網(wǎng)是一個(gè)無源的放射形電網(wǎng)，信息的采集、開關(guān)的操作、能源的調(diào)度相應(yīng)都比較簡(jiǎn)單。光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入使此過程趨于復(fù)雜化，電網(wǎng)運(yùn)行需要監(jiān)視的信息類型和范圍增加，需要協(xié)調(diào)控制的對(duì)象增加。此外，由于分布式光伏電源的加入，個(gè)別的配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的潮流流向可能由原來的單一方向變?yōu)殡p向的，這樣就有必要將原有的電能計(jì)量模式進(jìn)行更改。

（2）含有分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析與控制技術(shù)。光伏發(fā)電存在功率波動(dòng)的問題，這樣就給用戶帶來了電能質(zhì)量的問題。逆變器產(chǎn)生的諧波也會(huì)提升配電系統(tǒng)的諧波水平。如果光伏電源以單相的形式并網(wǎng)的話，會(huì)加大電網(wǎng)的三相不平衡度。因此需要研究含光伏發(fā)電并網(wǎng)的配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量綜合監(jiān)控與控制技術(shù)。

（3）含分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電系統(tǒng)的保護(hù)原理和技術(shù)。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)，改變了原配電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的特征，使故障后的電氣量的變化更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的保護(hù)原理和故障檢測(cè)方式將受到巨大的影響，甚至無法做出正確的判斷，需要探討新的保護(hù)方法和技術(shù)［7］。

（4）孤島檢測(cè)及緊急控制與繼電保護(hù)。研究光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島檢測(cè)的方法，研究緊急狀態(tài)下負(fù)荷切除和孤島劃分的優(yōu)化選擇技術(shù)，研究孤島運(yùn)行和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的無縫切換控制技術(shù)，研究光伏發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)中短路電流大小、流向及分布的影響，以及含光伏電源的配電網(wǎng)保護(hù)與控制技術(shù)，以保證故障的快速、可靠切除和及時(shí)智能地恢復(fù)供電。

3．2 健全分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

研究分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)和控制特性及承受大電網(wǎng)擾動(dòng)能力的技術(shù)要求與標(biāo)準(zhǔn)，研究光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的規(guī)模、接入電壓等級(jí)、無功配置和電能質(zhì)量等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，研究大電網(wǎng)接納光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)具備的條件等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，健全光伏發(fā)電接入公共電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，將有利于引導(dǎo)與規(guī)范光伏發(fā)電等新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)有序的接入大電網(wǎng)，確保這些新型發(fā)電系統(tǒng)及其控制設(shè)備不會(huì)對(duì)大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成危害。

4 結(jié) 論

分布式光伏發(fā)電技術(shù)，以其節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，具有勢(shì)不可擋的發(fā)展勢(shì)頭，隨著這些分布式電源的接入，配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、營(yíng)運(yùn)和控制都要升級(jí)換代來適應(yīng)其發(fā)展。隨著越來越多的分布式光伏電源接入到配電網(wǎng)中，開展分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)原配電網(wǎng)影響的研究很有必要。根據(jù)研究結(jié)果，應(yīng)用新的技術(shù)，制定相應(yīng)的管理措施，在保證光伏發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量、安全和可靠的前提下，最大程度地利用太陽能資源具有重要意義。

［1］ 尹 淞，郝繼紅．我國(guó)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用綜述［J］．電力技術(shù)，2009，73（3）：1－4．

［2］ SJEFC．Impact of Photovoltaic Generation on Power Quality in Urban Areas with High PV Population［EB／OL］．OL］．Ju1．2008．http：／／www．pvupscale．org．

［3］ FARIDK．Integration 0f Photovohaic Power Systems in High－Penetration Clusters for Distribution Networks and MiniGrids［EB／OL］．Jan．2009．http：／／canmetenergycanmetenergie．nrcanrncan．gc．ca／eng／renewables．

［4］ 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB／T19939－2005光伏系統(tǒng)井網(wǎng)技術(shù)要求［S］．2006．

［5］ 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB／Z19964－2005光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定［S］．2005．

［6］ 孫 艷．分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用［J］．太陽能，2012，5：23－26．

［7］ 王成山，王守相．分布式發(fā)電功能系統(tǒng)若干問題研究［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（20）：1－4，31．