范 佳，張佳杰，陳方舟，徐溢民，王嵐青

(國網(wǎng)上海市電力公司長興供電公司，上海 201913)

隨著“3060”雙碳戰(zhàn)略的推廣實(shí)施，分布式光伏作為投資低、見效快的低碳發(fā)電模式，預(yù)計(jì)裝機(jī)容量將迅速增加。長興島作為上海光伏低碳戰(zhàn)略的領(lǐng)頭羊，將率先在上海實(shí)現(xiàn)低碳島與零碳島[1]。然而，大容量光伏接入長興島電網(wǎng)產(chǎn)生的諸多新挑戰(zhàn)，也將日益浮出水面。

在大力發(fā)展光伏發(fā)電的同時(shí)，分布式光伏發(fā)電技術(shù)也在不斷成熟，與之相匹配的一些供電安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性的技術(shù)也在不斷進(jìn)步，為大力發(fā)展新能源發(fā)電奠定了基礎(chǔ)[2]。已有眾多學(xué)者對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)引起的問題進(jìn)行了深入研究：文獻(xiàn)[3]考慮了配電網(wǎng)負(fù)荷分布情況，分析了光伏機(jī)組接入配電網(wǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響；文獻(xiàn)[4]分析了分布式光伏接入點(diǎn)對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響；文獻(xiàn)[5]研究了當(dāng)配電網(wǎng)接入分布式電源變?yōu)槎鄠€(gè)諧波源的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其諧波呈現(xiàn)多分布參數(shù)特性；文獻(xiàn)[6]提出利用變壓器來調(diào)節(jié)分布式光伏接入引起的電壓波動(dòng)，但此方法易損害變壓器，縮短其壽命。

但這些文獻(xiàn)都是從單一方面分析光伏接入對(duì)配電網(wǎng)的影響，缺點(diǎn)是不夠全面。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行全面分析，對(duì)光伏接入配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響提出實(shí)用化的技術(shù)方案，以解決配電網(wǎng)中存在的隱患。

1 分布式光伏接入對(duì)電網(wǎng)的主要影響

1.1 對(duì)配電網(wǎng)局部電壓穩(wěn)定的影響

低壓配電線路多數(shù)是單輻射狀分布供電，電源向下級(jí)負(fù)荷逐級(jí)單向傳輸，在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，供電的安全性和可靠性無法得到保證。因此，在配電網(wǎng)的改造和建設(shè)中，環(huán)網(wǎng)供電、開環(huán)運(yùn)行的模式因其可靠性和安全性高，在越來越多的網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用。配電網(wǎng)中電源和負(fù)荷的數(shù)量和位置都會(huì)對(duì)局部電壓產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響。

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，電壓沿著傳輸線由電源向負(fù)荷逐漸降低，如無外界電源接入，情況會(huì)比較穩(wěn)定；但當(dāng)傳輸線接入新的電源——分布式光伏發(fā)電，會(huì)使得傳輸線各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓偏高或者偏低，甚至超出系統(tǒng)安全運(yùn)行的指標(biāo)，影響配電網(wǎng)的安全性能和操作規(guī)章，這是因?yàn)榇笠?guī)模的光伏接入后，因其出力的間歇性與電網(wǎng)負(fù)荷時(shí)空匹配性不一致，從而導(dǎo)致系統(tǒng)潮流流動(dòng)模式改變。低壓配電網(wǎng)的電壓問題關(guān)乎用戶用電的質(zhì)量問題，負(fù)荷側(cè)的消納要和供電量相匹配，否則可能會(huì)造成電壓嚴(yán)重偏高或偏低，給配電網(wǎng)的安全運(yùn)行和用戶的電能質(zhì)量帶來威脅[7]。

1.2 對(duì)繼電保護(hù)的影響

在大規(guī)模接入分布式光伏的情況下，如傳輸線發(fā)生故障時(shí)，光伏逆變器因其能量密度有限，其中電力電子元件過流能力限制，并不能提供較大的短路電流，從而可能會(huì)導(dǎo)致線路上的故障無法被檢測并且使保護(hù)響應(yīng)[8]。

尤其是在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)三段式保護(hù)中，瞬時(shí)電流速斷保護(hù)可能會(huì)不被識(shí)別，以帶有分布式電源的簡單配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，配電網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)系統(tǒng)圖

圖1中，S為電源，QF0-QF2為繼電保護(hù)開關(guān)，單一的分布式電源接在饋線上。當(dāng)K1點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，短路電流從電源、分布式電源共同流向K1點(diǎn)，在開關(guān)動(dòng)作之前，QF1上只流過電源引起的短路電流，與K1點(diǎn)的短路電流相對(duì)較小，導(dǎo)致開關(guān)QF1的保護(hù)靈敏度減??；當(dāng)QF1發(fā)生動(dòng)作跳閘后，分布式電源仍持續(xù)不斷地為短路點(diǎn)K1提供短路電流，可能使瞬時(shí)性故障變?yōu)橛谰眯怨收?，從而引起設(shè)備損壞。

對(duì)于繼電保護(hù)，如大量末端分布式光伏向同級(jí)或上級(jí)電網(wǎng)倒送故障電流時(shí)，由于既有配電網(wǎng)保護(hù)不考慮功率方向問題，這會(huì)使得保護(hù)誤動(dòng)作或拒動(dòng)作概率提高，可行的做法是使光伏逆變器在識(shí)別到系統(tǒng)故障后停止輸出，保證繼電保護(hù)設(shè)備成功動(dòng)作、切除故障后再重合閘恢復(fù)輸出。由光伏逆變器的電力電子元件引起的諧波，還會(huì)導(dǎo)致保護(hù)的動(dòng)作特性改變，造成保護(hù)裝置的拒動(dòng)或誤動(dòng)，這也可能會(huì)引起設(shè)備損壞。

1.3 對(duì)電能質(zhì)量的影響

規(guī)?；姆植际焦夥尤肱潆娋W(wǎng)，電能質(zhì)量受到的影響主要表現(xiàn)在諧波和頻閃這兩個(gè)方面。

光伏逆變器的電力電子元件引起的諧波，增加了系統(tǒng)中元器件的附加諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電的效率，當(dāng)大量的3次諧波流過中線時(shí)，可能會(huì)使線路過熱引起不必要的火災(zāi)，造成設(shè)備損失和人員傷亡[9]。一般情況下，諧波只有通過測試分析才能識(shí)別出來。

閃變主要指電壓的快速波動(dòng)引起用電端可人為感知的效應(yīng)，當(dāng)其通過照明設(shè)備時(shí)，會(huì)危害身體健康，影響正常的工作，例如頻閃效應(yīng)會(huì)引發(fā)視覺疲勞、偏頭痛。

1.4 對(duì)運(yùn)檢安全的影響

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著電能的輸送功能，然而伴隨著大量分布式光伏發(fā)電的接入，光伏的不確定性和波動(dòng)性，極易導(dǎo)致在規(guī)劃電網(wǎng)時(shí)出現(xiàn)電力配電網(wǎng)電源點(diǎn)負(fù)荷不匹配城市建設(shè)的問題，這不僅會(huì)影響到電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，還會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)維檢修流程產(chǎn)生極大影響。

對(duì)于運(yùn)維檢修安全，另外重要的問題是，分布式光伏系統(tǒng)的防孤島效應(yīng)保護(hù)。防孤島效應(yīng)保護(hù)原本就是解決系統(tǒng)脫網(wǎng)后能夠快速關(guān)斷輸出，防止功率倒送導(dǎo)致的安全事故。由于既有光伏逆變器僅僅通過關(guān)閉內(nèi)部絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT)方式停止輸出，系統(tǒng)無明顯斷開點(diǎn)，因而隱患較大，并且當(dāng)分布式光伏容量規(guī)模大幅增加后，理論上孤島獨(dú)立運(yùn)行的有功平衡條件存在，只要光伏逆變器的防孤島保護(hù)設(shè)置參數(shù)考慮不周，就很可能導(dǎo)致防孤島保護(hù)無效，產(chǎn)生功率倒送情況，所有光伏逆變器孤島帶負(fù)荷運(yùn)行。因此，必須設(shè)計(jì)可靠性高、有明顯斷開點(diǎn)的防孤島效應(yīng)輔助保護(hù)機(jī)制[10]。

2 配電網(wǎng)隱患解決思路

2.1 電能質(zhì)量優(yōu)化技術(shù)

逆變器一端連接著光伏發(fā)電系統(tǒng)，另一端連接著配電網(wǎng)，作為光伏電站和大電網(wǎng)的中間重要環(huán)節(jié)，對(duì)提高光伏電力的友好性，起著至關(guān)重要的作用。

傳統(tǒng)的光伏電站在設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要設(shè)置20%～30%的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(Static Var Generator，簡稱SVG)，如圖2所示。

圖2 SVG補(bǔ)償示意圖

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置作用于并網(wǎng)點(diǎn)處的功率因數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)無功的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，具有連續(xù)調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn)。目前光伏逆變器具有大范圍的功率因數(shù)調(diào)節(jié)和響應(yīng)能力，能夠及時(shí)地吸收和釋放無功，達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。針對(duì)此問題，本文提出了一種基于可控串聯(lián)補(bǔ)償?shù)耐庵霉夥孀兤鳛V波與無功補(bǔ)償裝置，利用新型材料，在實(shí)現(xiàn)無功吸收的同時(shí)，解決了光伏逆變器中高次諧波的問題。

2.2 孤島檢測技術(shù)

孤島會(huì)損害公眾和電力公司維修人員的安全和供電的質(zhì)量，因此防孤島技術(shù)在含有并網(wǎng)逆變器的電網(wǎng)中不可避免地會(huì)被使用到。在并網(wǎng)逆變器的孤島檢測中，當(dāng)出現(xiàn)電壓異?，F(xiàn)象時(shí)，僅僅依靠被動(dòng)技術(shù)，則容易出現(xiàn)孤島防護(hù)失效，所以必須有效結(jié)合主動(dòng)技術(shù)進(jìn)行防護(hù)。被動(dòng)技術(shù)是通過檢測并網(wǎng)點(diǎn)電氣量是否越限而判定的保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)起來簡單、成本低，但是其保護(hù)動(dòng)作值難以整定[11]；主動(dòng)技術(shù)是通過注入擾動(dòng)量而實(shí)現(xiàn)的防孤島保護(hù)功能，此方法需要施加擾動(dòng)，影響了電能質(zhì)量[12]。

然而，無論是主動(dòng)還是被動(dòng)，對(duì)于光伏系統(tǒng)接入的末端電網(wǎng)，若系統(tǒng)中存在大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電機(jī)設(shè)備，防孤島保護(hù)依舊存在失敗的可能，對(duì)此本文提出了基于空間背景電磁場感應(yīng)的孤島效應(yīng)檢測新技術(shù)。

該技術(shù)通過檢測環(huán)境中的空間背景電磁場，當(dāng)環(huán)境中主網(wǎng)產(chǎn)生工頻50Hz的電磁場無處不在時(shí)，通過跟蹤主網(wǎng)在空間中衍生電磁場的相位、相角與頻率，再與本地光伏逆變器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，就能高靈敏地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)是否脫網(wǎng)運(yùn)行。基于空間背景電磁場感應(yīng)的孤島效應(yīng)檢測技術(shù)相比現(xiàn)有的末端電氣量檢測方法，減少了雜散信號(hào)的干擾，提高了檢測精度，從根本上將孤島獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)降低到零。

2.3 快速重合閘技術(shù)

為避免光伏系統(tǒng)倒送故障電流導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作或拒動(dòng)作，在系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)瞬時(shí)斷開光伏逆變器輸出，并在電壓恢復(fù)后快速恢復(fù)逆變器輸出，對(duì)于保證繼電保護(hù)正確動(dòng)作，以及系統(tǒng)故障后的恢復(fù)穩(wěn)定有極大好處。

通過采集線路末端電壓絕對(duì)值與電壓波動(dòng)速率，判斷系統(tǒng)是否存在故障，并快速動(dòng)作于逆變器跳閘與重合閘，從而使配電網(wǎng)既有繼電保護(hù)無需考慮光伏逆變器的影響。

2.4 多斷口斷路器技術(shù)

隨著電壓等級(jí)的不斷升高，多斷口斷路器因其含有多個(gè)短間隙串聯(lián)，是未來替換SF6斷路器的發(fā)展方向之一[13]。目前，絕大多數(shù)逆變器出口斷路器均為單斷口，如若僅有的一個(gè)斷口在發(fā)生故障時(shí)并未按規(guī)定正常斷開，便可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的電力事故。

基于此，本文研發(fā)了智能雙斷口斷路器，既可以通過電壓與空間電磁場感應(yīng)動(dòng)作于分合閘，又能通過通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，簡稱GPRS)接受遠(yuǎn)方分閘指令，并且雙斷口技術(shù)從根本上解決了單一斷口失效導(dǎo)致的觸電危險(xiǎn)。

3 分布式光伏電網(wǎng)接入影響解決方案

3.1 新型濾波與補(bǔ)償裝置

采用坡莫合金材料制作的高密度電抗器，在不需要電容的情況下，可提升其濾波效率，為系統(tǒng)提供近似于正弦波的工作環(huán)境，如圖3所示。通過濾波后，電網(wǎng)電流波形得到顯著改善。通過設(shè)置寬頻帶的無功電抗器，基于可控串聯(lián)補(bǔ)償外置光伏逆變器濾波與無功補(bǔ)償裝置，可通過檢測末端電壓進(jìn)行投切，對(duì)無功進(jìn)行高響應(yīng)的吸收，同時(shí)也可抑制光伏逆變器的高次諧波干擾。

圖3 濾波前后注入電網(wǎng)電流的波形

3.2 空間背景電磁場檢測技術(shù)

在空間環(huán)境中，由于傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)工頻信號(hào)為50 Hz，通過大地與空間電容感應(yīng)輻射效應(yīng)，將遍布絕大部分有電網(wǎng)供電的區(qū)域，交流電網(wǎng)的空間雜散電磁信號(hào)強(qiáng)度很大，一般人體感應(yīng)信號(hào)最大的就是電網(wǎng)的工頻交流感應(yīng)信號(hào)。此時(shí)，將該信號(hào)的相位、相角、頻率等信息，與本地光伏逆變器出口端電壓進(jìn)行對(duì)比，就能非常清楚地檢測到光伏系統(tǒng)是否脫網(wǎng)運(yùn)行，其流程如圖4所示。首先將隔離濾波后的本地電網(wǎng)電壓信號(hào)與放大濾波后的空間背景信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行頻率、相位和相角比較，最后根據(jù)結(jié)果執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作。

圖4 空間背景電磁場檢測技術(shù)

該空間背景電磁場檢測技術(shù)與單一本地電網(wǎng)信號(hào)模擬量檢測相比，由于引入了另一個(gè)可靠的主網(wǎng)電源信息參照量，不僅大大提高了檢測的準(zhǔn)確率，而且避免了復(fù)雜算法帶來的其他不確定性，使得防孤島保護(hù)能夠如實(shí)正確地動(dòng)作，保障維修人員的安全和供電質(zhì)量。

3.3 光伏專用自動(dòng)重合閘斷路器

為配合配電網(wǎng)既有繼電保護(hù)裝置而無須再考慮光伏逆變器帶來的影響，本文設(shè)計(jì)了光伏專用自動(dòng)重合閘斷路器，自動(dòng)重合閘機(jī)構(gòu)如圖5所示。該重合閘在通電的情況下自動(dòng)合閘，正常工作；但在低電壓的情況下會(huì)自動(dòng)分閘，斷開電路。

圖5 自動(dòng)重合閘機(jī)構(gòu)

該自動(dòng)重合閘同時(shí)具有故障防合閘及過載和短路保護(hù)功能，可大大提高系統(tǒng)的安全性。光伏專用自動(dòng)重合閘參數(shù)如表1所示，該重合閘適用于50 Hz交流電系統(tǒng)，額定工作電壓有230 V和400 V兩種情況，額定工作電流為6～125 A。當(dāng)電網(wǎng)供電出現(xiàn)欠壓2%以上時(shí)，重合閘自動(dòng)跳閘，待電壓恢復(fù)后立即重合閘，并具備自動(dòng)與手動(dòng)兩種操作模式。自動(dòng)工作模式下，主電路有電情況下斷路器自動(dòng)合閘,停電情況下自動(dòng)分閘；手動(dòng)模式下電網(wǎng)正常電壓不會(huì)自動(dòng)合閘。

表1 光伏專用自動(dòng)重合閘參數(shù)

3.4 基于GPRS遙控通信的智能雙斷口斷路器技術(shù)

隨著公共無線傳輸技術(shù)的成熟和普遍推廣，基于GPRS/WIFI等數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娏π袠I(yè)也在快速發(fā)展。因此，本文提出基于通信模式的自帶機(jī)構(gòu)遙控分合閘操作斷路器，其示意圖如圖6所示。該斷路器與上級(jí)供電部門的工作手機(jī)平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)檢修需要時(shí)直接遙控臺(tái)區(qū)內(nèi)的所用光伏逆變器脫網(wǎng)，從根本上保證了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

圖6 雙斷口安全隔離斷路器示意圖

4 結(jié)語

本文對(duì)分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的影響進(jìn)行了全面分析，針對(duì)電壓穩(wěn)定、繼電保護(hù)、電能質(zhì)量和運(yùn)維安全方面的隱患，研究出了具有可操作性、有效性和安全性的設(shè)備和技術(shù)操作，解決了分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)帶來的隱患。在保證電能質(zhì)量和系統(tǒng)安全性的前提下，為后續(xù)光伏發(fā)電的大量接入，提出了建設(shè)性的方案，對(duì)光伏的利用具有重要意義。