大量分布式光伏電源接入對配電網(wǎng)的影響研究

趙波

（浙江省電力試驗研究院， 杭州 310014）

大量分布式光伏電源接入對配電網(wǎng)的影響研究

趙波

（浙江省電力試驗研究院， 杭州 310014）

光伏電源是分布式發(fā)電技術(shù)中發(fā)展最迅速的部分。分布式光伏電源通過逆變器接入到配電網(wǎng)中，具有隨機(jī)性，與傳統(tǒng)的電站有所不同，因此有必要對分布式光伏電源對配電網(wǎng)的影響進(jìn)行深入的研究。從對電壓的影響、對短路電流的貢獻(xiàn)等7個方面詳細(xì)討論了分布式光伏電源對配電網(wǎng)的影響，為后續(xù)的深入研究提供參考。

分布式；光伏電源；配電網(wǎng)；影響

近年來，中國的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，并將在未來的電力供應(yīng)中扮演重要的角色[1]。 隨著越來越多的分布式光伏電源接入到配電網(wǎng)中，對傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)，因此有必要對分布式光伏電源和配電網(wǎng)之間的交互影響進(jìn)行深入的研究。通過研究分析，采用新技術(shù)、制定新措施，在充分發(fā)揮光伏電源作用的同時，將光伏電源和配電網(wǎng)交互的不利影響減到最小。

分布式光伏電源和配電網(wǎng)之間的交互影響，包括光伏電源對配電網(wǎng)的影響和配電網(wǎng)對光伏電源的影響兩方面，本文將重點(diǎn)闡述分布式光伏電源接入后對配電網(wǎng)的影響。光伏電源對配電網(wǎng)的影響包含：升高接入點(diǎn)電壓、引起電壓波動、注入電流諧波和直流分量、直流側(cè)接地故障、對短路電流的貢獻(xiàn)、非正常孤島、對配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、規(guī)劃和營運(yùn)的影響和提供輔助功能等。下面將從這7個方面對配電網(wǎng)絡(luò)的影響進(jìn)行詳細(xì)討論。

1 對電壓的影響

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)，其電壓被抬高多少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)。對于配電網(wǎng)的電壓調(diào)整，合理設(shè)置光伏電源的運(yùn)行方式很重要。在午間陽光充足時，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。如果接入點(diǎn)是在饋電線路的末端，接入點(diǎn)的電壓很可能會越過上限，這時必須合理設(shè)置光伏電源的運(yùn)行方式，如規(guī)定光伏電源必須參與調(diào)壓，吸收線路中多余的無功。在夜間重負(fù)荷時間段，光伏電源通常無出力，但仍可提供無功出力，改善線路的電壓質(zhì)量。

光伏電源對電壓的影響還體現(xiàn)在可能造成電壓的波動和閃變。由于光伏電源的出力隨入射的太陽輻照度而變，可能會造成局部配電線路的電壓波動和閃變，若跟負(fù)荷改變疊加在一起，將會引起更大的電壓波動和閃變。雖然目前實際運(yùn)行的光伏電源并沒引起顯著的電壓波動和閃變[2－3]，但當(dāng)大量并網(wǎng)光伏電源接入時，對接入位置和容量進(jìn)行合理的規(guī)劃依然很重要。

2 對短路電流的貢獻(xiàn)

通常認(rèn)為在配電網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)生短路時，接入到配電網(wǎng)絡(luò)中的光伏電源對短路電流貢獻(xiàn)不大，穩(wěn)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(hù)一般采用過流保護(hù)加熔斷保護(hù)。對于高滲透率的光伏電源，饋電線路上發(fā)生短路故障時，可能由于光伏電源提供絕大部分的短路電流而導(dǎo)致饋電線路無法檢測出短路故障。

1999 年，IEA－PVPS－Task－5[4]（國際能源署中的光伏技術(shù)工作組）在日本曾用4個不同廠家控制電流注入的逆變器連接到一個配電網(wǎng)上的柱式變壓器，然后在變壓器另一側(cè)進(jìn)行短路試驗。試驗表明，短路電流上升不超過故障前的2倍，1～2 個周波就隔離了故障。此外， 日本還對一個200 kWp 的光伏電源系統(tǒng)進(jìn)行短路試驗， 研究發(fā)現(xiàn)：短路電流經(jīng)過變壓器后，電流變小，變壓器過流保護(hù)不動作。2003 年， 美國的 NERL[5]（美國可再生能源國家實驗室）曾做過關(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 13．2 kV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(hù)特性。結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)生單相和三相故障時，以逆變器方式接入的分布式電源對短路電流的貢獻(xiàn)很小，短路電流主要來自主網(wǎng)，甚至比5MW感應(yīng)電機(jī)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(xiàn)不大的結(jié)論。

3 非正常孤島

隨著在配電網(wǎng)絡(luò)中有越來越多的分布式電源接入， 出現(xiàn)非正常孤島的可能性也越來越大， IEC[6]在1998 年曾用“故障樹理論”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[7]曾 用 “故 障 樹理論”分析光伏電源的非正常孤島。在考慮光伏電源滲透率達(dá)6倍夜間負(fù)荷的極端情形下，發(fā)現(xiàn)非正常孤島導(dǎo)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(dāng)， 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給系統(tǒng)增加實質(zhì)性的觸電風(fēng)險。同時，對荷蘭地區(qū)一個典型低電壓住宅區(qū)的配電網(wǎng)絡(luò)就光伏電源系統(tǒng)發(fā)生孤島的可能性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)光伏電源發(fā)生非正常孤島運(yùn)行的可能性低于10－5～10－6次/年， 幾乎為零。 因此， 認(rèn)為在住宅區(qū)大量接入光伏電源導(dǎo)致發(fā)生非正常孤島的可能性很小。 2006 年， DISPOWER[8]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(jiān)控的光伏電源逆變器進(jìn)行了測試，結(jié)果表明當(dāng)電網(wǎng)在一般低阻抗情況下運(yùn)行時，效果理想；當(dāng)電網(wǎng)在高阻抗不理想的情況下運(yùn)行時，光伏電源逆變器檢測電網(wǎng)阻抗變化精確度比較差，目前還沒有很好的解決方案來滿足德國對光伏電源反孤島策略的標(biāo)準(zhǔn)要求。

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)險可控制在合理的范圍內(nèi)，并不會使系統(tǒng)發(fā)生非正常孤島風(fēng)險的可能性有實質(zhì)性增加，因而發(fā)生非正常孤島不會成為妨礙光伏電源等分布式電源接入的一個技術(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(dǎo)致旋轉(zhuǎn)電機(jī)及發(fā)電機(jī)發(fā)熱、變壓器發(fā)熱和磁通飽和、造成保護(hù)系統(tǒng)誤動作、對通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾和系統(tǒng)噪音等。

光伏電源逆變器產(chǎn)生的諧波來源主要有2個： 50 Hz參考基波波形不好產(chǎn)生的諧波和高頻開關(guān)產(chǎn)生的諧波。諧波之間的相位差、配電網(wǎng)的線路阻抗以及負(fù)荷都能消除部分諧波。當(dāng)光伏電源逆變器生成正弦基波時，可以部分補(bǔ)償配電網(wǎng)的電壓波形畸變，但會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)時就會明顯出現(xiàn)上述現(xiàn)象。當(dāng)光伏電源逆變器檢測配電網(wǎng)電壓來生成參考基波時，光伏電源逆變器可以輸出很好的正弦波電流，但是無法補(bǔ)償配電網(wǎng)的電壓波形畸變。

1998 年， IEA-PVPS-Task-5[9]曾經(jīng)對丹麥 的一個 80%家庭都安裝有光伏電源的住宅區(qū)進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)光伏電源對當(dāng)?shù)氐闹C波貢獻(xiàn)有限，還不如家用電器造成的諧波多。因此，研究者認(rèn)為：對于具有相對較高短路容量的饋電線路和局部高滲透率的光伏電源接入的情況，均有此普遍現(xiàn)象。 1999 年， IEA-PVPS-Task-5[4]曾在日本對多光伏電源接入到同一配電變壓器（住宅區(qū)柱式變壓器）中的諧波進(jìn)行測試，使用了多個廠家和多個型號的逆變器。測試結(jié)果表明， 同類型的逆變器（內(nèi)在電路和控制策略一致）會造成特定次數(shù)的諧波疊加，不同類型的逆變器可能會相互抵消諧波的注入。 英國也在 1999 年做過類似的測試[10]，測 試 結(jié)果表明：高次諧波衰減很快，低次諧波的變化情況比較復(fù)雜。在強(qiáng)網(wǎng)中諧波畸變一般是個常值，而弱網(wǎng)中的諧波畸變一般隨接入的光伏電源逆變器個數(shù)增加而加重。當(dāng)饋電線路阻抗值較大時，可使諧波衰減明顯。為了防止特定次數(shù)的諧波產(chǎn)生共振，有必要限制光伏電源逆變器的容量。在實際運(yùn)行中，光伏電源注入的諧波電流一般都能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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、 計量儀表等造成不利影響，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作和造成變壓器磁通飽和、發(fā)熱、產(chǎn)生諧波和噪音等。

現(xiàn)在，許多并網(wǎng)光伏電源逆變器都采用隔離變壓器來抑制直流分量的注入。有些國家明確規(guī)定要以帶隔離變壓器的方式接入，而有的國家并無此項強(qiáng)制性規(guī)定。但近十幾年來，由于技術(shù)的進(jìn)步，去除隔離變壓器可帶來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(yīng)用越來越廣泛。 采用脈寬調(diào)制（Pulse-width modulatim， 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(dāng)配電網(wǎng)電壓含不平衡的正序和負(fù)序分量時， 會對采用 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有統(tǒng)一的規(guī)定。 英國[11]的研究建議是每相不超過等同于5%的諧波畸變值，或者是每個光伏電源注入到典型的 500 kVA 配電網(wǎng)變壓器的直流分量不能超過 40mA。美國的規(guī)定是不超過每相電流有名值的 0.5%[12]。

6 對配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、規(guī)劃和營運(yùn)的影響

隨著越來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(jié)構(gòu)和控制方式可能會發(fā)生很大的改變，這種改變帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇將要求電力網(wǎng)絡(luò)從設(shè)計、規(guī)劃、營運(yùn)和控制等各方面進(jìn)行升級換代。

在可以預(yù)見的將來，大量被消費(fèi)的電能將來自于低壓配電網(wǎng)絡(luò)，提前對配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電流的逆向和正向的流動。另外，大量分布式光伏電源接入到配電網(wǎng)中后，用戶側(cè)可以主動參與能量管理和運(yùn)營，使傳統(tǒng)配電網(wǎng)運(yùn)營費(fèi)用模型不再適用。因此，一方面面臨電力市場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(hù)和補(bǔ)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越大的壓力。 近些年， 一些專家學(xué)者提出了模擬電站[13]和微網(wǎng)[14]概念， 可運(yùn)用到分布式光伏電源管理中，把有功出力具有隨機(jī)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(dāng)今的電力生產(chǎn)和傳輸框架內(nèi)。

7 提供輔助功能

現(xiàn)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(jié)合后，可以參與到配電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，為重要負(fù)荷提供 UPS功能。如在光伏電源逆變器的直流側(cè)配備儲能裝置（如蓄電池和雙層電容等），當(dāng)光伏電源逆變器饋送有功出力到電網(wǎng)時，還可以參與配電網(wǎng)的電壓和頻率調(diào)節(jié)，在配電網(wǎng)電壓和頻率跌落時，增加有功出力，當(dāng)配電網(wǎng)三相電壓不平衡時，光伏電源逆變器可針對性地送出三相不平衡電流，部分補(bǔ)償配電網(wǎng)三相電壓不平衡，吸收饋電線路多余的部分無功或者輸送饋電線路缺乏的部分無功。另外，光伏電源還可驅(qū)動水泵進(jìn)行抽水儲能，為電網(wǎng)提供黑啟動電源等。

8 結(jié)語

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(shè)計、規(guī)劃、營運(yùn)和控制都要升級換代來適應(yīng)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，有必要深入開展其對配電網(wǎng)影響的研究。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，才能使大量分布式電源接入配電網(wǎng)后能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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

[2]SJEF C．Impact of Photovoltaic Generation on Power Quality in Urban Areas with High PV Population[R/OL]．Jul．2008．http∶//www．pvupscale．org．

[3]FARID K．Integration of Photovoltaic Power Systems in High －Penetration Clusters for Distribution Networks and Mini－Grids[OL]．Jan．2009．http∶//canmetenergy－canmetenergie．nrcan－rncan．gc．ca/eng/renewables．

[4]IEA －PVPS T5 －02∶Demonstration Test Results for Grid Interconnected Photovoltaic Power Systems[R]．1999．

[5]NREL/SR－560－34635．DG Power Quality,Protection and Reliability Case Studies[R]．2003．

[6]IEC 61508∶Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety Related Systems[R]．1998．

[7]IEA －PVPS T5 －08∶2002c．Risk Analysis of Islanding of Photovoltaic Power Systems Within Low Voltage Distribution Networks[R]．2002．

[8]DISPOWER．State －of－the －Art Solutions and New Concepts for Islanding Protection[R]．2006．Available at http∶//www．dispower．org．

[9]IEA －PVPS T5 －01∶Utility Aspects of Grid Connected Photovoltaic Power Systems[R]．1998．

[10]Halcrow Gilbert．Coordinated Experimental Research Into power Interaction with the Supply Network–Phase 1[R]．1999．http∶//www．dti．gov．uk/publications．

[11]National Rural Electric Cooperative Association．Application Guide for Distributed Generation Interconnection∶2003 Update－The NRECA Guide to IEEE 1547[R]．Resource Dynamics Corporation．Apr．2003．

[12]University of Strathclyde,Et al．DC Injection into Low Voltage AC Networks[R]．Jun．2005．Available at http∶// www．dti．gov．uk/publications．

[13]CHRISTIAN S．Virtual Power Plantswith Combined Heat and Power Micro－units[C]．2005 International Conference on Future Power Systems,2005．

[14]LASSETER R．Microgrids[C]．Proceedings of 2001 IEEE Power Engineering SocietyWinter Meeting．2001．

（本文編輯：龔 皓）

A Study on the Im pact of the Large-scale Distributed Photovoltaic Power on the Distribution Grid System

ZHAO Bo
（Zhejiang Electric Power Testand Research Institute，Hangzhou 310014，China）

The photovoltaic power is gaining momentum and developing fastest among the distributed power generation technologies.The distributed photovoltaic power is connected to the distribution grid through the inverter.And it is stochastic and different from the traditional power plants.So it is necessary to study the impact of distributed photovoltaic power on the distribution grid.In this paper,the impact of distributed photovoltaic power on the distribution grid is discussed in detail in seven aspects to provide a reference for intensive study in future.

distribute； photovoltaic power；distribution grid； impact

TM715

： A

：1007-1881（2010）06-0005-04

2010-01-12

趙 波（1977-）， 男， 貴州遵義人， 博士， 高級工程師，主要研究方向為配電網(wǎng)規(guī)劃和分布式發(fā)電系統(tǒng)等。