分布式光伏并網發電對配電網的影響以及應對調整策略

郭 劍，徐劍楠

（杭州國電能源環境設計研究院，杭州 310030）

隨著化石燃料的大量消耗，能源短缺以及環境污染問題日益嚴重，制約了人類經濟和社會的可持續發展。太陽能作為一種零污染、可再生資源，是化石燃料理想的替代能源。近幾年，世界光伏發電迅速發展，其中，以分布式電源形式接入配電網的并網光伏系統占主導地位，并有大規模發展的趨勢。

分布式發電是指發電功率在數千瓦至幾十兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近，高效的、可靠的、無污染的發電單元。據統計，目前全世界發電量80%以上來自不可再生能源，其中燃煤發電占40.8%,燃氣發電占20.0%,燃油發電占5.8%,核電占14.7%,可再生能源發電中除了水電占16.4%以外，分布式能源如太陽能發電、風電、生物質能等總共還不到3%[1]。隨著世界經濟的發展和能源環境問題的不斷突出，分布式電源的優越性將越來越受到關注，其位置靈活、分散的特點極好地適應了分散的電力需求和資源分布，緩解了輸、配電網升級換代的巨額投資帶來的壓力，同時它與大電網互為備用，也使供電可靠性得以改善。

1 分布式光伏發電的發展和現狀

太陽能照射范圍廣，能源總量巨大且清潔無污染。光伏發電作為太陽能的有效利用方式之一，地理位置上不受限制，同時光伏電池能與建筑物緊密結合，不額外占用土地資源，安裝靈活，能最大限度接近本地負荷，并且運營時不污染環境，無噪聲。初期的光伏電池光電轉換效率很低，制作成本高，科學技術工作者一直致力于光伏電池光電轉換效率的提高和生產成本的降低。光伏發電系統躋身世界能源舞臺，形成初具規模的光伏發電產業則是從20世紀70年代中后期開始的，隨后光伏發電技術不斷發展，光伏發電系統生產及建設成本持續降低，引起世界各國特別是工業發達國家的普遍重視，各國政府針對光伏發電產業紛紛制定了發展規劃，并增加研發投入。最近在能源危機頻發及環境保護雙重壓力下，太陽能光伏發電系統由于無需燃料和無污染，得到了迅猛發展，成為全球增長速度最快的高新技術產業之一。

光伏發電系統按發電形式可以分為離網型和并網型2種，其中并網型發電己成為光伏發電市場的主流，占到世界光伏發電市場的80%以上，并網型光伏發電市場分布如圖1所示。

圖1 世界光伏發電裝機總量

2 光伏接入對配電網的影響

分布式光伏電源受太陽轄照度和溫度的影響，其輸出功率具有一定的不連續和不確定性，此外，光伏發電系統的輸出功率還具有很強的變化周期，這會對電網產生周期性沖擊[2]。光伏發電系統理想情況下的日出力隨著太陽輻射的變化呈現先增后減的特點，中午時達到峰值。晴朗天氣時，正午出力最大值可以達到裝機容量的60%～90%。不同的天氣情況也會對光伏發電系統的出力造成影響。陰雨多云或者沙塵暴等天氣條件下，光伏發電系統的出力會急劇下降，這給光伏發電系統的出力帶來了很大的不確定性。圖2中給出了晴朗、多云、陰雨這3種天氣情況下的光伏發電系統出力占額定出力的百分比曲線。

圖2 不同天氣下光伏發電系統的出力百分比曲線

當分布式光伏并網發電系統接入配電網運行時，常會引起以下問題。

2.1 對潮流分布的影響

對于傳統輻射狀配電網，其用戶側無任何電源接入，分布式光伏電源接入后，電網由福射式變為多電源網絡，潮流將不再是單向地由變電站母線流向各個負荷，而可能會出現逆流，出現多種復雜的電壓分布情況。分布式光伏電源的接入位置、接入容量及網絡結構等因素決定了潮流的大小和方向，此外，分布式光伏電源受太陽轄照度、溫度等自然條件的影響較大，隨機性明顯，輸出功率的不確定性會導致并網后的各種負荷分布情況交替出現，使系統潮流也具有一定的隨機性[3]。

2.2 對電能質量的影響

分布式光伏電源接入配電網對電能質量的影響主要表現在電壓偏差、電壓波動與閃變及電力諧波等方面。

（1）電壓偏差

穩態運行狀態下，傳統配電網各負荷點的電壓沿線路潮流方向逐漸降低。分布式光伏電源接入后，將改變配電網的潮流分布，甚至可能出現逆向潮流。由于分布式電源的接入，使饋線上的傳輸功率減小，導致各負荷點處的電壓升高，這會對各負荷點的電壓偏差造成影響。此外，分布式光伏電源的輸出功率受太陽輻照度影響很大，會隨著太陽輻照度的變化不斷發生變化。由于配電網中除了通過投切電容電抗器調節電壓外，一般很少配備其它的動態無功調節設備，如果光伏出力所占比例較大，其出力的易變性將使配電線路上的負荷潮流也極易產生波動，從而加大了電網正常運行時的電壓調整難度，調節不好會使電壓超標。

（2）電壓波動與閃變

由于分布式電源的并入，增加了系統短路容量，從而加強了系統電壓強度，可抑制和削弱區域配電網內出現的電壓波動，但在分布式光伏電源投入運行和退出系統的過程中，可能造成較大的系統電壓波動：①分布式光伏電源的啟動和停運與政策法規、用戶需求、電力市場等眾多因素有關，分布式電源的不規則啟停容易導致其輸出功率波動，進而引起配電網的電壓波動；②分布式光伏電源的輸出受自然條件，如：太陽轄照度、溫度等環境因素影響，環境的劇烈變化也會導致其輸出功率的波動，引起電壓波動。

（3）諧波污染

光伏陣列的直流電經逆變器轉換為交流電并入電網時會產生諧波，對交流電網造成諧波污染。當配電網接入的光伏容量較小時，如果濾波器的設計良好，一般能將高次諧波對電網的諧波污染控制在規定范圍內。但是,隨著光伏并網發電的逐步推廣和光伏發電量占電網總發電量比例的不斷上升，多個諧波源的互相疊加，總諧波含量有可能超出電能質量規定的范圍。

（4）產生孤島效應

當電力公司因供電故障、停電維修或事故而停電時,各用戶端的分布式光伏電源有可能與周圍負載構成一個不受電力公司掌握的自給供電孤島，即所謂的孤島效應。隨著分布式光伏并網系統的不斷推廣,孤島效應產生的概率也將不斷增加。通常情況下，孤島效應對配電網及其用戶造成的影響有：①孤島區域供電電壓和頻率不穩定；②恢復供電時,因相位不同步而可能對電網造成沖擊；③當切換成孤島方式，依靠光伏并網發電系統供電時，如果該供電系統內無儲能元件或其容量太小，會使用戶負荷發生電壓波動與閃變；④光伏供電系統形成孤島后，脫離了原有的配電網，若其原來為單相供電模式，則可能造成配電網內三相負荷不對稱情況，從而影響其他用戶的電壓質量。

（5）其他方面的影響

分布式光伏電源接入配電網后，除了會對配電網的潮流、電能質量等產生影響外，還會對配電網設計、規劃和營運、運行的穩定性、繼電保護等產生影響。

3 分布式光伏電源接入配電網準則

按照《分布式光伏電源接入配電網規劃設計技術導則》的規定，分布式光伏電源接入配電網應遵循以下幾項基本準則。

3.1 就地消納

應明確分布式光伏電源（distributed photovoltaic，PV）電力消納范圍及相應區域范圍內的負荷容量，做好負荷預測及光伏發電的出力情況預測。PV年發電量必須小于自身負荷的年用電量，且應以就近消納為主，避免遠距離輸送。

3.2 準入容量和電壓等級限制

PV的接入容量應限制在8 MW以下，并保證各種工況下所發電力在接入電壓等級消納，嚴禁升壓至高一級電壓的電網。非儲能型光伏電站的接入容量一般不宜超過配電網總容量的30%；對于儲能型光伏電站，其接入容量可根據儲能裝置的容量和類型適度放寬。此外，光伏電站的接入容量與配電網的電壓等級相適應。其中，總容量低于20 kW的宜接入低壓單相電網；總容量介于200 kW～8 MW的光伏電站宜接入10 kV或20 kV電壓等級配電網。

3.3 并網同步

PV接入配電網時，其相位、頻率必須和電網電壓同步，在系統和電網閉合之前還必須使電壓幅值跟蹤電網電壓。分布式電源入網前，頻率、電壓與相位必須符合表1所示的要求才允許并網。

表1 分布式電源并網要求

4 分布式光伏電源對配電網電壓影響的對策

4.1 現行調壓方式的不足

分布式光伏電源接入配電網會使線路的電壓升高或者越限。當光照不足，分布式光伏電源低功率運行或退出運行時，對于依靠其支撐電壓的線路又會出現電壓過低等電能質量問題。因此要保證分布式光伏電源在投入和退出運行時，配電網電壓都能滿足電壓偏差要求，就必須考慮電壓調節措施。常用的調壓方法是改變變壓器變比調壓，但對于分布式光伏電源接入情況，并不都能滿足調壓要求，或者說調壓效果不夠理想，因此需要采用新的調壓手段，如采用靜止無功補償裝置（static var eompensator,SVC）、新型靜止無功發生器（advanced static var generator,ASVG）。相對于改變變比調壓，新的調壓手段更靈活，但投資相對較高。本文在考慮調壓效果和經濟性的同時，在盡可能保持變比不變的情況下，通過改變分布式光伏電源的接入位置或接入方式實現調壓要求。

4.2 電壓調整建議

配電網的電壓調整是個較為復雜的問題，整個配電網各個節點運行條件不同，電壓調整需要根據具體情況選用合適的調壓方法才能達到目的。考慮實際含有分布式光伏電源的配電網，通常是在電網結構、設備已經固定的情況下接入分布式光伏電源，往往是先根據地區的太陽轄照情況和建筑面積規劃光伏電源，再研究其對電網電壓的影響。本文建議在不改變配電網結構和設備的前提下達到調節電網電壓的目的。

（1）通過調節變壓器變比來調節線路的電壓分布，使整條線路的電壓在供電電壓偏差允許的范圍之內，必須保證調節變比后，在光伏電源投入運行和退出運行2種情況下，電壓均能符合要求。實際運行中，往往不能通過一次調節變壓器變比使所有時刻的電壓都不超過電壓偏差限值。此外，若實際中使用無載調壓變壓器，單憑改變分接頭調壓不一定都能使電壓滿足要求，也不便于實際應用，這就需要使用有載調壓變壓器。

有載調壓變壓器能夠帶負載調壓，調壓速度快且調壓范圍較大，可以達到15%以上。但有載調壓變壓器的開關和結構復雜，制造工時和材料增多，成本較高，因此需要改變PV的接入位置，盡可能使接入點電壓不超過限值。

（2）改變分布式光伏電源的接入位置調壓。光伏出力隨著太陽輻照度的增強而增加，隨著光伏出力的不斷增加，光伏接入點上游線路的潮流逐漸減小，甚至會出現逆流，整條線路電壓的變化趨勢可能有2種：先降低后升高再降低或先升高后降低。這2種情況下，光伏接入點為整條線路的極大值點，只需調整接入位置，使光伏接入點電壓不超過供電電壓偏差規定范圍，就可使整條線路電壓符合要求。當太陽轄照度最強時，PV出力最大，對電壓的提升幅度最大。因此，只要保證光伏出力最大時，光伏接入點的電壓符合電壓偏差要求，就可以保證該點電壓在其它出力情況下電壓保持在電壓偏差規定的范圍內。

（3）整體調整策略。實際情況下，對于不同的接入容量的PV，僅通過一種調壓方式往往不能達到調壓要求，此時就需要將改變PV的接入位置和調節變壓器變比2種調壓方式結合。因為改變PV的接入位置，不但可以調壓，還可以降低電壓的峰谷差，使線路的電壓分布趨于均勻，所以首先改變PV的接入位置進行調壓，若電壓符合電壓偏差要求，則無需調節變壓器變比，若不符合，則通過改變變壓器分接頭來實現調壓。如果前2種方式均不能使線路電壓滿足要求，就需使用有載調壓變壓器。

5 結束語

分布式光伏電源接入配電網會改變配電網的潮流分布，對配電網電能質量各個方面產生很大影響。針對目前飛速發展的分布式光伏發電技術接入配電網運行后在電能質量方面遇到的諸多問題，本文詳細分析了分布式電源接入對電網的影響，并提出了相應的電網調整策略。

[1]陳樹勇，鮑海，吳春洋，等.分布式光伏發電并網功率直接控制方法[J].中國電機工程學報,2011,31（10）：6-11.

[2]趙波，張雪松，洪博文.大量分布式光伏電源接入智能配電網后的能量滲透率研究[J].電力自動化設備,2012，32（8）：95-100.

[3]王震，魯宗相，段曉波，等.分布式光伏發電系統的可靠性模型及指標體系[J].電力系統自動化,2011,35（15）：18-24.