光伏接入對配電網電能質量的影響

葉偉銓

【摘 要】隨著社會對清潔能源的需求越來越大，光伏發電商業投資規模不斷擴大，光伏發電的裝機總容量以及接入點不斷增加，光伏發電有關特性對配電網的安全運行以及電能質量產生了一定影響，成為制約光伏發電容量和規模的一道障礙。因此，為使光伏能有序接入電網并發揮最大的優勢，研究光伏接入對配電網電能質量的影響顯得十分重要。

【關鍵詞】光伏發電；配電網；電能質量；光伏并網

中圖分類號： TM711 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）17-0030-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.014

【Abstract】With the increasing demand for clean energy， the scale of commercial investment in photovoltaic power generation continues to expand， the number of total installed capacity and access point of photovoltaic power generation are increasing. Because of the characteristics of photovoltaic power generation， there is a certain impact on the safe operation of the distribution network and the quality of power which has become one of the restrictions on the capacity and scale of photovoltaic power generation. Therefore， it is very important to study the impact of PV electric on the power quality of distribution network in order to make photovoltaic power orderly access to the grid and give full play to its advantages.

【Key words】Photovoltaic Electric； Distribution Network； Power Quality； Photovoltaic Grid-connected System

隨著我國人民生活水平的提高和經濟的發展，用電負荷不斷創新高，電力資源的需求日趨上升，而且對清潔能源的需求也越來越大。清潔能源分布式發電技術作為傳統供電模式的一種補充甚至替代被提出。分布式發電技術有別于傳統供電方式的集中發電、跨地區長距離傳輸、大互聯網絡的特征，并網功率在幾萬到幾十兆瓦范圍內，設備建設在用電重負荷地區附近。光伏發電作為分布式發電技術的代表，早以進入了人們的視野，從路邊的電動車太陽能充電棚到普通居民屋頂的小型太陽能發電板，甚至廠房棚頂的大規模光伏發電板。光伏發電利用可再生、無污染的太陽能進行發電，其安裝不受地域限制，安裝容量可以根據客戶需求以及空間進行定制。

1 光伏發電類型

目前市場上主流的的光伏發電類型主要為以下三種：

（1）獨立光伏發電系統

獨立光伏發電是指脫離大電網的支持，離網、獨立地為用電負荷進行供電。一般安裝容量為千瓦級以上，可以單獨為某一用電地區或者機構供應全部的用電量，是我國商業光伏發電持續增長的主要應用案例。

（2）并網光伏發電系統

并網光伏發電系統指通過光伏發電板以及電網共同向用戶供電的光伏發電模式，并網逆變器將光伏發電板輸出的直流電轉換為符合供電標準的交流電上網。當前廠房頂棚光伏發電系統是此類系統的典型案例。

（3）屋頂發電

屋頂發電是適合普通居民或者商業大廈用戶的發電模式，將光伏發電與建筑物設計巧妙融合，減少了前兩者發電方式的占地面積，在土地資源緊張的市區用電區域提供清潔的能源。其發出的電量除了供給用戶設備使用外，多余的電量可以上網銷售，既提高了能源的利用效率，也增加了經濟效益。

綜上所述，上述三種光伏發電模式中并網發電系統備受矚目，被譽為未來光伏發電應用的主流。并網發電系統可以根據并網位置不同，分為集中式并網與分布式并網。集中式并網的接入位置一般分布在電網系統側，發出的電量直接上網，由電網統一調度，不直接給用戶負荷使用；分布式并網的接入位置則比較分散，通常分布在用戶附近，可直接為用戶負荷供電，多余電量或者負荷缺口可以通過外部電網適度調節。

并網發電系統作為未來的主流應用方向，本文接下來的討論將圍繞并網發電系統。

2 配電網電能質量標準

電能質量標準是衡量供配電可靠性的關鍵指標，評價電網供給用戶側的交流電能的品質。理想情況下，配電網用電設備按照額定頻率（50Hz）和額定電壓的標準正弦波形的方式為用戶提供電能，并且要求三相電壓和電流對稱，即各相電壓和電流幅值相等，相位相差120度。但在實際使用環境下，配電網系統側和用戶側存在各種非線性元件設備、干擾以及故障等原因，很難實現理想的情況。根據中國1990年以后頒發、修訂的電能質量標準，上網電能量質量標準包含電壓偏差、頻率偏差、電壓波動和閃變、諧波、三相不平衡、電壓暫降等內容。

（1）電壓偏差

電壓偏差指某一時間段內，電壓幅值緩慢變化而偏離額定值的比例，以實際電壓值與額定值之差或其百分比值來表示。電壓偏差超過允許范圍時，供用電設備會因過壓或過流而損壞。電網電壓過低也造成線損上升，降低了電網運行的經濟性。根據有關條例規定，10kV及以下用戶端三相供電電壓，允許偏差為額定電壓的-7%至+7%；220V單相用戶端供電電壓偏差為額定電壓的-10%至+7%。

（2）頻率偏差

頻率偏差指電網實際頻率與額定頻率之間的差值或差值與額定值之間的百分比值。電網頻率過高或過低，會導致系統內有關損耗升高，從而降低經濟性。不符合規定的電網頻率也會引起動力設備的轉速的改變，影響有關工業制品的質量。根據有關條例規定，系統容量較小時，允許偏差為正負0.5Hz。

（3）電壓波動

電壓波動指某一段時間內電壓急劇變化而偏離額定值的現象。通常以電壓變化速率大于1%時為 電壓急劇變化。電壓波動以電壓急劇變化過程中相繼出現的最大值和最小值之差表示。一般情況下，電壓波動是由于配電網中有沖擊性大負荷接入或退出引起的。根據有關條例規定，10kV以下系統為2.5%。

（4）諧波

理想工況下，配電網電壓波形應為標準正弦波，但由于系統內存在大量具有鐵芯結構的設備或者整流裝置、電弧爐等，這些干擾源運行時會對系統注入可觀的諧波，引起電壓正弦波形畸變。諧波增加了配電網系統中的功率損耗，可能沖擊繼保設備引起誤動，以及增大感應式電能表的計量偏差等等。根據有關條例規定，公用電網10kV系統電壓總諧波畸變率為4%；220V為5%。

（5）三相電壓不平衡

理想三相交流系統中，三相電壓值應相同，并且互成120度相角。但由于故障、負荷不對稱等因素，實際系統并不能做到完全平衡。三相不平衡意味著存在負序分量，使電動機產生振動力矩并發熱，嚴重時則會引起繼保誤動。三相不平衡的程度以電壓負序分量與正序分量的均方根的百分比值來表示。

（6）電壓暫降

電壓暫降指供電電壓的有效值短時間暫時下降的現象。引起電壓暫降的原因主要是電網發生短路故障，一些用電設備啟動或者突然負荷上升。實際系統中，電壓暫降發生的頻率比停電事件要高得多，而且經歷時間短，事故原因難以調查，處理困難較大。

3 光伏并網對配電網電能質量的影響

與傳統能源相比，并網光伏發電系統只在白天并網情況下輸出有功功率，其利用效率比較低，而且分布式光伏發電基于天氣情況的隨機性、間歇性以及頻繁投退等特性也會給電網帶來運行風險。光伏發電設備中使用的電力電子轉換裝置也會給配電網帶來大量的諧波污染以及無功損耗。如不考慮上述因素影響，光伏發電有可能導致配電網的供電質量大打折扣，對配電網的安全運行造成潛在風險以及不可挽回的后果。光伏并網能為系統提供電壓支持，但是也會使配電線路有功、無功發生一定變化，隨之而來的是系統潮流以及穩態電壓的變化，會導致電能質量的下降以及網損的升高，對配電網的安全性造成嚴重影響。

配電網安全運行需要保證電壓在允許正常范圍內，從而確保良好的電能質量。配電網節點電壓反映了該處無功的供需關系，電壓偏差的根本原因是系統無功出現不平衡現象。無功不平衡容易導致電壓超出正常運行范圍，嚴重影響配電網的安全以及經濟運行。當光伏滲透率超過最大運行允許值或者配電網系統輕載運行時，極容易出息逆功率現象，大幅度抬升該節點電壓，導致配電網潮流和運行方式的變化，也影響了繼保設備的動作正確率。分布式光伏系統由于經濟性原因選址離負荷中心有一定距離，配電線路越長，并網線路各節點電壓損耗就越大，電壓畸變也會更加嚴重，也會使電能質量造成很大影響。

光伏發電主要受到太陽輻射強度和溫度的影響，這些不可控且難以預測的因素造成了光伏發電的波動特性，也嚴重影響了接入的配電網的電能質量以及運行安全。當并網光伏輸出功率的波動水平達到一定程度時，配電網電壓也會隨之發生顯著波動，從而影響頻率也會發生變化。當光伏系統正常運行時，太陽輻射強度因云層或者其他原因突然減弱，光伏逆變器隨之進入輕載模式，對配電網注入大量諧波，引起電壓正弦波形畸變，功率損耗增加。陰天期間，光伏系統只能提供較少的功率甚至無功率輸出，機組將會停機脫網，頻繁的啟停機會對配電網造成很大沖擊以及影響設備壽命。

4 結束語

光伏發電作為未來清潔能源的發展方向之一，特別是作為城市地區最具有投資價值實用形式。但是光伏發電由于自身的不穩定性以及調度要求，對接入公用配電網的電能質量產生一定的影響。研究和討論光伏接入對配電網電能質量的影響能夠有效避免有關的事故，使光伏發電更加高效更加穩定。

【參考文獻】

[1]黃巍.電能質量約束下主動配電網光伏最大滲透率研究[D].北京交通大學，2016.

[2]袁龍.電力系統負荷轉供負荷研究[D].天津大學，2012.

[3]丁偉.王偉勝，王秀麗，等.大規模光伏發電對電力系統影響綜述[J].中國電機工程學報，2014，34（1）：1-14.

[4]康珍.高滲透率下光伏電源并網電能質量問題及其交互影響[D].長沙；湖南大學，2011.