分布式光伏發電并網系統的電能質量問題研究

譚笑 河海大學 江蘇 南京 211000 曠靈毓 國網湖南省電力有限公司衡陽供電分公司 湖南 衡陽 421001

1 引言

能源是人類生存和發展的重要基礎，是人類經濟及文化活動的動力來源。傳統的化石能源正在日趨枯竭，作為一種取之不盡、用之不竭且無公害的自然能源，太陽能開始被重視。太陽能直接利用有三種：光熱利用、光伏利用和光化學利用。其中太陽能光伏發電是最具發展前景的一種。

光伏發電是21世紀最重要、最具活力的新能源，到2030年光伏發電在世界總電力供應中的比例將達10%以上，到2040年將達20%以上[1]。根據光伏發電系統與電網的關系，可將其分為兩大類，即離網型光伏發電系統和并網型光伏發電系統。

光伏發電進入大規模商業化應用的必由之路，是將光伏系統接入常規電網，實行并網發電。光伏并網系統是目前光伏發電領域科研的熱點和主要方向。

但是大量的光伏發電并入電網也會給電網帶來一系列的問題，對電網的安全運行、電網調度及電能質量等產生影響，本文主要研究了其對電能質量的影響。

2 分布式光伏發電系統的概念與分類

分布式光伏發電是利用光伏組件將太陽能直接轉變為電能的發電方式，并且一定程度保證發電的穩定性、可靠性以及供給給配電網電能質量，是一種新型的、環保型且具有長遠發展前景的發電系統。

2.1 分布式光伏發電系統的分類

通常情況下，分布式光伏發并網發電系統主要分為三大類型：逆流型、非逆流型以及切換型。

(1）逆流型分布式光伏發電并網發電系統

如果有充分的太陽光照時，系統發電時所轉換成的電能容量不僅能夠滿足自身的用電需求，與此同時，會有充裕的電能剩余。自身所發電能容量過多時，可向配電網傳送；自身所發電能不足時，可從配電網中吸納的系統稱為逆流型系統。由于該系統中未安裝具有能量存儲的元器件，在發電時需要根據用戶的實際用電狀況來控制系統是工作在逆變狀態還是整流狀態。

(2）非逆流型分布式光伏并網發電系統

當太陽光照射不充分時，非逆流型分布式光伏并網與逆流型分布式光伏并網的工作方式相同，從配電網當中吸收部分電能。但是當其所轉換的電能容量充足時，非逆流型分布式光伏發電并網系統不將多余的電能輸送至配電網中，但由于其自身依然不具備電能存儲元件，多余的電能會得不到合理的利用。故進行非逆流型分布式光伏并網發電時，需要對用戶用電需求量大小進行準確計算，減少能量浪費。

(3）切換型分布式光伏并網發電系統

切換型分布式光伏發電并網系統進行太陽能向電能轉換工作時，具體切換動作主要取決于系統所處外部環境以及自身需求。

上述所提到的三種并網發電系統，其雖然在整體構架以及具體工作方式上存在一定的差異，但是其典型的基本結構以及工作原理大致相同。

2.2 分布式光伏發電系統組成

分布式光伏并網發電系統一般是由光伏電池板、逆變器、負荷和蓄電池等共同組成的一種發電系統。

(1）光伏陣列結構

光伏電池當單個處于工作狀態時，其發電量極為有限，其最大可傳送的功率約為1W，因此在實際運用過程中，將光伏電池通過電纜以及匯線盒等元件進行電池的串聯或者并聯，從而形成一個完整的組件系統，則為光伏陣列。

(2）控制器

自動防止蓄電池過充電和過放電的器件。由于蓄電池的循環充放電次數及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的控制器是必不可少的設備。

(3）蓄電池組

逆變器是一種實現直流向交流轉換的元器件，是蓄電池中的重要器件。根據逆變器所輸出電能的去向，可將其分為有源型逆變器以及無源型逆變器。多數情況下，無源逆變器主要被用于開關電路中進行工作，完成交流電向系統的傳送。而有源逆變器主要是被應用在進行脈沖寬度調制輸出時所產生的電流為正弦形式的開關電路中。在光伏式并網發電中，主要使用有源逆變器。

3 傳統集中式發電系統與分布式光伏系統關系

傳統的集中式發電系統具有規模大、耗資長等特點。分布式光伏發電系統規模較小，可以根據實際要求進行建設，建設區域選擇性較大，在未來能源綜合利用發展中有著很大的發展空間。傳統集中式發電與分布式光伏發電間的關系主要體現在以下幾方面：

（1）分布式光伏發電系統進行發電時，該發電系統可以直接安裝在負荷外側，系統發生故障或者意外災害時，可以持續為負荷供電，維持負荷的正常運行，是對集中式發電系統不可移動、安裝固定這一缺陷的彌補；

（2）在經濟欠發達地區，要建設集中規模的且范圍較大的輸配電網，不僅需要巨額資金和較長的建設周期，而分布式光伏發電系統其規模相對較小、且投資成本低，運行簡單，在一定程度上彌補了傳統集中式發電的局限性。

4 分布式光伏電網對配電網電能質量的影響

分布式發電系統對配電網的影響可以分為有益影響以及負面影響[5]。下面就兩方面影響進行分析。

4.1 有益影響

分布式光伏發電技術的采用，不僅將自然資源轉換成人類日常必不可少的資源，對整個社會以及用電用戶也帶來極大的好處，主要體現在以下幾方面：

第一，而分布式光伏電源，其規模較小，且可以分布在靠近終端負荷區域，從而避免了集中式發電的遠距離傳輸中的能源浪費。此外，如果配電網中所帶負載過大時，分布式光伏系統還可以為其供給功率，從而使得電網能夠正常穩定運行。

第二，在分布式光伏并網發電系統中配置具備存儲功能的元器件，不僅可以有效地將發電系統所轉換使用剩余能量進行存儲，避免能源浪費；另外，該裝置還可與發電系統的逆變器之間配合工作，實現分布式光伏發電系統頻率、電壓以及功率等的有效調節，同時還可以保證配電網電能質量的穩定性。

第三，分布式并網光伏發電系統的使用，有效地減少化石燃料的燃燒，因此，實現了真正的節能減排，進一步實現對全球生態環境的保護。

4.2 負面影響

由于太陽輻射具有隨機性、不穩定性以及間歇性等特性，因此光伏發電的輸出功率也存在不穩定等特性。同時，輸出電能時極易出現電壓波動、諧波污染等電能質量問題，不僅給配網電力用戶帶來損失，也影響了光伏電源的正常穩定運行。具體弊端主要體現在以下幾方面：

第一，分布式光伏電源進行電能輸出時，具有不穩定性以及間歇性。一旦分布式光伏電源與配電網間的負荷在協調過程中出現問題時，將會使得電網調壓的難度進一步增加。

第二，在一個呈放射形鏈式的低壓配電網中，如果分布式光伏系統所發電在電網中所占比例較高，一旦出現因為云層遮擋而發生的光照變化時，則會使得光伏系統出現電壓急速下降、閃變現象，甚至會對整個系統的正常發電工作的穩定性產生影響。但由于傳統調壓工具(變壓器以及電容器)不能對所出現的問題進行快速回應，因此，無法實現以上所述的過快頻率下的電壓變化調節工作。

第三，由于分布式光伏電源中包含許多電子開關，會使得電網中的電壓受到諧波污染。另外，如果配電網其電壓等級較低，且在配電網中分布式光伏電源所占比例極高，則還可能使得電壓出現諧波疊加等現象，從而嚴重影響配電網的正常工作。

第四，進行電網維修工作時，分布式光伏系統在某種情況下會同其周邊部分負載構成一個獨自工作的弧網，脫離原配電網。而孤島效應會使電壓及其頻率失去控制，一旦當分布式光伏發電系統失去對電壓及頻率調控能力，則會給維修人員帶來生命危險，同時也使系統的供電質量有所下降。

5 分布式光伏并網電能質量相關要求

分布式光伏電網在其工作狀態中存在間歇性以及不穩定性，在向配電網進行電力傳輸時，對配電網電影響主要有電壓波動、閃變以及諧波污染等多種，會降低配電網電能質量。電能質量決定了用電用戶使用電能時的穩定性、可靠性，因此，進行分布式光伏并網技術應用時，對于電能質量的要求主要體現在以下三方面：

(1）由于太陽輻射具有間歇性、不穩定性等自身特性，因此在進行光伏發電是，系統所輸出的功率大小極不穩定，為了對輸出功率進行實時監控，及時觀察輸出功率情況，需要在光伏發電站并網點處安裝電能質量檢測裝置，從而實現對電壓偏差、電壓波動、電壓諧波等方面的實時監測，從而判斷注入電網的直流量可否滿足要求，當其不滿足時，需采取加裝濾波裝置等措施進行治理。

(2）孤島效應，即當電網突然出現失壓現象時，光伏發電并網系統并未停止向鄰近配電網的部分線路的電能輸送，從而產生的效應。當發生了非計劃性孤島效應時，不僅會給線路維護人員造成人身傷害，也會導致電網的正常閉合閘門受到影響，從而無法對孤島效應中的電壓及頻率進行有效控制。在光伏發電站，為了避免發生孤島效應的發生，在發電站必須要具備能夠快速進行孤島檢測以及斷開孤島和電網連接的處理能力，另外，孤島保護需要和電網側路保護兩者相配合工作。

(3）為了保證光伏發電站在工作過程中的自身安全以及電網的運行安全，當光伏電站介入配電網中時，還要保證其功率以及電壓調節滿足相關電能要求，與此同時，還要求其滿足電網異常狀態下的響應特性要求、安全保護相關要求等。具體要求要參照國家電網公司或南方電網公司光伏電站接入配電站的具體規章制度。