光伏發電對配電網的影響分析

陳 華，朱啟航

（1.中電建裝備集團有限公司，湖北 武漢 430081；2.中電建武漢鐵塔有限公司，湖北 武漢 430024）

當前隨著社會經濟的發展和人民生活水的提升，人們對能源的需求越來越高。光伏發電以其清潔性、經濟性得到了突飛猛進的發展，各行各業也對其應用性開始深入的研究。隨著大規模光伏發電系統接入配電網中，配電網中的電壓、潮流分布、網絡損耗、運行特性都受到了一定的影響，因此研究光伏發電對配電網的影響變得更加有價值，更具有實際意義。

1 光伏發電發展狀況及相關研究

1954 年，美國科學家恰賓等在美國貝爾實驗室最早制成了實用的單晶硅太陽能電池，自此掀開了光伏發電的發展篇章，從1997 年美國提出“百萬屋頂”計劃到現在，是光伏發電發展最迅猛的階段。2001—2013年，全世界的PV 新增裝機容量呈持續增長趨勢，這10 余年的時間里，世界各國對光伏發電的導向直接影響了裝機容量，其呈現出了大幅度變化的波浪式發展趨勢。到2016 年，全世界的光伏發電裝機容量已達到305 GW，新增裝機容量為70 GW。美國、中國、日本、印度、英國和德國較其他國家相比，其光伏新增裝機容量占比較大。光伏發電產業近些年迅速發展的原因除了各國政府政策上的大力支持外，其科技進步帶來的光伏發電產業鏈經濟成本的大幅下降，更促使眾多客戶選擇了光伏發電，從而取代傳統的、大成本的火力發電等。

中國地域廣闊，為了給一些邊遠地區大范圍持續供電，需要建立較長距離的供電線路，這些都增加了線路的有功損耗，不利于現代電網的經濟運行，而這些地方具有很好的光照條件，例如內蒙古、西藏、新疆等，若是合理地利用其太陽能資源優勢，建立含光伏發電的配電網供電系統，就能在滿足環保供電的基礎上，大大減少電網的線路損耗，還能夠提高系統運行的穩定性。為此，中國從1958 年開始了對光伏發電的深入研究，并研制出了第一塊硅晶體，自此開始了中國的光伏發電革命。2005—2013 年，中國光伏發電的裝機容量呈現持續增長趨勢，其中，在2012 年光伏發電累積裝機容量達到了18.02 GW，在2016 年更是達到了77.42 GW，其裝機容量在全球的總裝機容量中以49.34%的比例占有首要位置，無疑是太陽能光伏發電大國。

現今社會是經濟與科技突飛猛進的新時代，而電力能源是社會生存與發展的重要保障，沒有電力系統的支撐，全球的大多數產業都將處于癱瘓狀態，嚴重阻礙經濟的發展，且影響人們的生活。據有效統計，全球約90%的產業是依賴大電網以集中方式進行電力傳輸的，但是這樣的供電方式缺乏一定的可靠性，其主要原因是電力系統中的小范圍停電故障會直接影響到系統的穩定運行，其中系統的孤島運行更是直接影響系統頻率，有可能引起電網大面積的停電，甚至導致電網的崩潰，而光伏發電方式能夠改善此種情況。通常的集中供電多是采用不可更新資源進行較遠距離的電力傳輸，雖然這樣提供了強大的電力供應，但是其帶來的環境污染和一次性能源危機不容忽視。基于此，太陽能光伏發電以其環保、節能、大規模、靈活性，并且可以以分布式發電方式接入到電力系統中等諸多優點在現今電力行業中突顯出來。

在配電網絡中，太陽能光伏發電多數以分布式電源的形式接入到網絡中，這樣的接入方式區別于大電網的集中供電方式，其配置是功率為數千瓦至幾十兆瓦小規模的電源供電模塊，能夠兼容于配電網的獨立發電模塊。光伏發電和風力發電、火力發電、水力發電相比較，其系統結構簡單，所需設備少，投入資金少，占地面積小，更能滿足分布式發電的條件，得到了國內外專家以及學者的高度重視。

2 并網光伏發電系統的簡介與構成

2.1 并網光伏發電系統的簡介

太陽能光伏發電的原理是通過光伏板中的單晶硅及電力電子設備將自然界中光能轉換為電網中電能的過程。隨著電網的建設發展和技術水平的提高，光伏發電已經成為除了火力發電和風力發電以外第三大發電主體，給新能源發電領域帶來了更多機遇和挑戰。目前光伏發電并網主要有以2 種形式：一種是光伏發電運行在獨立于電網的孤網中，另一種是光伏發電運行在公共電網中。

光伏發電運行在獨立的孤網中也叫離網光伏發電系統，這種光伏發電系統多建于電網末端或者經濟發展比較落后的地區，該類地區負荷較低，并且不便于電網通過輸電設備進行供電。該種光伏發電系統建設相對比較靈活，更能滿足地區用戶的需求，缺點是到晚上光照不足時需要容量較大的蓄電池進行儲能，如果電網出現故障點、缺陷等問題，電源點沒有足夠的能力支撐起電網的波動，供電可靠性和系統能量利用效率低，負荷波動時發電控制較困難。

光伏發電運行在公共電網中是光伏發電系統直接將電能傳輸到電網中，隨著電網的變化應對各種用電需求，系統轉換能量的效率高，對于電力系統運行和學術研究具有更高的價值，是當今新能源研究中的工作重點。

2.2 并網光伏發電系統的構成

一般，對于并網光伏發電系統的研究是通過一次系統和二次系統分別進行研究的，如圖1 所示。并網光伏發電系統并網的一次系統主要包括光伏電池方陣、逆變器，二次系統主要包括光伏控制器、防孤島保護裝置。并網光伏發電系統是通過光伏電池方陣實現能量的供應，然后通過逆變器將光伏電池發出的直流電轉變為交流電。采用逆變器的原因是配電網的負荷幾乎為交流電源設計的負載，而光伏發電輸出的卻是直流電，為了滿足用戶的需求，需要用此裝置將配電網不需要的直流電逆變為配網負載所需的交流電。逆變器除了逆變電流外，其另外具有的重要作用是自動運行、停機功能以及最大功率跟蹤控制功能。光伏控制器是通過自動控制手段調節與控制光伏電池與儲能蓄電裝置之間充電過程和儲能蓄電裝置向電源調節器輸電的過程，其中也包含了信息化采集功能，通過電腦數字信息集控和監督測試調控手段來迅速、實時地收集目前光伏發電的工作情況，得到并網光伏發電電站的工作數據。目的都是使光伏控制器能夠很大程度地估算出光伏系統設計的科學性以及檢測網絡元件是否具有穩定性。

圖1 并網光伏發電系統示意圖

防孤島保護裝置是為了避免系統發生事故影響太陽能發電系統的正常運轉，同時也避免光伏發電系統孤島運行情況的出現。光伏發電的電能輸出是不穩定的，若是其孤島運行時，容易造成系統崩潰，甚至使那些具有恒定功率和恒定電壓裝置的元件受到大幅度破壞，而且對于檢修工人來說，這也容易造成觸電事故。

3 光伏發電對配電網的影響

3.1 對配電網網損的影響

當光伏發電以分布式電源的形式接入到配電網中時，會對配電網的網損產生以下2 種影響：①對配電網的網損產生積極的影響，即降低了配電網的總網損，但是在計算單條線路的網損時，也有可能其值有所增加。造成這種現象的原因是當某些配電網的節點本身負載較大，而接入的光伏容量和其相比并不大時，接入的光伏在降低這條線路的電量損耗方面做功不多，為此并不能使得這條配電支路的損耗有所減少，但是光伏的接入會使得線路的潮流計算發生變化，進而最終計算整個配電網的電量損耗時，其值是有所降低的。②光伏的接入對配電網的網損產生消極的影響，即增加了配電網的總損耗。造成這種現象的原因是光伏并入配電網的節點位置和并入的容量不科學，此時配電網網損不僅不能夠減少反而使其值增加。當并入配電網的光伏總容量超過總負載的2 倍甚至更多倍，且光伏并入配電網某些地方的容量超過該處的負載容量時，這樣的光伏并入配電網的方案獲得的配電網的總電量損耗就是升高的，也得到了較低的做功效率。所以光伏以分布式電源并接入配電網時，要注意其安裝節點位置、容量等。

3.2 對電壓穩定性的影響

光伏發電以分布式電源的形式并接入配電網時，能夠提高配電網節點電壓幅值。這是因為當光伏發電以負的負荷并接入配電網中時，完全可能將原來的潮流方向改變成其他流向，使得最終的配電網的電壓幅值增加。太陽能光伏發電的輸出電量與太陽能輻射的強弱有關，具有隨機性變化的趨勢，這樣的光伏電源使得配電網的節點電壓容易出現電壓閃變和電壓諧波。電壓閃變嚴重影響了配電網輸出電壓的穩定性，產生這種現象的原因是光伏在工作狀態與停工狀態之間切換時，光伏發電和其他裝置會互相影響，進而使得電壓發生閃變現象，造成電壓不穩定情況的出現。光伏接入配電網中使得電壓諧波出現的原因是光伏并網時所必須接入的眾多電力電子元件以及這些元件經常性地動作會增加系統內諧波的出現，特別是電源調節器的逆變過程都增加了諧波的出現概率。

3.3 對配電系統運行可靠性影響

當光伏發電作為備用電源進行發電時，能夠對系統發生故障或線路正常檢修以及春查、秋查的系統預試等造成的配電網斷電事件起到很好的后備電源作用，避免出現一些重要電力用戶的失負荷現象。這樣的電力供應無疑增加了配電網安全運行的供電可靠性。當光伏發電以分布式電源并接入公共配電網時，對配電網的供電可靠性也有所影響，表現為積極或消極的影響，這也是由光伏發電的隨機性所決定的。當光伏發電與公共配電網消極地相互影響工作時，或是光伏發電的輸出電能極其不穩定，很容易使得配電網的供電可靠性下降。

當光伏發電并接入配電網時產生的另外一個不利因素是有可能增加系統震蕩的時間，這是對配電網安全可靠性的嚴重威脅。造成這種現象的原因是當光伏發電以較大容量接入到配電系統中時，若配電網故障引發震蕩時，光伏的接入不能抑制震蕩的發展，反而增加其震蕩的趨勢。為了避免這種情況的發生，光伏接入配電網的容量要結合配電網的實際負荷情況。

3.4 對配電系統潮流方向的影響

國內的10 kV 及以下電壓等級的配電系統中其中性點通常采取對地絕緣的方式，也有一些通過電感消弧線圈或是小電阻進行接地。傳統的配電網潮流計算方法有很多，但是光伏發電的加入雖然能夠在很大程度上降低配電系統的電量損耗，但是給潮流計算卻帶來了很大的難度。當光伏發電并接入配電網時，要特別注意其運行方式，若是任意增加其并入的容量，很有可能造成一些配網支路上的潮流進行雙向流動，這使得曾經的傳統潮流算法失去其有效性，若是計算不當，在配電網重構過程中，會對最優結果的獲得造成很大的失誤。

3.5 對繼電保護的影響

配電網是閉環設計、開環運行的單電源輻射狀網絡，當光伏發電以分布式電源的形式接入到配電網中時，會增加電源的數目，使得單電源網絡轉變成多電源的配電系統，如圖2 所示。

圖2 多光伏配電網絡結構簡圖

配電網發生事故后，事故電流的幅值和流向都會發生變化，這都影響了含光伏發電配電網的安全性、可靠性，具體從以下3 個方面進行論述。

一是當光伏發電在下游發生事故時，如圖2 中的f1 或f4 位置，因為通過故障線路電流與通過上一級保護所在線路電流之比的影響，使得流入CB2 中保護設備的事故電流小于未含光伏發電的事故電流。這樣造成的直接后果是保護裝置的靈敏度降低，當光伏電源接入的容量達到一定程度時，更是有可能使得保護無法動作。

二是當供電側或鄰近側的配電支路發生事故時，如圖2 中的f2 或f3 位置，這些事故位置的電源側和光伏發電側將為其供應持續的短路電流，反方向的短路電流使得重合閘和開關失去方向辨別能力。這樣造成的直接后果是保護裝置的方向識別失去，當光伏電源接入的容量達到一定程度，更是有可能使得保護誤動作。誤動作所帶來的停電事故很大程度上會影響配電網的供電可靠性。若是新增加方向器件，其經濟成本將大大地增加，這不是很好的選擇。

三是電網發生事故時，若是未及時將光伏電源切斷，光伏發電引起的孤島運行模式并不穩定，容易造成系統崩潰，甚至使得那些具有恒定功率和恒定電壓裝置的元件受到大幅度破壞，而且對于檢修工人來說，這也容易造成觸電事故。

總之，光伏發電給配電網帶來了上述問題，但是其接入配電網中所帶來的積極影響，如大幅度降低配電網的電量損耗、提高配電網的節點電壓、增加配電網的供電可靠性，這些都使得越來越多的光伏發電被用于電力系統中。

4 結論

本文闡述了幾點光伏發電對配電網的影響，并進行了詳細的分析，為提高配電網系統的經濟運行性、改善系統運行狀態以及提高供電可靠性提供了理論基礎及合理的方案依據。