分布式光伏發電的并網接入探究

管裕金

（作者單位：江西廣播電視臺）

1 我國光伏產業發展情況

近幾年來，我國光伏發電項目以獨特的政策利好優勢，促進了行業的迅速發展和投資規模的日益擴增。國家能源局網站公告的數據顯示，2016—2021年我國光伏發電裝機容量分別為0.77億 kW、1.3億kW、 1.74億kW、2.04億kW、2.53億kW、3.06億kW。

作為“十四五”開局之年，2021年我國光伏發電建設實現新突破，全國光伏發電量約為3259億kW·h， 同比增長約25.1%，年平均利用小時數達到1163 h，同比增加3 h。其中利用率排行最高的前三個省份（區）分別為內蒙古自治區1558 h、吉林省1536 h、四川省1529 h。

2021年，新增并網的光伏發電系統中，分布式光伏發電新增容量約2900萬kW，占2021全年新增并網的光伏發電系統總容量的55%左右。光伏發電分布式與集中式并舉發展，已經成為助推“碳達峰、碳中和”和“鄉村振興戰略”等國家戰略發展的一股重要力量。

2 分布式光伏發電系統

2.1 基本原理

“光伏效應”是分布式光伏發電應用的基本原理。光伏電池中的半導體材料，內部組成了一個個PN結，當光伏電池因太陽光照射，其內部半導體的PN結受到激發，則產生大量的電子-空穴對，電子向N型半導體一側移動，空穴向P型半導體一側移動，使得電池組向光側累積負電荷，電池組背光側累積正電荷，故光伏電池的兩側產生了電壓差，利用導線將光伏電池兩側與各類用電負載連通，形成閉合的電路，則產生工作電流，從而實現了太陽能轉化為電能的特殊 過程[1]。

2.2 系統結構

分布式光伏發電系統主要是由光伏電池組件、控制器、逆變器、配電網、負荷等組成的特殊供電系統，其以小容量、多布點為特點，幾乎都建設在用戶用電場地附近，是一種平衡調節配電網的光伏電源[2]。

分布式光伏發電系統中，光伏電池組件利用“光伏效應”原理，在太陽光照的作用下，將太陽能轉化為直流電能，該電能可以供給直流負荷使用，同時也可經逆變器轉化為交流電源，經過濾波處理后直接供給交流負載或并電網接入。根據功能設計，有些光伏發電系統還會配置一定數量的蓄電池組進行蓄能，并由系統中的控制器決定所發電能是進入蓄電池組進行儲存，還是直接輸出供給各用電負荷。

光伏電池組件是分布式光伏發電系統的核心部件，其本質是一種以硅為基本元素的光電半導體材料，主要分為單晶硅和多晶硅。在實際應用中，大多數光伏電池的上表面會增添一些柵狀電極，有時也會在在電池受光面上增加一層減反射層，進而提升光伏電池組的電能轉化效率。

由于單位光伏電池發出的電壓和有效功率是微弱的，故需要由一定數量的光伏電池組形成光伏電池陣列，并在電路上通過串聯、并聯方式組合而成，最終達到系統要求的輸出電壓和功率[3]。

2.3 分布式光伏發電的等效電路

光伏電池組件與負載閉合連接，成為一個有效而穩定的電源回路，其等效電路如圖1所示。

圖1 分布式光伏發電的等效電路

光伏電池組件可看作是一個恒流源與二極管的并聯電路，IL用來表示光伏電池組發出的恒定電流，即光生電流。RL用來表示與外部連接的負載。

由于光伏電池組發出的電能受到現場各種因素的作用，會出現一定量的外界損耗，用電阻Rs來表示。同時，受到制造、安裝等因素影響，電池組自身會存在一定的輕微裂紋，形成了一定規模的金屬橋，故在等效電路中，用旁漏電阻Rsh來等效表示。

由等效電路可計算出電流IR與輸出電壓UR的函數關系：

其中，I0表示為光伏電池組的等效二極管反向飽和電流，T表示為絕對溫度，q表示的是單位電子電荷（1.602×10-19C）。k表示為玻耳茲曼常量（取值1.38×10-23J·K-1）。

3 分布式光伏發電的優點和缺點

分布式光伏發電廣泛應用于諸多領域，它不僅是推動能源生產和消費革命前進的重要力量，也是促進新能源技術發展的重要方式，其優點主要如下：第一，接近用戶負荷中心，能就地消納，降低了輸電成本，減少了線路損耗。第二，節能又環保，減少了石化能源消費，符合可持續發展的要求。第三，組件結構簡單，系統搭建靈活，建設周期短，易與建筑物相結合，如屋頂、墻面等，可節省占地空間。第四，可緩解區域供電緊缺，尤其是對于一些公共電網無法覆蓋的偏遠地域，能夠切實地解決供電 問題。

當然，作為一種新興的供電方式，分布式光伏發電也存在自身的缺點，主要如下：第一，能量密度偏低。雖然太陽能分布廣，但由于各地區的差異，以及太陽光照在時間上分布的不均勻，導致供電穩定性不佳，供電質量難保證。第二，存在間歇性工作。光伏發電幾乎只能在白天工作，夜晚就無法發電。第三，受氣候環境因素影響大。尤其是雨、雪、陰等影響日照的天氣，加上長年在戶外運行，光伏電池組件表面被灰塵等顆粒物覆蓋，導致光伏發電功率的驟減，對光伏電池組件也有不可避免的損耗。

隨著分布式光伏發電建設成本的大幅降低和運維管理水平的日益成熟，以及國家“雙碳計劃”的推廣和落地，相對于傳統發電能源，分布式光伏發電還是有較大的發展優勢，未來可期。

4 分布式光伏發電并網接入方式

當前，分布式光伏發電所發電量的消納方式主要有三種：全額上網型、自發自用余電上網型、全部自用型[4]。

根據以上的三種消納方式，用戶結合分布式電源裝機容量及原有電網特點、負荷分布情況，從而確定并接入網的方案。因分布式光伏發電的容量相對于電網而言是偏小的，則主要涉及的并網電壓等級有10 kV、 380 V和220 V。

4.1 采用10 kV并網接入

分布式光伏發電裝機容量在400～6000 kW時，并網電壓等級應為10 kV。即光伏發電系統需配置升壓變壓器，將輸出的電壓升至10 kV后再T接至公共線路或通過10 kV專線并網接入開關站（變電站） 10 kV母線。其中，升壓變壓器應配置電流速斷保護裝置，若電流速斷保護的靈敏度不能滿足系統要求時，可使用縱聯差動保護方式進行替代[5]。

4.2 采用380 V并網接入

分布式光伏發電裝機容量在8～400 kW時，并網電壓等級應為380 V。

4.2.1 380 V接入公共電網母線

該并網接入方式如圖2所示，并網接入點選擇為公共電網380 V低壓母線，該方式需占用公共配電室或箱變的低壓出線開關。

圖2 380 V接入公共母線示意圖

4.2.2 380 V接入用戶配電系統母線

該并網接入方式如圖3所示，并網接入點選擇為用戶配電室或箱變低壓母線。用戶采用自有電力變壓器供電，并網時需占用用戶配電室或箱變的低壓出線開關。

圖3 380 V接入用戶母線示意圖

4.3 采用220 V并網接入

分布式光伏發電裝機容量在8 kW及以下時，并網電壓等級應為220 V。該并網接入方式如圖4所示。選擇220 V并網接入的大部分為居民用戶，其并網接入點通常設在用戶220 V的電能表箱處，且幾乎都是采用自發自用余量上網的消納方式。值得注意的是，在并網接入具體相序時，需核驗該區域各相序已并網的分布式光伏發電總容量，避免出現三相功率不平衡問題。

圖4 220 V并網接入示意圖

4.4 并網接入的主要技術要求

按照相關電力技術規范，分布式光伏發電的并網接入的主要技術要求如下：

（1）并網接入的切換裝置應設置閉鎖，有明顯開斷點，其開關能開斷故障電流，并帶接地保護等功能。同時，需具備失壓跳閘及檢有壓合閘功能，失壓跳閘定值宜整定應為額定電壓U的30%、延時10 s動作，檢有壓定值宜整定應為額定電壓U的85%。

（2）并網接入點的電能計量裝置應具備電壓、電流、功率、電度等數據采集以及ABC三相電流不平衡監測功能，并能夠實現數據的通信與存儲。

（3）在并網接入點應配置防逆流保護等裝置。

（4）三相電壓（10 kV、380 V）并網接入時，應采用三相逆變器，且在同一位置同時并網接入。

5 并網接入的影響

隨著分布式光伏發電并網的容量和規模日益擴增，使得電網潮流方向更加復雜，對整個電網的影響更加顯著。同時，因并網接入的位置、容量大小及消納方式的變化，都很有可能會造成電網的電壓質量、繼電保護動作及相應節點的有功功率等參數的變化[6]。

5.1 對電壓質量的影響

當一定規模的分布式光伏發電并網接入配電網，會導致配電網各節點的電壓質量發生較為明顯的波動。并網接入的光伏發電容量越大，各節點電壓上升的幅值就明顯。同時，并網接入位置也是影響電壓質量的一個重要因素，與配電網線路末端更接近的并網接入位置，其電壓上升幅值就更加平穩。

5.2 對繼保的影響

分布式光伏發電的并網接入改變了原電網的結構及潮流分布，故電網發生相關短路故障時，其電流的大小和分布都會受到了一定程度的影響。且分布式光伏發電的并網接入，改變了電網電能單一方向的傳輸方式，使得電網的供電結構發生了明顯的變化。當某一節點發生故障時，分布式光伏電源也會成為故障電流的來源，故需對原有繼保方向判斷功能作出相應的調整。

5.3 對電網運行可靠性的影響

分布式光伏發電的并網接入對電網可靠性的影響有一定的不確定性。其改善了電能質量，一定程度上提高了用電的可靠性，保障了各用電設備的持續運行，當線路故障或計劃停電時，分布式光伏發電可作為一定規模的保安電源，其供電的可靠性從而進一步得到提高。但是，當大容量的分布式光伏發電并網接入時，極可能會造成區域節點電壓越限。當供電線路發生瞬時故障時，也可能會造成自動重合閘失效，這些對電網系統的安全穩定運行帶來一定的風險。

6 結語

不管分布式光伏發電系統采用哪種并網接入方式，都要確保其輸出電壓的相位、頻率、幅值等參數與接入電網相匹配，并達到規定的標準[7]。且在分布式光伏發電系統的并網接入前，應及時將并網接入方案及相關并網點的檢測合格報告報所接入電網主管部門進行備案，需取得并網接入許可證后方能并網運行。同時，應充分考慮并網后對配電網運行的影響因素，采用柔性并網控制技術，將故障風險降到最低。

分布式光伏發電的相關技術已非常成熟、穩定，單位建設成本近年來也是逐步降低，目前在工業廠房、倉儲物流、通信基站、高速公路、體育場館等領域廣泛應用。分布式光伏發電的投入，不僅給用戶帶來了一定的經濟收益，還促進了全社會“節能減排”目標的實現。目前，建設分布式光伏發電項目，已成為公共機構節能工作考核的一個重要加分項。

未來，隨著國家節能環保政策的不斷推進，以及碳市場與電力市場的耦合發展，分布式光伏發電的應用將成為能源供給的重要焦點，其并網接入的規模會有一次井噴式發展歷程。嚴控并網接入技術參數，降低其運行風險，已成為配電網穩定運行的重點。