高滲透率分布式光伏配電網問題分析及解決措施

中國水利水電第十工程局有限公司 牟長江

1 分布式光伏發電的種類及工作原理

1.1 分布式光伏發電種類

光伏發電種類如圖1所示。根據分布式光伏發電的使用情況通常將其分為三種：第一種是光伏電站產出的電能供給客戶直接利用，不需要并入外界配電網中；第二種是光伏電站產出的電能在滿足客戶使用后還有部分余量，為避免浪費，將該余量并入外界配電網中進行綜合利用；第三種是光伏電站產出的電能直接并入外界配電網進行售賣，根據用戶需求進行分配使用[1]。據相關統計，第二種分布式光伏發電的投入成本低，性價比較高，應用比較廣泛，但也會強烈影響配電網的安全平穩運行。

圖1 光伏發電種類

1.2 分布式光伏發電工作原理

分布式光伏發電系統主要由光伏組件、匯流箱、交直流逆變器、配電箱、雙向電表、監控控制系統、安裝支架等組成，其原理結構如圖2所示[2]。光伏電池采用串聯或并聯方式，以一定的角度在光伏支架上進行設計安裝，組成光伏陣列，盡可能地吸收太陽量，并將太陽量轉化為直流電，經匯流箱后進入逆變器，在逆變器中逆變為交流電后，輸送到主電網中。雙向電表可以對系統的實際發電、用電情況進行跟蹤記錄和顯示儲存等，實現輸入主電網電力量的統計。

圖2 分布式光伏發電系統的主要原理結構

2 高滲透率分布式光伏條件下配電網存在的問題

2.1 光伏發電對電網電能質量造成的問題

一是高滲透分布式光伏電站產生的電能并入電網后，會使整個電網的負荷預測難度加大，具有較多的未知性和不確定性。當光伏系統電源的電壓、頻率瞬時過高或者過低時，均會造成配電網故障，甚至中斷整個電力系統的運行，拖延各項生產工作進度，擾亂人們正常生活秩序，造成社會影響[3]。常見的處理方法是先用數據萬用表對電網的電壓、頻率進行實測，如果不在正常范圍內，則靜候使供電網恢復正常即可。如果供電電網的網壓、頻率在正常值之內，可能是電路板的本體發生故障，可以通過將交直流端子切斷，對逆變器斷電重啟，進行設備故障恢復。

二是高滲透分布式光伏電站發電功率主要取決于光照輻射強度，非常容易受到當日天氣狀況的影響，特別在陰天或下雨時會發生較大變化。與火力發電廠相比，其發電功率波動性較強，且具有很大的不確定性，嚴重妨礙對電網進行經濟節能性的研究。

2.2 諧波污染問題

高滲透分布式光伏電站輸出的電能通過逆變器并網后，勢必會對配電網中原來的重合閘參數、繼電保護值等相關量的設置造成一定程度影響，導致配電網設備靈敏度下降、保護失靈、誤動作等異常情況發生。此外，光伏電站采用的交流逆變器在工作時，其內部的電子組成元件反復吸合，不可避免地產生諧波分量，進而對配電網帶來諧波污染，導致電力設備損耗和老化加劇，降低設備生命周期。因此，電力公司制定了相關規定：光伏發電站在接入電網前，需要加裝能夠限制逆變器產生諧波分量的裝置。

2.3 光伏發電并入配電網接入點位置與設計容量問題

通常來講，光伏發電站的位置選址及規模容量較為重要，直接影響整個電網的發電質量，科學設計光伏電站發電容量并且合理選擇光伏電站的配電網的接入點，才能夠降低電網不穩定因素，提高配電網運行質量，改善用戶用電體驗。但是受現實地理環境情況的影響，很多光伏配電網前期規劃不完整，造成其并網接入點與設計發電容量存在一定瑕疵，且區域內的不同的光伏電站在工作時還互相牽制，這種現象往往會導致負荷節點電壓高于正常值而損壞電力設備，還會造成配電網的電壓值上下波動，影響電網穩定運行。西北地區某光伏電站并入配電網后，線路24h 電力數據監測情況，如圖3所示。

圖3 甘肅地區某光伏電站24小時電壓監測數據

由圖3可知，光伏電站在當天光照輻射最大時，光伏發電功率也達到最大值，因此造成了嚴重的過電壓現象，但太陽落山后，倘若未能及時合理調節配電網中潮流布置，將導致系統低電壓情況發生。

2.4 配電網設計規劃問題

配電網初期規劃通常會采用取輻射狀結構，電網潮流流向固定通道，形成了固定的規模，但是高滲透的分布式光伏發電站發電主要依靠光照，不可避免會造成電網電量的隨機與波動性，用戶用電也具有較大的未知性，沒有規律可言以及區域內的不同的光伏電站工作時還互相牽制，往往會造成現有配電網中潮流流向的不確定性。因此，在有高滲透分布式光伏電站接入的配電網規劃時，需要額外考慮電網潮流方向和高滲透率的影響。倘若對分布式光伏電站的接入點位置和發電容量規劃不完善，將無法保證配電網安全可靠運行，也不利于降低能量耗損，嚴重影響配網工作質量。

2.5 設備配置、作業人員水平對電網運行的影響

一些光伏電站為節省成本，采購的發電設備配置較低，且維修人員的維檢修水平有限，在日常工作時存在電氣設備操作不正確、故障發生后故障長時間未能得到有效解決等諸多情況，還會時常發生電器短路、跳閘等電氣故障，這些都對配電網造成極大的沖擊，嚴重干擾了配電網的正常運轉，威脅到工作人員的生命財產安全。另外，光伏電源工作時也會產生諧波電流，且諧波電流的幅值會隨時間變化而相應改變，一定程度上危害到配電網的運行質量。

3 采取科學的解決措施

3.1 完善配電網建設

加快推進主動配電網建設進度，提前做好配電網的整體規劃，降低高滲透率下配電網的線路設備損耗并將其控制在可操控的范圍之內。同時，充分考慮光伏發電受早晚陽光照射發電不均衡的影響，在配電網設計規劃時采用分層分布協調控制技術，合理設計配網結構，更好引地導電網中潮流流向的同時實現高滲透率下分布式光伏出力精準預測，實時響應用戶側的需求，完善高滲透率下光伏發電的運行工作流程[4]。此外，基于配電網的全局能量控制技術，對于高能耗用電客戶用電負荷或光伏發電出力浮動而造成的配電網中的電力數據波動，及時進行調節和控制，使其保持在正常值之內。

3.2 抑制配電網諧波產生

抑制配電網諧波電流的辦法通常有兩種方法，一是對諧波電流產生源頭（用電負荷側的電力設備本身）進行技術改造，將諧波電流扼殺在萌芽狀態，同時要求高滲透率下分布式光伏電站增強對入網客戶設備選型的指導與監督，優先采購配置好、效率高的設備，根本上控制諧波電流產生。二是加裝諧波電流補償設備，例如新型濾波裝置等，該裝置能夠產生與負荷諧波I 大小相同但方向相反的補償I，從而起到遏制諧波的作用。

3.3 合理選擇高滲透率下光伏電站接入配電網的位置電壓

光伏電站中電網電壓值如何選擇是系統正常運行的基本要求，為了盡可能地降低并網電壓不合理而造成的配電網設備故障，要合理選擇接入點電壓。通常情況下，在接入點電壓要求方面，光伏電站系統額定電壓范圍是89%～115%。所以，需要通過交直流逆變器來對接入配電網的電壓進行相應調節及控制。

3.4 科學設置電網頻率，預防電壓閃變

根據高滲透率下光伏電站在實際生活中的應用情況，電網的頻率需要恒定在49.5～50.5Hz，運行過程中，一旦超出該頻率區間，如果未能立即切換到逆變器運行模式，將會引發設備故障，導致系統運行中斷[5]。此外，分布式光伏電站將產出的電直接輸入到配電網后，會出現電壓閃變故障，進而導致電壓的偏離，依據相關要求，需要將電壓偏離值限定在5%以下，一定程度上避免此類故障發生。

3.5 加強配電網用電考核管理

為強化配電網質量的提升、充分落實質量管理規范化，應從以下方面采取措施：一是優化管理制度，通過梳理配電網質量的主要工作內容，制定出各崗位標準作業法，應涵蓋電網質量管理標準、設備配置標準、電力損耗標準等。二是建立獎懲機制，對于不良用電習慣和異常用電負荷引起的諧波污染，要根據相關規定對污染企業或用戶進行考核。三是積極落實質量責任制，明確各級工作人員的質量工作職責，利用上下級管理關系，形成萬一配電網運行過程中發生事故，便可逐級匯報、一一落實的責任化，追究到個人，嚴格保證配電網生產進度，提高整個配電網的供電質量。此外，企業內部應明確職責分工，建立督察督辦，構建短期加長期的工作機制，并積極對督辦事項進行跟蹤反饋，形成閉環管理。

3.6 提升一線作業人員技術水平

在配電網的運行維護過程中，應著重增強作業人員的安全意識，提高作業人員技能水平。首先，充分學習配電網運維過程中相關機械電氣設備的操作規程，熟練掌握其使用方法，避免操作不當而造成的設備故障，進而影響配電網正常運轉。其次，開展專業的指導和培訓，使電力從業人員熟練掌握配電網中相關輔助設備的常見故障處理技術，并將其所學知識在實際工作中落到實處。此外，定期組織技術交流會，討論棘手難題，交流心得體會，分享先進經驗，全面提升從業人員職業素質，減少配電網設備故障發生后的處理時間，提高電網生產效率。

4 結語

本文從分布式光伏發電的種類及工作原理入手，探討了高滲透率分布式光伏條件下配電網存在的電能質量、諧波污染等問題，最后提出了完善配網建設，抑制配電網諧波產生，合理選擇配電網接入位置電壓，科學設置電網頻率，預防電壓閃變、全面提升一線人員技術水平等科學的解決措施，充分保證高滲透率分布式光伏條件下配電網安全平穩運行，有效提高了配電網的供電質量，改善了電力用戶的用電體驗，促進了電力企業的健康發展。