分布式光伏電源接入配電網(wǎng)相關(guān)問題探討

近年來，中國的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，隨著國家對新能源產(chǎn)業(yè)支持力度的加大，尤其是“金太陽工程”的實施，光伏產(chǎn)業(yè)在政策面上將會得到更大力度的支持。根據(jù)中國2007年制定的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，2020年太陽能發(fā)電總?cè)萘繉⑦_(dá)180萬KW。按照最近的專家預(yù)計這一數(shù)字有望達(dá)到1000萬KW。然而由于光伏發(fā)電出力的間歇性、周期性和隨機性，加上逆變器并網(wǎng)、孤島效應(yīng)等因素，分布式光伏電源大量接入配電網(wǎng)，對配電網(wǎng)的規(guī)劃和運行帶來了很多問題，包括電壓調(diào)整、保護(hù)配置、過電壓、電能質(zhì)量、電量計量計費、供電可靠性等。為了在安全穩(wěn)定的前提下盡可能多地接入分布式光伏電源，就需要考慮典型配電網(wǎng)可接納光伏電源的能力、電能質(zhì)量約束、系統(tǒng)運行備用、電網(wǎng)穩(wěn)定、保護(hù)配合等一系列問題。

一、分布式光伏電源并網(wǎng)運行特性及仿真內(nèi)容

光伏發(fā)電系統(tǒng)通常分為兩大類：一是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，二是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。獨立發(fā)電系統(tǒng)主要用于解決偏遠(yuǎn)地區(qū)缺電的困境，而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由于可以并入現(xiàn)有的電力系統(tǒng)，成為了發(fā)展太陽能發(fā)電的主要選擇。據(jù)統(tǒng)計，全世界的平均并網(wǎng)光伏系統(tǒng)比例已達(dá)80%以上。

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)按照接入的方式和規(guī)模又可以分為集中式光伏電站和分布式光伏電站。集中式光伏電站大多利用荒漠地區(qū)豐富和相對穩(wěn)定的太陽能資源，接入高壓輸電系統(tǒng)并網(wǎng)供給遠(yuǎn)距離負(fù)荷;分布式光伏電站主要用于就近解決用戶的用電問題，通過并網(wǎng)實現(xiàn)供電差額的補償與外送，一般單個電站容量較小，通常并入低壓配電網(wǎng)中。

分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的主要特點是所發(fā)電能直接分配到用戶負(fù)載上，多余或不足的電力通過連接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)，分布式光伏發(fā)電功率是不可調(diào)度的。分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)光伏電源是否被允許向主電網(wǎng)饋電，可分為可逆流系統(tǒng)與不可逆流系統(tǒng)。當(dāng)光伏發(fā)電能力大于負(fù)載或發(fā)電時間同負(fù)荷用電時間不一致時，一般均設(shè)計成可逆流系統(tǒng)，以保證電能平衡，由于向電網(wǎng)反饋能量，可逆流系統(tǒng)對電能計量、保護(hù)的要求比較高;當(dāng)光伏發(fā)電量始終小于或等于負(fù)荷的用電量時，可設(shè)計為不可逆流系統(tǒng)，使光伏電源與電網(wǎng)電源并聯(lián)向負(fù)載供電。

對分布式光伏并網(wǎng)仿真研究的內(nèi)容，主要是：

1)電壓穩(wěn)定性的仿真與評估;

2)基波功率潮流仿真;

3)諧波潮流仿真。測試數(shù)據(jù)表明，光伏電源輸出受天氣影響較大，在多云天氣，電源輸出功率會出現(xiàn)快速劇烈的變化，最大變化率超過10%的額定出力(%pe/s)，變化頻度每小時超過10次，光伏電源功率輸出最大在中午，夜間輸出為零。

由于光伏電源功率的快速隨機波動性，使廣義負(fù)荷功率波動加大，從而引起負(fù)載端電壓的不穩(wěn)定。一般講，功率波動越大，功率因數(shù)越低，電壓波動越嚴(yán)重;對于同樣的功率波動和功率因數(shù)，電壓等級越低，電壓波動越嚴(yán)重。因此為了保證電壓穩(wěn)定，需要對接入電網(wǎng)的光伏電源容量加以限制，并對接入電網(wǎng)的廣義負(fù)載的無功功率加以控制。電壓穩(wěn)定仿真分析可以為光伏電源容量限值計算及廣義負(fù)載的無功功率控制提供依據(jù)和方法。

光伏電源輸出功率的隨機波動性使傳輸線所帶的廣義負(fù)載功率波動增大，影響電網(wǎng)潮流分布的合理性：即使傳輸線受端功率因數(shù)接近1且穩(wěn)定，送端功率因數(shù)有時依然很低且波動較大;有時傳輸線傳輸效率低且波動較大;傳輸線送端電壓功率角也隨受端所帶的廣義負(fù)載波動而變化?；谝陨蠁栴}，需對光伏電源并網(wǎng)容量和負(fù)荷特性進(jìn)行優(yōu)化控制，使功率潮流分布合理。功率潮流仿真分析可以為光伏電源并網(wǎng)系統(tǒng)的功率潮流優(yōu)化控制提供依據(jù)和計算方法。

當(dāng)高壓傳輸線路較長，充電功率較大時，由于光伏電源輸出功率波動性較大，致使廣義負(fù)載功率波動較大，會引起高壓傳輸線受端對送端諧波電壓的串聯(lián)諧振放大和高壓傳輸線送端諧波電流對中低壓側(cè)諧波電流的并聯(lián)諧振放大，為了減小光伏電源產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)的干擾和背景諧波電壓對負(fù)載的影響，需要對廣義負(fù)載特性和傳輸線特性進(jìn)行控制。諧波潮流仿真分析可以為控制廣義負(fù)載特性和傳輸線特性提供依據(jù)。

二、含光伏電源配電網(wǎng)供電可靠性狀態(tài)與劃分

光伏發(fā)電是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，為研究主要問題，把分布式發(fā)電系統(tǒng)等效為光伏陣列、控制器和并網(wǎng)逆變器三個部分。

1、光伏系統(tǒng)的狀態(tài)

光伏系統(tǒng)的狀態(tài)可分為：可用和不可用兩類。

(1)可用狀態(tài)：分為運行和備用兩種情況。

運行狀態(tài)：光伏發(fā)電系統(tǒng)處于運行狀態(tài)，根據(jù)出力的大小，可以分為全額和減額兩種狀態(tài)。全額狀態(tài)下系統(tǒng)處在最大出力附近;減額狀態(tài)系統(tǒng)處于較低水平的出力狀態(tài)，按原因分析為太陽光照低輻射引起或由部分光伏電池組件故障單獨退出運行引起。

備用狀態(tài)：系統(tǒng)與電網(wǎng)連接完好，但處于備用狀態(tài)，按照出力的能力分為全部出力可用和部分出力可用狀態(tài)。

(2)不可用狀態(tài)：又可分為資源性不可用和設(shè)備不可用兩種情況。

資源不可用：夜間狀態(tài)，由于無光照資源，系統(tǒng)不可用。

設(shè)備不可用：光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生部件的強迫停運或者計劃檢修停運，整個系統(tǒng)退出運行。

2、可靠性狀態(tài)的劃分

根據(jù)系統(tǒng)的可用性狀態(tài)劃分，如果不考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的備用情況，可將系統(tǒng)的狀態(tài)劃分為全額運行狀態(tài)、資源限制的減額出力狀態(tài)、設(shè)備故障的減額出力狀態(tài)和停運狀態(tài)四個狀態(tài)。

(1)全額運行狀態(tài)：光伏發(fā)電系統(tǒng)出力達(dá)到裝機容量的80%～90%的運行狀態(tài)歸為全額運行狀態(tài)，以裝機容量的85%出力作為其出力的平均狀態(tài)值。

(2)資源限制的減額運行狀態(tài)：光伏發(fā)電系統(tǒng)出力低于80%裝機容量的系統(tǒng)狀態(tài)都?xì)w為資源限制的減額運行狀態(tài)，以裝機容量的50%出力作為其出力的平均狀態(tài)值。

(3)設(shè)備故障的減額運行狀態(tài)：由于部分設(shè)備故障單獨退出運行造成系統(tǒng)部分出力損失狀態(tài)，出力狀態(tài)值與故障情況有關(guān)。

(4)停運狀態(tài)：由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件故障造成強迫停運、計劃性檢修造成系統(tǒng)的檢修停運、夜間無輻射狀態(tài)歸為停運狀態(tài)，出力狀態(tài)為0。

三、配電網(wǎng)接納分布式光伏電源能力分析

一般講，基于電壓偏差、電壓波動和就地消納約束條件下的典型變電站可接納分布式光伏電源的容量受公共連接點處負(fù)荷水平、負(fù)荷波動情況、負(fù)荷功率因數(shù)、光伏電源功率因數(shù)等因素的影響;如果公共連接點負(fù)荷穩(wěn)定，則可接納的光伏電源容量較大：如果公共連接點負(fù)荷波動較大，公共連接點負(fù)荷波動與光伏功率波動疊加，將在公共連接點處產(chǎn)生較大的電壓波動，則變電站可接納光伏電源容量大大降低;對于較小容量光伏電源通過10kV饋線并網(wǎng)的情況，饋線負(fù)荷功率因數(shù)對光伏電源準(zhǔn)入容量影響不大;光伏出力功率因數(shù)越接近于1(滯后)或以超前的功率因數(shù)運行有利于饋線接納更多的分布式光伏電源：饋線R/X值較小有利于饋線接納更多的分布式光伏電源;對于較大容量光伏電源通過10kV專線并網(wǎng)的情況，公共連接點母線負(fù)荷較重，光伏出力功率因數(shù)越接近于l(超前或滯后)、并網(wǎng)線路越短，越有利于變電站通過專線接納更多的分布式光伏電源。

四、結(jié)論

分布式光伏電源大量接入配電網(wǎng)，對配電網(wǎng)的規(guī)劃和運行帶來了新的要求，在配電網(wǎng)的規(guī)劃中要綜合考慮電能質(zhì)量、保護(hù)配置、供電可靠性、電力平衡、系統(tǒng)接納能力、電量計量計費、信息采集等問題，做到科學(xué)、合理規(guī)劃，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。