分布式光伏电源接入配电网相关问题探讨

近年来，中国的光伏产业发展迅速，随着国家对新能源产业支持力度的加大，尤其是“金太阳工程”的实施，光伏产业在政策面上将会得到更大力度的支持。根据中国2007年制定的《可再生能源中长期发展规划》，2020年太阳能发电总容量将达180万KW。按照最近的专家预计这一数字有望达到1000万KW。然而由于光伏发电出力的间歇性、周期性和随机性，加上逆变器并网、孤岛效应等因素，分布式光伏电源大量接入配电网，对配电网的规划和运行带来了很多问题，包括电压调整、保护配置、过电压、电能质量、电量计量计费、供电可靠性等。为了在安全稳定的前提下尽可能多地接入分布式光伏电源，就需要考虑典型配电网可接纳光伏电源的能力、电能质量约束、系统运行备用、电网稳定、保护配合等一系列问题。

一、分布式光伏电源并网运行特性及仿真内容

光伏发电系统通常分为两大类：一是独立光伏发电系统，二是光伏并网发电系统。独立发电系统主要用于解决偏远地区缺电的困境，而光伏并网发电系统由于可以并入现有的电力系统，成为了发展太阳能发电的主要选择。据统计，全世界的平均并网光伏系统比例已达80%以上。

并网光伏系统按照接入的方式和规模又可以分为集中式光伏电站和分布式光伏电站。集中式光伏电站大多利用荒漠地区丰富和相对稳定的太阳能资源，接入高压输电系统并网供给远距离负荷;分布式光伏电站主要用于就近解决用户的用电问题，通过并网实现供电差额的补偿与外送，一般单个电站容量较小，通常并入低压配电网中。

分布式光伏发电并网系统的主要特点是所发电能直接分配到用户负载上，多余或不足的电力通过连接电网来调节，分布式光伏发电功率是不可调度的。分布式光伏发电并网系统根据光伏电源是否被允许向主电网馈电，可分为可逆流系统与不可逆流系统。当光伏发电能力大于负载或发电时间同负荷用电时间不一致时，一般均设计成可逆流系统，以保证电能平衡，由于向电网反馈能量，可逆流系统对电能计量、保护的要求比较高;当光伏发电量始终小于或等于负荷的用电量时，可设计为不可逆流系统，使光伏电源与电网电源并联向负载供电。

对分布式光伏并网仿真研究的内容，主要是：

1)电压稳定性的仿真与评估;

2)基波功率潮流仿真;

3)谐波潮流仿真。测试数据表明，光伏电源输出受天气影响较大，在多云天气，电源输出功率会出现快速剧烈的变化，最大变化率超过10%的额定出力(%pe/s)，变化频度每小时超过10次，光伏电源功率输出最大在中午，夜间输出为零。

由于光伏电源功率的快速随机波动性，使广义负荷功率波动加大，从而引起负载端电压的不稳定。一般讲，功率波动越大，功率因数越低，电压波动越严重;对于同样的功率波动和功率因数，电压等级越低，电压波动越严重。因此为了保证电压稳定，需要对接入电网的光伏电源容量加以限制，并对接入电网的广义负载的无功功率加以控制。电压稳定仿真分析可以为光伏电源容量限值计算及广义负载的无功功率控制提供依据和方法。

光伏电源输出功率的随机波动性使传输线所带的广义负载功率波动增大，影响电网潮流分布的合理性：即使传输线受端功率因数接近1且稳定，送端功率因数有时依然很低且波动较大;有时传输线传输效率低且波动较大;传输线送端电压功率角也随受端所带的广义负载波动而变化。基于以上问题，需对光伏电源并网容量和负荷特性进行优化控制，使功率潮流分布合理。功率潮流仿真分析可以为光伏电源并网系统的功率潮流优化控制提供依据和计算方法。

当高压传输线路较长，充电功率较大时，由于光伏电源输出功率波动性较大，致使广义负载功率波动较大，会引起高压传输线受端对送端谐波电压的串联谐振放大和高压传输线送端谐波电流对中低压侧谐波电流的并联谐振放大，为了减小光伏电源产生的谐波电流对电网的干扰和背景谐波电压对负载的影响，需要对广义负载特性和传输线特性进行控制。谐波潮流仿真分析可以为控制广义负载特性和传输线特性提供依据。

二、含光伏电源配电网供电可靠性状态与划分

光伏发电是一个复杂的系统，为研究主要问题，把分布式发电系统等效为光伏阵列、控制器和并网逆变器三个部分。

1、光伏系统的状态

光伏系统的状态可分为：可用和不可用两类。

(1)可用状态：分为运行和备用两种情况。

运行状态：光伏发电系统处于运行状态，根据出力的大小，可以分为全额和减额两种状态。全额状态下系统处在最大出力附近;减额状态系统处于较低水平的出力状态，按原因分析为太阳光照低辐射引起或由部分光伏电池组件故障单独退出运行引起。

备用状态：系统与电网连接完好，但处于备用状态，按照出力的能力分为全部出力可用和部分出力可用状态。

(2)不可用状态：又可分为资源性不可用和设备不可用两种情况。

资源不可用：夜间状态，由于无光照资源，系统不可用。

设备不可用：光伏发电系统发生部件的强迫停运或者计划检修停运，整个系统退出运行。

2、可靠性状态的划分

根据系统的可用性状态划分，如果不考虑光伏发电系统的备用情况，可将系统的状态划分为全额运行状态、资源限制的减额出力状态、设备故障的减额出力状态和停运状态四个状态。

(1)全额运行状态：光伏发电系统出力达到装机容量的80%～90%的运行状态归为全额运行状态，以装机容量的85%出力作为其出力的平均状态值。

(2)资源限制的减额运行状态：光伏发电系统出力低于80%装机容量的系统状态都归为资源限制的减额运行状态，以装机容量的50%出力作为其出力的平均状态值。

(3)设备故障的减额运行状态：由于部分设备故障单独退出运行造成系统部分出力损失状态，出力状态值与故障情况有关。

(4)停运状态：由于光伏发电系统的组件故障造成强迫停运、计划性检修造成系统的检修停运、夜间无辐射状态归为停运状态，出力状态为0。

三、配电网接纳分布式光伏电源能力分析

一般讲，基于电压偏差、电压波动和就地消纳约束条件下的典型变电站可接纳分布式光伏电源的容量受公共连接点处负荷水平、负荷波动情况、负荷功率因数、光伏电源功率因数等因素的影响;如果公共连接点负荷稳定，则可接纳的光伏电源容量较大：如果公共连接点负荷波动较大，公共连接点负荷波动与光伏功率波动叠加，将在公共连接点处产生较大的电压波动，则变电站可接纳光伏电源容量大大降低;对于较小容量光伏电源通过10kV馈线并网的情况，馈线负荷功率因数对光伏电源准入容量影响不大;光伏出力功率因数越接近于1(滞后)或以超前的功率因数运行有利于馈线接纳更多的分布式光伏电源：馈线R/X值较小有利于馈线接纳更多的分布式光伏电源;对于较大容量光伏电源通过10kV专线并网的情况，公共连接点母线负荷较重，光伏出力功率因数越接近于l(超前或滞后)、并网线路越短，越有利于变电站通过专线接纳更多的分布式光伏电源。

四、结论

分布式光伏电源大量接入配电网，对配电网的规划和运行带来了新的要求，在配电网的规划中要综合考虑电能质量、保护配置、供电可靠性、电力平衡、系统接纳能力、电量计量计费、信息采集等问题，做到科学、合理规划，确保电网的安全稳定运行。