分布式光伏并網(wǎng)技術(shù)有多難？

各國的分布式電源，尤其是以太陽能光伏形式為主的發(fā)電單元正在迅猛發(fā)展。德國70%以上的風(fēng)電和光伏是通過35kV以下配電網(wǎng)并網(wǎng)，例如屋頂光伏已經(jīng)增長到10GW以上的安裝量。雖然政府補(bǔ)貼按月下調(diào)，但由于電價(jià)飛漲，這一趨勢未見衰退。統(tǒng)計(jì)顯示，美國已經(jīng)達(dá)到每四分鐘就有一個(gè)光伏系統(tǒng)被安裝的程度，屋頂分布式在其中的貢獻(xiàn)功不可沒。日本在過去的一年由于政策支撐和市場模式設(shè)計(jì)失敗，屋頂租賃等新興分布式模式未達(dá)到預(yù)期效果。日本地方政府力爭在今年改進(jìn)中介方式，提高成交量，東京都將要求發(fā)電運(yùn)營商就租金以外的收益方式進(jìn)行提案，例如太陽能發(fā)電可用作應(yīng)急儲(chǔ)備電源等。中國的分布式光伏在2013年更加大踏步前進(jìn)，共有15個(gè)支持政策相繼出臺(tái)，從國務(wù)院、發(fā)改委、能源局到各部委。伴隨著支持政策，分布式安裝預(yù)期不斷攀升。“十二五”規(guī)劃的35GW光伏發(fā)電容量中，有20GW將為分布式發(fā)電。從技術(shù)角度，即使是在新能源法EEG已經(jīng)出臺(tái)近14年的德國，分布式光伏并網(wǎng)還是在給TSO和DSO們帶來不小的困難和“額外工作”，900家電力系統(tǒng)運(yùn)營商中只有10%號(hào)稱可以讓光伏大規(guī)模的分布式接入（大規(guī)模接入的定義：光伏電源安裝量大于平均負(fù)荷值），并穩(wěn)定運(yùn)行其網(wǎng)絡(luò)。筆者就曾經(jīng)有過給德國配電網(wǎng)運(yùn)營商（DSO）提供光伏電站并網(wǎng)優(yōu)化方案的經(jīng)驗(yàn)，在這一過程中開發(fā)商、設(shè)備商和電網(wǎng)運(yùn)營商之間的并網(wǎng)技術(shù)博弈可見一斑。分布式光伏具體會(huì)對(duì)電網(wǎng)和用戶造成哪些影響，以下將有詳細(xì)的總結(jié)。對(duì)配網(wǎng)局部電壓穩(wěn)定的影響。中國早期建設(shè)的10kV配電線路多數(shù)是單輻射狀分布供電，系統(tǒng)安全性較低。在城區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與改造中逐漸考慮建立環(huán)網(wǎng)供電、開環(huán)運(yùn)行的模式。在各種配網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電壓的變化都會(huì)對(duì)線路保護(hù)、系統(tǒng)運(yùn)行安全造成影響。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，電壓理論上沿傳輸線潮流方向逐漸降低。分布式光伏接入后，由于傳輸功率的波動(dòng)和分布式負(fù)荷的特性，使傳輸線各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓偏高或偏低，導(dǎo)致電壓偏差超過安全運(yùn)行的技術(shù)指標(biāo)。圖1中描述了分布式光伏接入配電網(wǎng)對(duì)于局部電壓影響的原理，在大規(guī)模分布式光伏接入后，配電網(wǎng)局部節(jié)點(diǎn)存在靜態(tài)電壓偏移的問題。配網(wǎng)中尤其是低壓網(wǎng)絡(luò)對(duì)電壓變化比較敏感，若想抑制這種影響，需要在中低壓變化器選型中使用可控型變壓器。圖一：分布式系統(tǒng)接入對(duì)配電網(wǎng)局部電壓的影響對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響。德國大規(guī)模發(fā)展分布式光伏的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)告訴我們，小出力照樣會(huì)引起電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性問題。如前文所述，當(dāng)?shù)聡植际?，尤其是屋頂光伏安裝容量達(dá)到3GW的水平后，德國具備的備用電源即所謂的一次調(diào)頻將不能滿足分布式光伏電源同時(shí)切出的出力損失。原因在于，德國中壓并網(wǎng)導(dǎo)則生效之前，舊的小型光伏逆變器設(shè)計(jì)參數(shù)中，當(dāng)電網(wǎng)頻率超過50.2Hz即會(huì)直接脫網(wǎng)而不參與電網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)，即不對(duì)電力系統(tǒng)故障情況下做出貢獻(xiàn)。在其他光伏安裝量較多的國家，強(qiáng)調(diào)并網(wǎng)電源的頻率安全運(yùn)行范圍和發(fā)生頻率過限后的脫網(wǎng)時(shí)間也逐漸在并網(wǎng)導(dǎo)則中體現(xiàn)。對(duì)故障中短路電流的貢獻(xiàn)。傳統(tǒng)的同步機(jī)具有提供短路電流的能力，在與電網(wǎng)提供的短路電流疊加后可以確保線路保護(hù)在1~2個(gè)周波時(shí)間斷開。然而，光伏逆變器由于能量密度有限，其中電力電子元件過流能力限制，并不能提供較高的短路電流。通過實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)仿真，一般認(rèn)為光伏逆變器的短路電流只比額定電流大25%以內(nèi)。即使在國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，也只要求逆變器提供1倍額定的短路電流。這導(dǎo)致在大規(guī)模接入分布式光伏的情況下，傳輸線發(fā)生短路故障時(shí)，由于光伏逆變器短路電流能力不足，線路上的故障無法被檢測并且使保護(hù)響應(yīng)。尤其是在傳統(tǒng)的三段式保護(hù)中，瞬時(shí)電流速斷保護(hù)可能會(huì)不能被識(shí)別。根據(jù)光伏電站并網(wǎng)分析經(jīng)驗(yàn)，并網(wǎng)點(diǎn)的短路電流主要由接入的主網(wǎng)提供，并網(wǎng)點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò)是否“堅(jiān)強(qiáng)”整體決定了分布式的短路能力。光伏發(fā)電站貢獻(xiàn)短路電流造成中低壓設(shè)備的改造問題，如對(duì)電流保護(hù)、中壓開關(guān)和電流互感器等元器件的重新選型。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)的短路電流貢獻(xiàn)應(yīng)當(dāng)在配電系統(tǒng)規(guī)劃、分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中被充分考慮。對(duì)電能質(zhì)量的影響。諧波主要是指電流諧波，由光伏逆變器的電力電子元件引起，一般情況下只有通過測試分析才可以識(shí)別。閃變主要指電壓的快速波動(dòng)引起用電端可人為感知的效應(yīng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)中也是由同時(shí)快速投切的并網(wǎng)逆變器造成的。如果分布式光伏逆變器出廠測試不達(dá)標(biāo)，較差的電能質(zhì)量最壞情況下會(huì)對(duì)附近發(fā)電系統(tǒng)、敏感用電設(shè)備、信號(hào)傳輸造成破壞和干擾。分布式光伏產(chǎn)生的諧波和閃變對(duì)電網(wǎng)和負(fù)荷的影響，除了以上提及的因素外，還依賴于并網(wǎng)點(diǎn)的短路容量和同一中壓升壓變下并網(wǎng)的分布式電源總量。太陽能光伏電站的電能質(zhì)量應(yīng)當(dāng)滿足相關(guān)國家和地方并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)電流諧波和電壓閃變指標(biāo)應(yīng)當(dāng)有具體量化。圖二即為按照德標(biāo)分析的分布式光伏電站案例，可以看到低次諧波和中間諧波均有不同程度的超標(biāo)，此案例電站需要進(jìn)行重新測試或電能質(zhì)量優(yōu)化。圖二：分布式光伏電站諧波計(jì)算和德標(biāo)要求分析分布式光伏對(duì)電能質(zhì)量的影響還體現(xiàn)在快速電壓波動(dòng)和閃變上。由于分布式光伏的出力由光照決定，并且并網(wǎng)型的光伏逆變器由可快速關(guān)斷的電力電子元件控制，這可能會(huì)造成局部配電線路的電壓波動(dòng)和閃變，若加上負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化，將會(huì)引起更嚴(yán)重的結(jié)果。對(duì)功率因數(shù)和無功配置的要求。配電網(wǎng)接入的光伏發(fā)電單元的功率因數(shù)應(yīng)具備符合電網(wǎng)要求范圍內(nèi)可調(diào)的能力，并且按照標(biāo)準(zhǔn)要求配置一定的無功功率。否則將給電網(wǎng)的建設(shè)帶來巨大的投資和電網(wǎng)損耗，比如配置短期使用但是數(shù)量級(jí)巨大的電網(wǎng)無功將是一項(xiàng)投資巨大的工程。由于逆變器的靜態(tài)無功能力是與控制策略，如是否無功優(yōu)先控制和過載能力的設(shè)計(jì)相關(guān)，光伏逆變器靜態(tài)無功能力的充分應(yīng)用，對(duì)于設(shè)備投資和電網(wǎng)安全起著重要作用。我國許多大型光伏和風(fēng)電場都基本都要求功率因數(shù)要求在0.95（超前-滯后），不過對(duì)于逆變器本身的無功調(diào)節(jié)能力和過載能力未充分利用，從而造成加裝靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置，增加不必要的動(dòng)態(tài)響應(yīng)故障和重復(fù)投資的問題。這里不排除有些電站加裝無功補(bǔ)償裝置是為了優(yōu)化電壓指標(biāo)，諧波和減小損耗方面的考慮。然而，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)多數(shù)采用無功電壓控制，并使無功與有功控制解耦，配電網(wǎng)可等效為加入電容進(jìn)行無功電壓補(bǔ)償。但隨著電容的加裝，可能會(huì)同配電網(wǎng)的電感系統(tǒng)形成自然諧振。直流分量注入的影響。逆變器作為理想交流電源輸出的電壓應(yīng)為正弦波，不含有直流分量。實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于采用脈寬調(diào)制技術(shù)的逆變器，由于基準(zhǔn)正弦波的直流分量、控制電路中運(yùn)算放大器的零漂、開關(guān)器件的設(shè)計(jì)偏差以及驅(qū)動(dòng)脈沖分配和死區(qū)時(shí)間的不對(duì)稱等原因，輸出電流都會(huì)含有直流分量。逆變器的輸出電流含有直流分量將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生以下影響：1.在帶隔離變壓器的逆變器系統(tǒng)中，如果直流分量超過一定值，就會(huì)造成隔離變壓器飽和，導(dǎo)致系統(tǒng)過流保護(hù)，甚至損壞功率器件。2.在不帶隔離變壓器的逆變器系統(tǒng)中（10kW以下小型光伏系統(tǒng)），直流分量將直接對(duì)負(fù)載供電。對(duì)于非線性負(fù)載，直流分量會(huì)造成電流的嚴(yán)重不對(duì)稱，損壞負(fù)載。3.直流分量不僅給電源系統(tǒng)本身和用電設(shè)備帶來不良影響，還會(huì)對(duì)并網(wǎng)電流的諧波產(chǎn)生放大效應(yīng)，從而產(chǎn)生電能質(zhì)量問題。增加電網(wǎng)電纜的腐蝕；導(dǎo)致較高的瞬時(shí)電流峰值，可能燒毀熔斷器，引起斷電。國際上目前對(duì)直流分量上限規(guī)定基本一致，中國、美國、英國等的相關(guān)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定直流分量不允許超過每相電流額定值的0.5%。對(duì)未來智能配電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)的影響。隨著國網(wǎng)對(duì)智能電網(wǎng)發(fā)展的規(guī)劃，適用于中國國情的智能電網(wǎng)系統(tǒng)將會(huì)建成，作為整個(gè)電網(wǎng)總資產(chǎn)40-50%的配電網(wǎng)新規(guī)劃、新設(shè)計(jì)也勢在必行。傳統(tǒng)配電網(wǎng)的利用率較低，據(jù)統(tǒng)計(jì)，配電網(wǎng)網(wǎng)損占整個(gè)電網(wǎng)網(wǎng)損的80%以上。隨著新能源，尤其是分布式光伏的接入，智能配電網(wǎng)將面臨以下新的挑戰(zhàn)：1.大量中低壓配電網(wǎng)接入的分布式能源將徹底改變傳統(tǒng)配電系統(tǒng)單向潮流的特點(diǎn)，數(shù)以萬記的分布式光伏需要系統(tǒng)配備新的保護(hù)方案、電壓控制策略和檢測儀表以滿足雙向潮流等產(chǎn)生的問題；2.隨著智能電網(wǎng)概念的深入，需求側(cè)管理（Demand response）將對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)提出技術(shù)方面的新要求，傳統(tǒng)的發(fā)輸配用環(huán)節(jié)將在這一概念下逐漸在配用側(cè)逐漸深入延伸；3.在智能配電網(wǎng)中，數(shù)字化技術(shù)，如實(shí)時(shí)監(jiān)控、資產(chǎn)管理和決策分析等方面將逐漸取代傳統(tǒng)的以模擬技術(shù)為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)絡(luò)，這就對(duì)配電網(wǎng)的供電可靠性、電能質(zhì)量、自動(dòng)化的設(shè)計(jì)和規(guī)劃提出了更高級(jí)的要求。4.分布式光伏的大量接入加大了負(fù)荷預(yù)測難度，改變了既有的負(fù)荷增長模式，也使配電網(wǎng)的管理變得更為復(fù)雜。本文作者長期從事國際新能源入網(wǎng)評(píng)估、方案設(shè)計(jì)和新能源電站建模仿真等工作?；谧晕议_發(fā)和國際流行的系統(tǒng)仿真軟件對(duì)大規(guī)模新能源接入和分布式并網(wǎng)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，以滿足各國規(guī)定的系統(tǒng)接入電網(wǎng)要求，提高發(fā)電質(zhì)量，并提出改善方案。在配電網(wǎng)規(guī)劃方面，應(yīng)用相應(yīng)仿真工具對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行智能規(guī)劃和區(qū)域負(fù)荷預(yù)測分析。范征，北京艾能萬德新能源技術(shù)咨詢公司總經(jīng)理，從事新能源并網(wǎng)、配電網(wǎng)規(guī)劃、新能源城市規(guī)劃和電力軟件研發(fā)等工作。