從分布式光伏電站與配電網(wǎng)的相互影響 談逆變器技術(shù)的創(chuàng)新方向

分布式光伏電站滲透率的提高對配電網(wǎng)的影響是廣泛而深遠的。一旦分布式能源滲透率提高到10～20%，傳統(tǒng)配電網(wǎng)將會轉(zhuǎn)化為電力交換中心，這時分布式光伏電站與電網(wǎng)之間便會發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生諸如諧波、電壓擾動等問題。解決這些問題的關(guān)鍵是逆變器。未來，逆變器扮演的角色不僅僅是一個將光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電輸入電網(wǎng)的電流轉(zhuǎn)換器，它還將成為電網(wǎng)和光伏系統(tǒng)的管控中心與互動媒介，從而提升電能質(zhì)量和提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，同時，還能將逆變器與用電需求側(cè)管理相結(jié)合，使之成為智能電力管理中心。 　　背景介紹 　　今天，中國社會各界，從政策制定者到市場從業(yè)者都達成了一個共識，不斷提高可再生能源，包括光伏，風(fēng)能以及生物質(zhì)能發(fā)電等新能源分布式電站的滲透率。利用分布式發(fā)電的優(yōu)勢，充分開發(fā)利用各種可用的分散存在的能源，提高能源的利用效率，才能真正達到保護環(huán)境，節(jié)能減排的目的。 　　傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)被設(shè)計成僅具有分配電能到末端用戶的功能，設(shè)計形式以垂直連接方案為主，其特點是集中發(fā)電，分散消耗，不同的電網(wǎng)控制區(qū)域之間互聯(lián)能力有限。未來在中國，分布式能源的滲透率會大幅提高，這是推動電網(wǎng)控制模式從中央控制到分布式多層控制，逐步改變的一個重要因素。隨著電力市場的自由化程度不斷加大和光伏技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，建設(shè)大型電站需要面臨巨大的經(jīng)濟壓力，遠不如建設(shè)小型分布式光伏電站來得劃算。 　　分布式光伏能源在電力供應(yīng)上的質(zhì)量保證和其安全性，對于那些強烈依賴化石能源做為電力供應(yīng)而且電力基礎(chǔ)傳輸設(shè)施老化的國家具有很強的吸引力。分布式技術(shù)的不斷成熟，從1kW到10MW容量的電站同低壓電網(wǎng)相連，進入電網(wǎng)為客戶提供電力，分布式能源需要被整合進電網(wǎng)而不是簡單的連接到電網(wǎng)上。 　　將分布式光伏電站納入電網(wǎng)規(guī)劃帶來的好處如下： 　　短期效益：減少電力傳送和分配所產(chǎn)生的運輸損耗，提高用電高峰時間電網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量和持續(xù)性，減少溫室氣體排放。 　　中長期效益：延緩未來電網(wǎng)擴容的投資，減少為滿足用電高峰期的負(fù)載要求而增加的巨型額外發(fā)電設(shè)備。分布式光伏電站一般要求部署在電力消耗點，例如城市區(qū)域，同時光伏組件也可以成為公眾光伏知識普及教育的工具，也可以喚醒公眾的環(huán)保意識，號召大家接納和使用清潔能源。 　　分布式能源通常接入中壓或低壓配電系統(tǒng)，并會對配電系統(tǒng)產(chǎn)生廣泛而深遠的影響。從技術(shù)觀點來看，對于分布式光伏電站融合入電網(wǎng)，逆變器是控制兩者之間的相互影響的關(guān)鍵。為了讓分布式光伏電站與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)更好的融合，更好的協(xié)調(diào)分布式光伏電站與配電網(wǎng)之間的相互影響，比如控制能源質(zhì)量與保證系統(tǒng)與電網(wǎng)的安全，解決這些問題的核心就是光伏逆變器。 　　本文從兩個方面進行分析。一、分布式光伏電站對配電網(wǎng)的影響，目前存在的技術(shù)障礙；二、配電網(wǎng)對分布式光伏電站的影響。而解決兩者相互影響所引發(fā)的技術(shù)問題的關(guān)鍵是逆變器，通過對互動影響的探討，勾勒出出未來逆變器技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展的方向。 　　I. 分布式光伏電站對配電網(wǎng)的影響 　　作者從以下幾個方面討論了分布式光伏電站對配電網(wǎng)的影響，包括電力工業(yè)中幾個常見問題，電壓，電流，功率。以及在解決這些問題上，逆變器是如何發(fā)揮作用的。 　　逆變器控制電壓波動 　　在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計中，電能是最高壓的時候輸送，低壓時消耗。隨著分布式能源滲透率的提高，功率流會變的更加復(fù)雜，低壓配電系統(tǒng)在分布式光伏電站運行的影響下，不良的過壓情況可能會出現(xiàn)。 　　配電系統(tǒng)工作人員有義務(wù)必須為電網(wǎng)客戶保證電能質(zhì)量。在配電網(wǎng)中由于荷載變化造成電壓水平變化是個相對常見的事情，技術(shù)規(guī)范會給出一個規(guī)定值的可接受超出范圍。舉例說明，在國內(nèi)，市政低壓電網(wǎng)的電壓變化在額定值的上下10%變化，通常被認(rèn)為是可以接受的。通常從分布式光伏電站輸入的電能相比于接入點的額定電壓，電壓會相對國家標(biāo)準(zhǔn)升高2～5%。而且一般說來，電網(wǎng)還有個約定俗成的原則，分布式光伏電站的發(fā)電量不能超過低壓網(wǎng)的33%，中壓網(wǎng)的50%，這樣設(shè)計的目的也是為了避免電網(wǎng)的電壓波動。 　　德國學(xué)者Rutschmann的研究表明，當(dāng)大規(guī)模的分布式光伏電站被接入電壓控制的配電網(wǎng)線路時，由于反向功率流的存在終端客戶的電壓會增高。電壓升高的值由分布式光伏電站的容量和負(fù)載的比例所決定。目前由于國內(nèi)分布式光伏電站興建的規(guī)模很小，尚無相關(guān)電壓升高問題的報道。Rutschmann在德國的研究表明這類現(xiàn)象都發(fā)生在農(nóng)村電網(wǎng)地區(qū)，其原因是農(nóng)村用戶負(fù)載過小，因此安裝在城市地區(qū)的分布式光伏電站發(fā)生此類問題的概率極低。同時由于目前逆變器的設(shè)計中，都加入了過壓保護的功能，當(dāng)電壓一旦達到上限，逆變器就自動切換為電壓控制器，所以也有效的避免了此類事故的發(fā)生。 　　一般來說，合理的策略是嚴(yán)格控制客戶終端的負(fù)載與對應(yīng)分布式光伏電站功率之間的比值，避免出現(xiàn)較大的不對稱。 　　另一方面，因為分布式光伏電站的輸出功率受太陽輻射量的影響具有一定的波動性，輸出功率的波動性關(guān)聯(lián)會造成配電網(wǎng)線路的電壓的波動，尤其是在那些負(fù)載較低的線路上。通過對安裝有分布式光伏電站的住宅小區(qū)配電網(wǎng)進行數(shù)值模擬的研究發(fā)現(xiàn)，輸出功率變化的減緩可以有效降低電壓的變化。而控制分布式光伏電站輸出功率變化的速率，正是逆變器的功用之一，也就是說，可以通過逆變器的控制設(shè)計，來預(yù)防分布式光伏電站對配電網(wǎng)造成的電壓波動。 　　諧波和間諧波電流 　　一般來說, 理想的交流電應(yīng)是純正弦波形，但因生產(chǎn)生活中電網(wǎng)系統(tǒng)的輸出阻抗及非線性負(fù)載等原因，常常導(dǎo)致電源波形失真。中國電壓基礎(chǔ)頻率是50Hz。將失真的交流非正弦信號經(jīng)傅立葉轉(zhuǎn)換分析后，可將其電壓組成分解為除了基頻(50Hz)外，倍頻(100Hz, 150Hz，…...)成份的線性組合。其倍頻的成份就稱為諧波：harmonic。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1） 稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波（Non-harmonics）或間諧波。 　　諧波實際上是一種干擾量，諧波電流會產(chǎn)生大量倍頻的電污染，使電網(wǎng)受到“污染”。諧波的危害十分嚴(yán)重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。間諧波的影響和危害等同整數(shù)次諧波電壓的影響和危害。 　　當(dāng)許多逆變器在同一個低壓電網(wǎng)中運行時，盡管每個單獨的逆變器都滿足電氣設(shè)計規(guī)范，但是它們同時運行形成的諧波電流可能會產(chǎn)生超過規(guī)范規(guī)定的諧波電壓。尤其是當(dāng)電網(wǎng)的阻抗和諧振頻率發(fā)生變化時，多逆變器綜合產(chǎn)生的諧波電流危害最容易顯現(xiàn)，此時電流控制的電子元件的處理能力會大幅度減弱，而同時大量出現(xiàn)的非正弦波就不能得到充分處理。 　　逆變器對低壓電網(wǎng)可能產(chǎn)生諧波電流危害的特點歸納如下： 　　在強網(wǎng)絡(luò)中，逆變器并不是諧波電流危害的主要來源，主要來源仍然是電網(wǎng)的一些非線性負(fù)載。但是在電網(wǎng)的阻抗和諧振頻率發(fā)生突然改變時，逆變器對電網(wǎng)會造成諧波電流危害。 　　在弱網(wǎng)絡(luò)中，接入電網(wǎng)逆變器數(shù)量的增加會直接加大諧波電流的產(chǎn)生幾率。 　　來自逆變器的直流電 　　對于分布式光伏電站，直流電流的監(jiān)控是非常必要的。直流電對電網(wǎng)設(shè)備的影響主要集中在配電變壓器，剩余電流裝置（RCD），變流器，（有功）電度表，金屬結(jié)構(gòu)和電纜，其中最顯著的影響被發(fā)現(xiàn)在剩余電流裝置（RCD）和變流器上，主要表現(xiàn)為諧波失真，損耗，發(fā)熱和噪音。 　　目前很多逆變器使用變壓器，內(nèi)在地抑制任何直流電的出現(xiàn)。而無變壓器的逆變器卻具有很大的技術(shù)和經(jīng)濟上的優(yōu)勢，例如：更高的效率和更少的重量，占地小，成本低，因而日益受到業(yè)界的重視?，F(xiàn)代脈寬調(diào)制技術(shù)使得五變壓器的逆變器的輸出中可以抑制直流電流的因素。然而，當(dāng)一個正負(fù)極不平衡存在于電網(wǎng)電壓波形，這種情況等同于偶數(shù)階諧波。而這種不平衡引發(fā)的諧波失真會影響脈寬調(diào)制控制的逆變器的運行，尤其是當(dāng)逆變器與電網(wǎng)零交叉點的電壓波形同步時。 　　逆變器產(chǎn)生直流電危害的特點總結(jié)如下： 　　應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)的逆變器可以減少直流電流的出現(xiàn)，而且不需要兼顧協(xié)調(diào)動態(tài)行為和動態(tài)效率。 　　單相電流型逆變器也不會產(chǎn)生顯著的直流電流分量，即使是當(dāng)電網(wǎng)電壓的偶數(shù)階諧波存在的時候。 　　目前尚無任何研究表明已安裝分布式光伏電站的配電網(wǎng)中與直流電相關(guān)的干擾是由分布式光伏電站本身引起的。 　　接地故障與漏電電流 　　分布式光伏系統(tǒng)暴露在室外的氣象條件下，光伏系統(tǒng)的電流與大地意外連接，導(dǎo)致絕緣失效，這種情況稱為接地故障，在整個光伏系統(tǒng)25年的服務(wù)期內(nèi)，這種現(xiàn)象是有一定概率發(fā)生的。即使是一個好的設(shè)計，接地故障依然會發(fā)生，發(fā)生的位置最可能是在連接盒、開關(guān)或者逆變器等處，發(fā)生的原因可能是由于電子元件或者材料的損壞與老化。雖然近年來，專門的技術(shù)規(guī)范、更好的設(shè)計和性能更好的電子元件，這些改進因素在不斷提高光伏系統(tǒng)的可靠性，也同時大幅降低接地故障發(fā)生的可能性。然而隨著建筑光伏一體化（BIPV）設(shè)計的大量出現(xiàn)，因為BIPV中大量的導(dǎo)線存在于建筑物中，這大大增加了接地故障發(fā)生的可能性。盡管漏電保護器可以為光伏系統(tǒng)及工作人員提供最大的保護，但是這個議題仍然值得繼續(xù)關(guān)注與研究。 　　另一個需要考慮的是電容可能產(chǎn)生漏電電流的影響，這里的電容是指以下幾個方面：在光伏系統(tǒng)中直流和交流部分的電容，光伏組件和支架系統(tǒng)的接地電容，逆變器中抗電磁干擾的濾波器電容。當(dāng)交流電壓分量在這些電容中起作用時，有可能使得地線帶電。以無變壓作用的逆變器為例，當(dāng)交流電壓分量作用于逆變器中濾波器的電容時，電容會產(chǎn)生漏電電流，而漏電電流會流入地線，在正常情況下，地線中是沒有電流的。 　　接地故障與漏電電流危害的特點總結(jié)如下： 　　光伏系統(tǒng)中的接觸電壓，尤其是，逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對漏電電流有最大的影響。目前尚未發(fā)現(xiàn)漏電電流與氣象條件，例如，太陽輻射，濕度，大氣壓，風(fēng)速這些條件間有明顯的關(guān)聯(lián)。另外大量研究也表明，使用鋁邊框的組件比無邊框組件，當(dāng)反向接觸的時候，漏電電流發(fā)生率高出50%，而正向接觸則無區(qū)別。 　　當(dāng)一個光伏系統(tǒng)具有多個逆變器的時候，地線電流的勢能會造成一個問題區(qū)域，如果恰在此時，地線被破壞，就會在問題區(qū)域產(chǎn)生危險。 　　電網(wǎng)短路容量 　　配電網(wǎng)的短路故障保護是通過過流繼電器和熔斷器等保護裝置實現(xiàn)的。通常來說分布式光伏電站不會顯著增加配電網(wǎng)一側(cè)的短路故障率。 　　原因如下： 　　1.光伏陣列的短路電流屬于自限型的，典型的不超過額定最大功率電流的10%～20%。 　　2.逆變器正常安裝的是欠壓繼電器。 　　3.應(yīng)用在分布式電站中的逆變器大多數(shù)是電流控制，當(dāng)從電網(wǎng)產(chǎn)生干擾時，此類逆變器屬于過流限制保護狀態(tài)。 　　對于高滲透率的配電網(wǎng)，當(dāng)具有某些特定條件時，短路故障較容易發(fā)生。例如：位于具有高阻抗的較長的配電線路的末端，或者當(dāng)配電線路處于長時間過載的時候都容易發(fā)生短路故障。大多數(shù)光伏系統(tǒng)不但不能檢測到故障的發(fā)生，而且還會提供短路電流中的一大部分，同時也阻止了故障檢測。有大量研究證明，應(yīng)用于分布式電源的現(xiàn)代脈寬調(diào)制逆變器對于短路故障電流的貢獻很小。 　　正確的策略是，在電網(wǎng)，分布式光伏電站與客戶三個不同界面分別設(shè)置三個不同水平的短路故障保護。 　　非計劃性孤島現(xiàn)象 　　電網(wǎng)中斷供電時，各個光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仍在運行，并且與本地負(fù)載連接處于獨立運行狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為孤島效應(yīng)。盡管現(xiàn)在的光伏逆變器普遍采用了預(yù)測孤島現(xiàn)象和切斷電路的設(shè)計，但仍然無法完全避免在多個逆變器并聯(lián)的分布式光伏系統(tǒng)中，在多個逆變器相互影響的特殊情況下，出現(xiàn)無法探測到孤島現(xiàn)象的問題。 　　功率值與荷載容量值 　　分布式光伏電站的功率值由生產(chǎn)電能的經(jīng)濟價值所決定，包括以下幾個部分：發(fā)電效率；給定的電站位置與負(fù)載之間的距離即運輸成本；在某些特定時段內(nèi)的電能產(chǎn)出量（比如峰時）；以及產(chǎn)出的平衡，就是負(fù)載與生產(chǎn)電能之間的匹配。 　　傳統(tǒng)地，由于太陽能本身內(nèi)在不可控的因素，光伏尚不能作為電網(wǎng)運行管理體系中，一種穩(wěn)定的峰時供電來源。但是在夏季熱浪襲來之時也是用電高峰浪潮的到來，這意味著電網(wǎng)進入最緊張的時刻，恰恰在溫度最高的時候，一般都是太陽輻射最強的時候，分布式光伏電站可以達到它最大輸出功率的60～80%。這一點可以用來解決峰時到來時，局部用電的高要求與整個電網(wǎng)的無能力這一矛盾。 　　另一個有趣的概念是“有效負(fù)載容量”（effective load-carryingcapacity, ELCC），這一概念反映的是發(fā)電機有效滿足現(xiàn)有負(fù)載的能力。對于分布式光伏電站來說，ELCC代表的是它為電網(wǎng)提供的電能占當(dāng)時電網(wǎng)負(fù)載所需電能（也就是電網(wǎng)的荷載容量值）的百分比。 　　2002～2003年間全美國的荷載數(shù)據(jù)和基于每小時的輻射量所做的分布式光伏電站的發(fā)電量模擬研究結(jié)果為：假設(shè)前提是分布式光伏電站的滲透率為10～20%，全美國分布式光伏電站的平均ELCC值在35～55%之間。從這個結(jié)果可以推導(dǎo)得到一個簡單的結(jié)論，建設(shè)基礎(chǔ)電網(wǎng)容量為10～20%的分布式光伏電站，可以解決35～55%的用電問題。 　　美國紐約市2004年的研究表明，在城市中一年最熱的時候，城市用電最高峰可以達到每小時19度。發(fā)電量模擬研究表明，將紐約市分布式光伏電站滲透率設(shè)定為10%，可以使得這個數(shù)字下降為每小時4.5度。 　　研究表明，分布式光伏電站滲透率的提高會大大緩解峰時電網(wǎng)局部供電能力不足的問題。 　　研究同時指出：未來的趨勢是分布式光伏發(fā)電與能源管控相結(jié)合，這會使得能源消費變得更為經(jīng)濟，更為理性。舉例如下：空調(diào)使用可以采用太陽輻射智能控制，光伏智能溫控中心會根據(jù)當(dāng)時的太陽輻射量和用電量對空調(diào)溫度進行實時調(diào)控。 　　逆變器為電網(wǎng)管控所增加的附加價值 　　隨著分布式光伏電站滲透率的不斷提高，應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)的逆變器會大量被使用，它不但發(fā)揮著直流變交流的傳統(tǒng)功能，同時還為配電網(wǎng)帶來很多的附加利益。 　　減少電壓諧波 　　可以有效提高電能的質(zhì)量。逆變器運行時，相當(dāng)于一個有源濾波器在工作，可以有效減少電網(wǎng)中的電壓諧波。 　　無功功率控制 　　當(dāng)逆變器與負(fù)載相連接，逆變器不但能為負(fù)責(zé)提供有功功率，同時還能產(chǎn)生或吸收一部分無功功率，因此分布式光伏電站使用的脈寬調(diào)整技術(shù)的逆變器可以補償所在配電網(wǎng)無功功率的缺少或超出部分，并對電壓調(diào)控具有良好的效果。 　　功率因子管控和對稱相位控制 　　當(dāng)電網(wǎng)電壓水平達到臨界高位，不但可以進行無功功率控制，還可以持續(xù)提供有功功率，并且避免輸電線路上的電壓進一步升高。另外，三相逆變器可以通過自身提供三相不平衡電流幫助電網(wǎng)相位不平衡電壓回到平衡位。 　　電網(wǎng)的穩(wěn)定性和預(yù)防運行中的孤島現(xiàn)象的發(fā)生 　　隨著分布式光伏電站滲透率的提高，分布式光伏能源可以作為電網(wǎng)失效或運行效率下降時的重要后備能源供應(yīng)，并可以有效控制運行性孤島現(xiàn)象的產(chǎn)生。 　　完全開發(fā)出逆變器的所有附加價值，就可以對分布式光伏電站能為用戶和電網(wǎng)提供所有服務(wù)進行一個重新的評估，同時給出一個新的成本與收益模型。這也勢必推動分布式光伏電站并網(wǎng)的綜合優(yōu)化設(shè)計。