分布式光伏并網(wǎng)技術難點分析

各國以太陽能光伏形式為主的分布式發(fā)電正在迅猛發(fā)展。德國的屋頂光伏安裝量已經(jīng)增長到10GW以上。雖然政府補貼按月下調，但由于電價飛漲，這一趨勢未見衰退。美國已經(jīng)達到每四分鐘就有一個光伏系統(tǒng)被安裝的程度，屋頂分布式在其中的貢獻功不可沒。日本在過去的一年由于政策支撐和市場模式設計失敗，屋頂租賃等新興分布式模式未達到預期效果。但日本地方政府力爭在今年改進中介方式，提高成交量，比如將太陽能發(fā)電可用作應急儲備電源等。 　　中國的分布式光伏在2013年更加大踏步前進，共有15個支持政策相繼出臺。“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。從技術角度，即使是在新能源法EEG已經(jīng)出臺近14年的德國，分布式光伏并網(wǎng)還是在給電網(wǎng)公司們帶來不小的困難和“額外工作”，900家電力系統(tǒng)運營商中只有10%號稱可以讓光伏大規(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荷值），并穩(wěn)定運行其網(wǎng)絡。筆者就曾經(jīng)有過給德國配電網(wǎng)運營商提供光伏電站并網(wǎng)優(yōu)化方案的經(jīng)驗，在這一過程中開發(fā)商、設備商和電網(wǎng)運營商之間的并網(wǎng)技術博弈可見一斑。 　　1.對配網(wǎng)局部電壓穩(wěn)定的影響。 　　中國早期建設的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)絡建設與改造中逐漸考慮建立環(huán)網(wǎng)供電、開環(huán)運行的模式。在各種配網(wǎng)結構中，靜態(tài)和動態(tài)電壓的變化都會對線路保護、系統(tǒng)運行安全造成影響。穩(wěn)態(tài)運行狀態(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和分布式負荷的特性，使傳輸線各負荷節(jié)點處的電壓偏高或偏低，導致電壓偏差超過安全運行的技術指標。圖1中描述了分布式光伏接入配電網(wǎng)對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)點存在靜態(tài)電壓偏移的問題。配網(wǎng)中尤其是低壓網(wǎng)絡對電壓變化比較敏感，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。 　　2.對電網(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)驗教訓告訴我們，小出力照樣會引起電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性問題。如前文所述，當?shù)聡植际?，尤其是屋頂光伏安裝容量達到3GW的水平后，德國具備的備用電源即所謂的一次調頻將不能滿足分布式光伏電源同時切出的出力損失。原因在于，德國中壓并網(wǎng)導則生效之前，舊的小型光伏逆變器設計參數(shù)中，當電網(wǎng)頻率超過50.2Hz即會直接脫網(wǎng)而不參與電網(wǎng)系統(tǒng)服務，即不對電力系統(tǒng)故障情況下做出貢獻。在其他光伏安裝量較多的國家，強調并網(wǎng)電源的頻率安全運行范圍和發(fā)生頻率過限后的脫網(wǎng)時間也逐漸在并網(wǎng)導則中體現(xiàn)。 　　3.對故障中短路電流的貢獻。 　　傳統(tǒng)的同步電機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在1~2個周波時間斷開。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。通過實驗和動態(tài)仿真，一般認為光伏逆變器的短路電流只比額定電流大25%以內。 　　即使在國際相關標準中，也只要求逆變器提供1倍額定的短路電流。這導致在大規(guī)模接入分布式光伏的情況下，傳輸線發(fā)生短路故障時，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響應。尤其是在傳統(tǒng)的三段式保護中，瞬時電流速斷保護可能會不能被識別。 　　根據(jù)光伏電站并網(wǎng)分析經(jīng)驗，并網(wǎng)點的短路電流主要由接入的主網(wǎng)提供，并網(wǎng)點連接的網(wǎng)絡是否“堅強”整體決定了分布式的短路能力。光伏發(fā)電站貢獻短路電流造成中低壓設備的改造問題，如對電流保護、中壓開關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)的短路電流貢獻應當在配電系統(tǒng)規(guī)劃、分布式系統(tǒng)設計中被充分考慮。 　　4.對電能質量的影響。 　　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別。閃變主要指電壓的快速波動引起用電端可人為感知的效應。光伏發(fā)電系統(tǒng)中也是由同時快速投切的并網(wǎng)逆變器造成的。如果分布式光伏逆變器出廠測試不達標，較差的電能質量最壞情況下會對附近發(fā)電系統(tǒng)、敏感用電設備、信號傳輸造成破壞和干擾。 　　分布式光伏產(chǎn)生的諧波和閃變對電網(wǎng)和負荷的影響，除了以上提及的因素外，還依賴于并網(wǎng)點的短路容量和同一中壓升變壓器下并網(wǎng)的分布式電源總量。太陽能光伏電站的電能質量應當滿足相關國家和地方并網(wǎng)標準，有關電流諧波和電壓閃變指標應當有具體量化。圖二即為按照德標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，此案例電站需要進行重新測試或電能質量優(yōu)化。