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(yuǎn)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(huì)轉(zhuǎn)化為電力交換中心，這時(shí)分布式光伏電站與電網(wǎng)之間便會(huì)發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生諸如諧波、電壓擾動(dòng)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(gè)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(dòng)媒介，從而提升電能質(zhì)量和提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)，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(huì)各界，從政策制定者到市場從業(yè)者都達(dá)成了一個(gè)共識(shí)，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(dá)到保護(hù)環(huán)境，節(jié)能減排的目的。 　　傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成僅具有分配電能到末端用戶的功能，設(shè)計(jì)形式以垂直連接方案為主，其特點(diǎn)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(huì)大幅提高，這是推動(dòng)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(gè)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(jì)壓力，遠(yuǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)入電網(wǎng)為客戶提供電力，分布式能源需要被整合進(jìn)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(yùn)輸損耗，提高用電高峰時(shí)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(kuò)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(diǎn)，例如城市區(qū)域，同時(shí)光伏組件也可以成為公眾光伏知識(shí)普及教育的工具，也可以喚醒公眾的環(huán)保意識(shí)，號(hào)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(huì)對配電系統(tǒng)產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響。從技術(shù)觀點(diǎn)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(gè)方面進(jìn)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(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng) 　　在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電能是最高壓的時(shí)候輸送，低壓時(shí)消耗。隨著分布式能源滲透率的提高，功率流會(huì)變的更加復(fù)雜，低壓配電系統(tǒng)在分布式光伏電站運(yùn)行的影響下，不良的過壓情況可能會(huì)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(gè)相對常見的事情，技術(shù)規(guī)范會(huì)給出一個(gè)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(diǎn)的額定電壓，電壓會(huì)相對國家標(biāo)準(zhǔn)升高2～5%。而且一般說來，電網(wǎng)還有個(gè)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(jì)的目的也是為了避免電網(wǎng)的電壓波動(dòng)。 　　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(shí)，由于反向功率流的存在終端客戶的電壓會(huì)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(bào)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(shí)由于目前逆變器的設(shè)計(jì)中，都加入了過壓保護(hù)的功能，當(dāng)電壓一旦達(dá)到上限，逆變器就自動(dòng)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?yàn)榉植际焦夥娬镜妮敵龉β适芴栞椛淞康挠绊懢哂幸欢ǖ牟▌?dòng)性，輸出功率的波動(dòng)性關(guān)聯(lián)會(huì)造成配電網(wǎng)線路的電壓的波動(dòng)，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(jìn)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(jì)，來預(yù)防分布式光伏電站對配電網(wǎng)造成的電壓波動(dòng)。 　　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(hào)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(shí)也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波（Non-harmonics）或間諧波。 　　諧波實(shí)際上是一種干擾量，諧波電流會(huì)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(dòng)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(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)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(huì)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(gè)低壓電網(wǎng)中運(yùn)行時(shí)，盡管每個(gè)單獨(dú)的逆變器都滿足電氣設(shè)計(jì)規(guī)范，但是它們同時(shí)運(yùn)行形成的諧波電流可能會(huì)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(shí)，多逆變器綜合產(chǎn)生的諧波電流危害最容易顯現(xiàn)，此時(shí)電流控制的電子元件的處理能力會(huì)大幅度減弱，而同時(shí)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(diǎn)歸納如下： 　　在強(qiáng)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(shí)，逆變器對電網(wǎng)會(huì)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(huì)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(jì)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(gè)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(huì)影響脈寬調(diào)制控制的逆變器的運(yùn)行，尤其是當(dāng)逆變器與電網(wǎng)零交叉點(diǎn)的電壓波形同步時(shí)。 　　逆變器產(chǎn)生直流電危害的特點(diǎn)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(dòng)態(tài)行為和動(dòng)態(tài)效率。 　　單相電流型逆變器也不會(huì)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(shí)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(gè)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(gè)好的設(shè)計(jì)，接地故障依然會(huì)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(jì)和性能更好的電子元件，這些改進(jìn)因素在不斷提高光伏系統(tǒng)的可靠性，也同時(shí)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(jì)的大量出現(xiàn)，因?yàn)锽IPV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(hù)器可以為光伏系統(tǒng)及工作人員提供最大的保護(hù)，但是這個(gè)議題仍然值得繼續(xù)關(guān)注與研究。 　　另一個(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)，電容會(huì)產(chǎn)生漏電電流，而漏電電流會(huì)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(diǎn)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(shí)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(gè)光伏系統(tǒng)具有多個(gè)逆變器的時(shí)候，地線電流的勢能會(huì)造成一個(gè)問題區(qū)域，如果恰在此時(shí)，地線被破壞，就會(huì)在問題區(qū)域產(chǎn)生危險(xiǎn)。 　　電網(wǎng)短路容量 　　配電網(wǎng)的短路故障保護(hù)是通過過流繼電器和熔斷器等保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)的。通常來說分布式光伏電站不會(huì)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(shí)，此類逆變器屬于過流限制保護(hù)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(shí)，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(shí)間過載的時(shí)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(huì)提供短路電流中的一大部分，同時(shí)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(xiàn)很小。 　　正確的策略是，在電網(wǎng)，分布式光伏電站與客戶三個(gè)不同界面分別設(shè)置三個(gè)不同水平的短路故障保護(hù)。 　　非計(jì)劃性孤島現(xiàn)象 　　電網(wǎng)中斷供電時(shí)，各個(gè)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仍在運(yùn)行，并且與本地負(fù)載連接處于獨(dú)立運(yùn)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(jì)，但仍然無法完全避免在多個(gè)逆變器并聯(lián)的分布式光伏系統(tǒng)中，在多個(gè)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(jì)價(jià)值所決定，包括以下幾個(gè)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(yùn)輸成本；在某些特定時(shí)段內(nèi)的電能產(chǎn)出量（比如峰時(shí)）；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(yùn)行管理體系中，一種穩(wěn)定的峰時(shí)供電來源。但是在夏季熱浪襲來之時(shí)也是用電高峰浪潮的到來，這意味著電網(wǎng)進(jìn)入最緊張的時(shí)刻，恰恰在溫度最高的時(shí)候，一般都是太陽輻射最強(qiáng)的時(shí)候，分布式光伏電站可以達(dá)到它最大輸出功率的60～80%。這一點(diǎn)可以用來解決峰時(shí)到來時(shí)，局部用電的高要求與整個(gè)電網(wǎng)的無能力這一矛盾。 　　另一個(gè)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(jī)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(shí)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(shí)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(gè)結(jié)果可以推導(dǎo)得到一個(gè)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(shí)候，城市用電最高峰可以達(dá)到每小時(shí)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(gè)數(shù)字下降為每小時(shí)4.5度。 　　研究表明，分布式光伏電站滲透率的提高會(huì)大大緩解峰時(shí)電網(wǎng)局部供電能力不足的問題。 　　研究同時(shí)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(huì)使得能源消費(fèi)變得更為經(jīng)濟(jì)，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(huì)根據(jù)當(dāng)時(shí)的太陽輻射量和用電量對空調(diào)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。 　　逆變器為電網(wǎng)管控所增加的附加價(jià)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(huì)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(shí)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(yùn)行時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)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(shí)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(bǔ)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(dá)到臨界高位，不但可以進(jìn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)行效率下降時(shí)的重要后備能源供應(yīng)，并可以有效控制運(yùn)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(jià)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(jìn)行一個(gè)重新的評估，同時(shí)給出一個(gè)新的成本與收益模型。這也勢必推動(dòng)分布式光伏電站并網(wǎng)的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。