分布式光伏并網(wǎng)技術(shù)難點分析

【中玻網(wǎng)】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。雖然相關(guān)部門補(bǔ)貼按月下調(diào)，但由于電價飛漲，這一趨勢未見衰退。美國已經(jīng)達(dá)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(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)計失敗，屋頂租賃等新興分布式模式未達(dá)到預(yù)期效果。但日本地方相關(guān)部門力爭在今年改進(jìn)中介方式，提高成交量，比如將太陽能發(fā)電可用作應(yīng)急儲備電源等。中國的分布式光伏在2013年更加大踏步前進(jìn)，共有15個支持政策相繼出臺�！笆濉币�(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(fù)荷值），并穩(wěn)定運行其網(wǎng)絡(luò)。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(shè)備商和電網(wǎng)運營商之間的并網(wǎng)技術(shù)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(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)運行的模式。在各種配網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，靜態(tài)和動態(tài)電壓的變化都會對線路保護(hù)、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(fù)荷的特性，使傳輸線各負(fù)荷節(jié)點處的電壓偏高或偏低，導(dǎo)致電壓偏差超過安全運行的技術(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(luò)對電壓變化比較敏感，若想舒緩這種影響，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(xùn)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(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)計參數(shù)中，當(dāng)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(wù)，即不對電力系統(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(dǎo)則中體現(xiàn)。

　　3、對故障中短路電流的貢獻(xiàn)

　　傳統(tǒng)的同步電機(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)模仿，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)。即使在全部相關(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，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驗并且使保護(hù)響應(yīng)。尤其是在傳統(tǒng)的三段式保護(hù)中，瞬時電流速斷保護(hù)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(luò)是否“堅強(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)計中被充分考慮。

　　4、對電能質(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(yīng)。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(dá)標(biāo)，較差的電能質(zhì)量較好壞情況下會對附近發(fā)電系統(tǒng)、敏感用電設(shè)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(fù)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(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。