分布式光伏发电运行特性及其对配电网的影响

Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ・电力电子　分布式光伏发电运行特性及其对配电网的影响　本文从研究分布式光伏发电　的有功、无功、电能质量等运行　特性入手，逐步推导出分布式光　伏并网对配电网的规划、静态特　性、继电保护、电能质量的影响，　从而提出分布式光伏并网后，能　确保配网安全、经济、可控运行　的建议。　【关键词】分布式光伏配网　国家为了调整能源结构、保障能源安全、　促进节能减排、保护生态环境，实现经济社会　可持续发展，从２００６年起，陆续出台了支持　光伏发电等可再生能源发展的一系列配套政　策。特别是２０１２年以来国家有关部门进一步　加大光伏产业扶持力度，多次召开座谈会，密　集出台支持政策。我国分布式光伏并网发电呈　现快速增长的势头，因此对分布式光伏对配电　网的影响研究很有必要，本文从研究分布式光　伏发电的运行特性入手，逐步推导出对配电网　的影响，具体情况如下：　１分布式光伏发电的运行特性　分布式光伏发电按接入位置可分为两类，　一类以建筑光伏为代表，接入用户内部电网；　另一类通过专线直接接入配电网。光伏发电输　出功率与日照及其他环境因素密切相关，采用　的并网逆变器中的电力电子装置会产生谐波，　同时功率的波动会造成配网电压的波动和闪　变，主要运行特性如下。　１．１有功出力　输出功率跟随日照强度的变化呈现典型　的单峰特性，中午ｌ１点值下午ｌ３点期间出力　达到峰值，夜间无有功出力。日间平均出力分　布较为均匀，整体变化趋势是随着有功出力的　增大，分布概率减小。投运１年左右的光伏电　站，出力最大值约为装机容量的９３％。一天内　发电站每分钟平均出力的波动范围较大，最大　约为电站总容量的２５％。江苏苏北典型光伏电　站的年利用小时数约为ｌ１Ｏ０～１２００小时，见　图１。　１．２电能质量　接入用户内部的光伏电站，电能质量问　题直接影响用户内部电器设备安全，对配电网　接入公共连接点所受影响很小，基本可忽略。　直接接入配电网的光伏电能质量水平受　文／郑颖春　．　＾　『。　’　ｈ　　｝．　ｒ　１　／｜　｝＿．　｛　，　／　＼　图１：典型光伏电站日功率变化曲线　电力电子换流技术影响较大，主要出现５、７、　分布式发电接入对配电网的影响主要集　２３、２５次特征谐波。谐波电流随着谐波次数　中在潮流、损耗、电压分布等方面。　的增大，与谐波次数一般呈反比关系，２Ｏ次　２．２．１对潮流的影响　及以上高次谐波的有名值一般较小，且高次谐　分布式发电接入使配网的潮流大小、方　波电流在配网中传输时随电气距离的增大衰减　向产生较大变化，潮流流动的方向可能出现经　较大，其余光伏电站谐波指标均满足国标要求。　常性的改变，进而对电压分布、损耗、电能质　电压波动和闪变、三相电压不平衡、直流注入　量、暂态稳定、继电保护等产生影响，因此分　等电能质量运行指标均未发现超标问题，对电　布式发电接入应尽量遵循就地消耗的原则。　网影响有限，见图２。　２．２．２对网损的影响　１．３无功电压　分布式发电的接入位置和容量将给配网　损耗带来一定影响。合理的分布式发电布置方　光伏发电系统由于容量较小，自身无功变　案可以在一定程度上减少配电系统损耗，且分　化引起配网接入点电压的变化有限，以江苏省　布式发电并网后，配电网络的最优运行结构也　为例，目前江苏最大的光伏电站接入点无功导　随分布式发电并网位置及容量的不同而变化。　致的电压偏差为２．９％，低于标准中７％的要求。　从较少损耗的角度考虑，尽量将小容量的分布　式发电配置在输电线末段附近，将大容量分布　２分布式光伏发电对配电网的影响　式发电配置在变电所及母线附近合适的位置。　分布式发电主要接入配电网，大量分布　但当分布式发电的出力大于等于２倍的分布式　式发电的接入使得配电系统从放射状结构变为　发电接入点母线的负荷时，分布式发电接入任　多电源结构，配网潮流的大小和方向有可能发　何位置都会增加馈线损耗，且接入位置越接近　生显著改变，将对电力系统尤其是配电网的静　末端，损耗增加越多。　态特性、继电保护和电能质量产生影响。随着　２．２－３对电压分布的影响　未来分布式电源的大规模接入，对配电网的影　分布式发电的接入位置和容量将会给配　响主要归纳为如下方面，　电网电压分布带来一定影响。分布式发电接入　时，接入馈线上越靠近末端的节点电压增加量　２．１对配电网规划的影响　比越靠近前端的节点大，大容量分布式发电在　由于分布式发电可就地平衡部分负荷，　线路末端接入会使某些节点电压高于允许上　且分布式发电类型、容量、安装地点以及投入　限；当分布式发电容量越大，出力越多，各节　时间难以预测，随着分布式发电的大量接入，　点电压上升越大，分布式发电足够大时，潮流　将导致配电网网供负荷（总量、分区和分电压　倒向，接入点电压形成系统局部的电压极大值＝　等级）预测难度加大，给配电网规划带来不确　同样渗透率的分布式发电，分散接入比集中接　定性，整体上增大配电网建设和改造的规模及　入一个位置对电压的支撑作用要大。　技术难度。　２．３对配电网继电保护的影响　２．２对配电网静态特性的影响　配电网是作为单电源网络规划的，随着　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ电子技术与软件工程・１７３　电力电子●Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　分布式发电的接入，配电网转化为多电源网络，　原有的某些继电保护系统就会受到一定影响。　这是分布式发电接入所导致的配电网保护问题　的根本原因。分布式发电对配电网继电保护造　成影响，主要表现在以下几个方面：　２．３．１对三段式过流保护的影响　分布式发电接入配电网以后，在故障发　生时必然将对故障点产生故障电流，影响故障　电流的水平。其影响大小与分布式发电的容量　及所串联的电抗值大小有关，有可能产生以下　问题：　ａ导致本线路保护动作的灵敏度降低，严　重时甚至拒动；　ｂ导致本线路保护误动作；　ｃ导致相邻线路的瞬时速断保护误动作，　失去选择性。　图２：典型光伏电站注入电网谐波电流含有率频率　２．３．２对反时限过流保护的影响　接入分布式发电的放射性馈线某处发生　故障时，流过上级保护的故障电流不会大于流　过下级保护的故障电流，上级保护的动作时间　比下级保护的长，上下级保护仍满足配合关系，　出孤岛情况并将分布式发电迅速解列。　２．４对配电网电能质量的影响　分布式发电的出现也对配电网电能质量　带来一定影响：分布式发电的功率注入能够改　１５４７分布式发电并网技术要求，分布式发电　在接入点注入的直流电流必须小于其额定电流　的０．５％。　但是为了防止分布式发电上游保护因流过反向　电流而误动，需要为反时限过流保护加装方向　元件。　２．４．４电压暂降　变稳态电压水平；通过换流器并网的分布式电　源会给电网电压、电流带来波形畸变；风电、　太阳能光伏发电等，其注入功率的起伏会引起　电压波动和闪变。　２．４．１谐波电压和电流　采用电力电子换流器的分布式发电单元，　不可避免地会对系统注入谐波电流，谐波电流　热电联产单元会因经济因素而频繁投切，　基于感应发电机的分布式发电在启动过程中励　磁消耗大量无功，诸如此类分布式发电单元的　运行都可能会引起电压暂降，从而影响到其他　些用户敏感设备的运行，如计算机、ＰＬＣ控　制器等。同时，分布式发电本身也会受电压暂　一２　３　３对熔断器保护的影响　分布式发电的接入后，配电网相当于一　个多电源网络，熔断器保护难以满足故障后仅　断开故障支路的保护选择性要求。　２－３．４对距离保护的影响　对于系统运行方式变化大的馈线和一些　重要的电缆线路，通常选择使用距离保护，距　降的影响，电压暂降可能会触发分布式发电的　孤岛保护。　５三相不平衡　注入同时引起系统电压畸变。注入谐波类型和　２　４．类似小型光伏发电系统这种单相分布式　严重度取决于采用的电力电子换流技术和换流　离保护应选用带方向特性的距离继电器。分布　器的连接配置。目前常规换流技术引起的主要　发电单元接到低压电网中可能会导致不平衡问　式发电接入馈线后，对其上游的距离保护而言，　是６脉动的谐波（即６ｎ土１次），通过投运工　题。不平衡会导致感应电动机和感应发电机过　相当于多了一个助增分支，会使其上游距离保　程的现场测试已发现个别光伏电站存在谐波超　热，也会对同步电机和电力电子换流器的正常　护的ＩＩ、ＩＩＩ段的动作范围缩小。分布式发电　接入对其下游和其它馈线的距离保护不会产生　影响。　标问题。　运行造成影响。　２＿３．５对重合闸功能的影响　如配电网的继电保护装置具有重合闸功　能时，则当配电网系统故障时，分布式发电的　切除必须早于重合时间，否则会引起电弧的重　燃，使重合闸不成功（快速重合闸０．２～０．５ｓ）。　大范围的分布式发电可能引起的另一个　问题是，分布式发电单元中的电抗和配电系统　的电容引起谐振。用来提高感应发电机功率因　数的电容器和电缆充电电容可能与发电机或变　３结论　由于分布式光伏发电的固特性，必然对　配电网的安全、控制、成本、规划等方面产生　一压器绕组发生串联或并联谐振，引起谐波畸变　放大。　２．４　２电压波动和闪变　风力发电中风速的变化和塔影效应会引　定的影响。所以，需进一步研究出台分布式　光伏接入配网的相关管理和技术规范，此外，　加强智能电网和微电网建设对实现多能互补与　均衡、缓解大规模光伏电力并入电网的影响有　重要作用，建议加强对智能电网和微电网的建　设和研究。　因此，系统侧宜适当延长重合闸时限，分布式　发电侧需配置低周、低压解列的防孤岛保护装　置；同时为避免非同期合闸给分布式发电带来　的致命冲击，系统侧重合闸继电器应检线路无　压，分布式发电侧应检同期。　２３．６孤岛运行问题　起功率变化；天气变化会使光伏系统中的输出　功率发生波动。大多数热电联产的运行模式都　是根据客户对热能的需求控制热电联产单元开　通和关断。这些功率的变化会引起电力系统中　参考文献　［１］江苏分布式光伏发电现状调研报告．江苏　省电力公司电力科学研究院．２　０１　２．１１．　［２］江苏省太阳能光伏发电情况调研报告．江　苏省电力公司．２Ｏ１１．１　０．　孤岛运行是分布式发电需要解决的一个　极为重要的问题。一股而言，分布式发电的保　电压波动，从而引起闪变。现有分布式发电中，　通过监测发现江苏沿海个别２２０ｋＶ并网风电　在部分时段会出现长时间电压闪变超过国家标　准限值的问题。　２．４－３直流分量　护在执行自身的功能时，并不采集来自于与之　所联系统的信息，因此，并网断路器可能已经　打开，但分布式发电的继电器未能检测出这种　状况，未能迅速地做出反应，仍然可向部分馈　线供电，最终造成系统或人员安全方面的损害，　无变压器连接的换流器会向配电网中注　入一定量的直流电流，会引起如配电变压器铁　芯这样的励磁元件的饱和，而励磁饱和又会　加剧系统电流、电压的畸变程度。按照ＩＥＥＥ　作者单位　宝应县供电公司　江苏宝应县２２　５８００　分布式发电必须配置快速有效的防孤岛保护装　置（或功能），异常情况下应快速准确的检测　１７４・电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ