趙波

（浙江省電力試驗研究院， 杭州 310014）

大量分布式光伏電源接入對配電網的影響研究

趙波

（浙江省電力試驗研究院， 杭州 310014）

光伏電源是分布式發(fā)電技術中發(fā)展最迅速的部分。分布式光伏電源通過逆變器接入到配電網中，具有隨機性，與傳統的電站有所不同，因此有必要對分布式光伏電源對配電網的影響進行深入的研究。從對電壓的影響、對短路電流的貢獻等7個方面詳細討論了分布式光伏電源對配電網的影響，為后續(xù)的深入研究提供參考。

分布式；光伏電源；配電網；影響

近年來，中國的光伏產業(yè)發(fā)展迅速，并將在未來的電力供應中扮演重要的角色[1]。 隨著越來越多的分布式光伏電源接入到配電網中，對傳統的配電網絡提出了新的挑戰(zhàn)，因此有必要對分布式光伏電源和配電網之間的交互影響進行深入的研究。通過研究分析，采用新技術、制定新措施，在充分發(fā)揮光伏電源作用的同時，將光伏電源和配電網交互的不利影響減到最小。

分布式光伏電源和配電網之間的交互影響，包括光伏電源對配電網的影響和配電網對光伏電源的影響兩方面，本文將重點闡述分布式光伏電源接入后對配電網的影響。光伏電源對配電網的影響包含：升高接入點電壓、引起電壓波動、注入電流諧波和直流分量、直流側接地故障、對短路電流的貢獻、非正常孤島、對配電網絡設計、規(guī)劃和營運的影響和提供輔助功能等。下面將從這7個方面對配電網絡的影響進行詳細討論。

1 對電壓的影響

集中供電的配電網一般呈輻射狀。穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，電壓沿饋線潮流方向逐漸降低。接入光伏電源后，由于饋線上的傳輸功率減少，使沿饋線各負荷節(jié)點處的電壓被抬高，可能導致一些負荷節(jié)點的電壓偏移超標，其電壓被抬高多少與接入光伏電源的位置及總容量大小密切相關。通常情況下，可通過在中低壓配電網絡中設置有載調壓變壓器和電壓調節(jié)器等調壓設備，將負荷節(jié)點的電壓偏移控制在符合規(guī)定的范圍內。對于配電網的電壓調整，合理設置光伏電源的運行方式很重要。在午間陽光充足時，光伏電源出力通常較大，若線路輕載，光伏電源將明顯抬高接入點的電壓。如果接入點是在饋電線路的末端，接入點的電壓很可能會越過上限，這時必須合理設置光伏電源的運行方式，如規(guī)定光伏電源必須參與調壓，吸收線路中多余的無功。在夜間重負荷時間段，光伏電源通常無出力，但仍可提供無功出力，改善線路的電壓質量。

光伏電源對電壓的影響還體現在可能造成電壓的波動和閃變。由于光伏電源的出力隨入射的太陽輻照度而變，可能會造成局部配電線路的電壓波動和閃變，若跟負荷改變疊加在一起，將會引起更大的電壓波動和閃變。雖然目前實際運行的光伏電源并沒引起顯著的電壓波動和閃變[2－3]，但當大量并網光伏電源接入時，對接入位置和容量進行合理的規(guī)劃依然很重要。

2 對短路電流的貢獻

通常認為在配電網絡側發(fā)生短路時，接入到配電網絡中的光伏電源對短路電流貢獻不大，穩(wěn)態(tài)短路電流一般只比光伏電源額定輸出電流大10%～20%， 短路瞬間的電流峰值跟光伏電源逆變器自身的儲能元件和輸出控制性能有關。在配電網絡中，短路保護一般采用過流保護加熔斷保護。對于高滲透率的光伏電源，饋電線路上發(fā)生短路故障時，可能由于光伏電源提供絕大部分的短路電流而導致饋電線路無法檢測出短路故障。

1999 年，IEA－PVPS－Task－5[4]（國際能源署中的光伏技術工作組）在日本曾用4個不同廠家控制電流注入的逆變器連接到一個配電網上的柱式變壓器，然后在變壓器另一側進行短路試驗。試驗表明，短路電流上升不超過故障前的2倍，1～2 個周波就隔離了故障。此外， 日本還對一個200 kWp 的光伏電源系統進行短路試驗， 研究發(fā)現：短路電流經過變壓器后，電流變小，變壓器過流保護不動作。2003 年， 美國的 NERL[5]（美國可再生能源國家實驗室）曾做過關于分布式發(fā)電與配電網絡之間的交互影響的研究。采用以逆變器方式接入的分布式電源， 仿真原型建立在 13．2 kV的中壓配電網絡上，分布式電源的容量是5MW，研究重點是熔斷保護特性。結果表明，當發(fā)生單相和三相故障時，以逆變器方式接入的分布式電源對短路電流的貢獻很小，短路電流主要來自主網，甚至比5MW感應電機提供的短路電流還要小的多。因此，可以得出以控制電流注入的光伏電源逆變器對短路電流貢獻不大的結論。

3 非正常孤島

隨著在配電網絡中有越來越多的分布式電源接入， 出現非正常孤島的可能性也越來越大， IEC[6]在1998 年曾用“故障樹理論”分析非正常孤島發(fā)生后發(fā)生觸電的可能性。

2002 年， IEA－PVPS－Task－5[7]曾 用 “故 障 樹理論”分析光伏電源的非正常孤島。在考慮光伏電源滲透率達6倍夜間負荷的極端情形下，發(fā)現非正常孤島導致觸電的可能性很小，概率小于10－9次/年。 因此， 只要管理得當， 加上光伏電源逆變器自身帶有反孤島功能，大量光伏電源的接入并不會給系統增加實質性的觸電風險。同時，對荷蘭地區(qū)一個典型低電壓住宅區(qū)的配電網絡就光伏電源系統發(fā)生孤島的可能性進行研究，發(fā)現該區(qū)光伏電源發(fā)生非正常孤島運行的可能性低于10－5～10－6次/年， 幾乎為零。 因此， 認為在住宅區(qū)大量接入光伏電源導致發(fā)生非正常孤島的可能性很小。 2006 年， DISPOWER[8]對在德國使用的帶檢測電網阻抗變化的反孤島策略及電網電壓和頻率監(jiān)控的光伏電源逆變器進行了測試，結果表明當電網在一般低阻抗情況下運行時，效果理想；當電網在高阻抗不理想的情況下運行時，光伏電源逆變器檢測電網阻抗變化精確度比較差，目前還沒有很好的解決方案來滿足德國對光伏電源反孤島策略的標準要求。

近年來，大量研究結論表明：即使將來有大量分布式電源接入到配電網中，只要措施得當，發(fā)生非正常孤島的風險可控制在合理的范圍內，并不會使系統發(fā)生非正常孤島風險的可能性有實質性增加，因而發(fā)生非正常孤島不會成為妨礙光伏電源等分布式電源接入的一個技術壁壘。

4 注入電流諧波

電流諧波對配電網絡和用戶的影響范圍很大，通常包含改變電壓平均值、造成電壓閃變、導致旋轉電機及發(fā)電機發(fā)熱、變壓器發(fā)熱和磁通飽和、造成保護系統誤動作、對通信系統產生電磁干擾和系統噪音等。

光伏電源逆變器產生的諧波來源主要有2個： 50 Hz參考基波波形不好產生的諧波和高頻開關產生的諧波。諧波之間的相位差、配電網的線路阻抗以及負荷都能消除部分諧波。當光伏電源逆變器生成正弦基波時，可以部分補償配電網的電壓波形畸變，但會使逆變器輸出更多的電流諧波，把光伏電源逆變器接入到弱電網時就會明顯出現上述現象。當光伏電源逆變器檢測配電網電壓來生成參考基波時，光伏電源逆變器可以輸出很好的正弦波電流，但是無法補償配電網的電壓波形畸變。

1998 年， IEA-PVPS-Task-5[9]曾經對丹麥 的一個 80%家庭都安裝有光伏電源的住宅區(qū)進行測試，發(fā)現光伏電源對當地的諧波貢獻有限，還不如家用電器造成的諧波多。因此，研究者認為：對于具有相對較高短路容量的饋電線路和局部高滲透率的光伏電源接入的情況，均有此普遍現象。 1999 年， IEA-PVPS-Task-5[4]曾在日本對多光伏電源接入到同一配電變壓器（住宅區(qū)柱式變壓器）中的諧波進行測試，使用了多個廠家和多個型號的逆變器。測試結果表明， 同類型的逆變器（內在電路和控制策略一致）會造成特定次數的諧波疊加，不同類型的逆變器可能會相互抵消諧波的注入。 英國也在 1999 年做過類似的測試[10]，測 試 結果表明：高次諧波衰減很快，低次諧波的變化情況比較復雜。在強網中諧波畸變一般是個常值，而弱網中的諧波畸變一般隨接入的光伏電源逆變器個數增加而加重。當饋電線路阻抗值較大時，可使諧波衰減明顯。為了防止特定次數的諧波產生共振，有必要限制光伏電源逆變器的容量。在實際運行中，光伏電源注入的諧波電流一般都能符合相關標準的要求。

5 注入直流分量

直流分量主要對配電網中的變壓器、電流式漏電斷路器（RCD）、 電流型變壓器、 計量儀表等造成不利影響，其中對電流式漏電斷路器和變壓器的影響最為不利，如造成電流式漏電斷路器誤動作和造成變壓器磁通飽和、發(fā)熱、產生諧波和噪音等。

現在，許多并網光伏電源逆變器都采用隔離變壓器來抑制直流分量的注入。有些國家明確規(guī)定要以帶隔離變壓器的方式接入，而有的國家并無此項強制性規(guī)定。但近十幾年來，由于技術的進步，去除隔離變壓器可帶來更高的效率并減少生產成本，不帶隔離變壓器的光伏電源逆變器應用越來越廣泛。 采用脈寬調制（Pulse-width modulatim， PWM）技術的光伏電源逆變器可以抑制直流分量輸出，但是當配電網電壓含不平衡的正序和負序分量時， 會對采用 PWM 技術的光伏電源逆變器的性能造成不利影響。

關于直流分量對配電網變壓器的影響，國際上目前對直流分量上限還沒有統一的規(guī)定。 英國[11]的研究建議是每相不超過等同于5%的諧波畸變值，或者是每個光伏電源注入到典型的 500 kVA 配電網變壓器的直流分量不能超過 40mA。美國的規(guī)定是不超過每相電流有名值的 0.5%[12]。

6 對配電網絡設計、規(guī)劃和營運的影響

隨著越來越多的分布式電源接入到配電網絡中，集中式發(fā)電所占比例將有所下降，電力網絡的結構和控制方式可能會發(fā)生很大的改變，這種改變帶來的挑戰(zhàn)和機遇將要求電力網絡從設計、規(guī)劃、營運和控制等各方面進行升級換代。

在可以預見的將來，大量被消費的電能將來自于低壓配電網絡，提前對配電網絡的結構進行升級換代和優(yōu)化顯得尤為重要，例如如何使配電網絡的結構適應網絡電流的逆向和正向的流動。另外，大量分布式光伏電源接入到配電網中后，用戶側可以主動參與能量管理和運營，使傳統配電網運營費用模型不再適用。因此，一方面面臨電力市場自由化和解除管制的壓力，一方面可再生能源諸如光伏電源卻得到保護和補貼，使得配電網在保證供電質量和可靠性方面面臨越來越大的壓力。 近些年， 一些專家學者提出了模擬電站[13]和微網[14]概念， 可運用到分布式光伏電源管理中，把有功出力具有隨機性的光伏電源和具有保證出力的電源以及儲能裝置集成在一起，作為整體的模擬電站或者微網，整合到當今的電力生產和傳輸框架內。

7 提供輔助功能

現代光伏電源逆變器可提供多種功能，如將光伏陣列出力饋送到電網以及作為有源濾波器改善電網電能質量等。

光伏電源和儲能裝置有效結合后，可以參與到配電網的電壓調節(jié)、頻率調節(jié)和穩(wěn)定性調節(jié)，為重要負荷提供 UPS功能。如在光伏電源逆變器的直流側配備儲能裝置（如蓄電池和雙層電容等），當光伏電源逆變器饋送有功出力到電網時，還可以參與配電網的電壓和頻率調節(jié)，在配電網電壓和頻率跌落時，增加有功出力，當配電網三相電壓不平衡時，光伏電源逆變器可針對性地送出三相不平衡電流，部分補償配電網三相電壓不平衡，吸收饋電線路多余的部分無功或者輸送饋電線路缺乏的部分無功。另外，光伏電源還可驅動水泵進行抽水儲能，為電網提供黑啟動電源等。

8 結語

分布式發(fā)電技術作為新一代發(fā)電技術，其發(fā)展上升的勢頭不可阻擋，配電網的設計、規(guī)劃、營運和控制都要升級換代來適應分布式發(fā)電的發(fā)展。光伏電源是分布式發(fā)電技術中發(fā)展最迅速的部分，將有越來越多的分布式光伏電源接入到配電網中。因此，有必要深入開展其對配電網影響的研究。根據研究結果，應用新的技術，制定相應的管理措施，才能使大量分布式電源接入配電網后能夠安全穩(wěn)定運行。

[1]尹淞，郝繼紅．我國太陽能光伏發(fā)電技術應用綜述[J]．電力技術，2009，73（3）∶1－4．

[2]SJEF C．Impact of Photovoltaic Generation on Power Quality in Urban Areas with High PV Population[R/OL]．Jul．2008．http∶//www．pvupscale．org．

[3]FARID K．Integration of Photovoltaic Power Systems in High －Penetration Clusters for Distribution Networks and Mini－Grids[OL]．Jan．2009．http∶//canmetenergy－canmetenergie．nrcan－rncan．gc．ca/eng/renewables．

[4]IEA －PVPS T5 －02∶Demonstration Test Results for Grid Interconnected Photovoltaic Power Systems[R]．1999．

[5]NREL/SR－560－34635．DG Power Quality,Protection and Reliability Case Studies[R]．2003．

[6]IEC 61508∶Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety Related Systems[R]．1998．

[7]IEA －PVPS T5 －08∶2002c．Risk Analysis of Islanding of Photovoltaic Power Systems Within Low Voltage Distribution Networks[R]．2002．

[8]DISPOWER．State －of－the －Art Solutions and New Concepts for Islanding Protection[R]．2006．Available at http∶//www．dispower．org．

[9]IEA －PVPS T5 －01∶Utility Aspects of Grid Connected Photovoltaic Power Systems[R]．1998．

[10]Halcrow Gilbert．Coordinated Experimental Research Into power Interaction with the Supply Network–Phase 1[R]．1999．http∶//www．dti．gov．uk/publications．

[11]National Rural Electric Cooperative Association．Application Guide for Distributed Generation Interconnection∶2003 Update－The NRECA Guide to IEEE 1547[R]．Resource Dynamics Corporation．Apr．2003．

[12]University of Strathclyde,Et al．DC Injection into Low Voltage AC Networks[R]．Jun．2005．Available at http∶// www．dti．gov．uk/publications．

[13]CHRISTIAN S．Virtual Power Plantswith Combined Heat and Power Micro－units[C]．2005 International Conference on Future Power Systems,2005．

[14]LASSETER R．Microgrids[C]．Proceedings of 2001 IEEE Power Engineering SocietyWinter Meeting．2001．

（本文編輯：龔 皓）

A Study on the Im pact of the Large-scale Distributed Photovoltaic Power on the Distribution Grid System

ZHAO Bo
（Zhejiang Electric Power Testand Research Institute，Hangzhou 310014，China）

The photovoltaic power is gaining momentum and developing fastest among the distributed power generation technologies.The distributed photovoltaic power is connected to the distribution grid through the inverter.And it is stochastic and different from the traditional power plants.So it is necessary to study the impact of distributed photovoltaic power on the distribution grid.In this paper,the impact of distributed photovoltaic power on the distribution grid is discussed in detail in seven aspects to provide a reference for intensive study in future.

distribute； photovoltaic power；distribution grid； impact

TM715

： A

：1007-1881（2010）06-0005-04

2010-01-12

趙 波（1977-）， 男， 貴州遵義人， 博士， 高級工程師，主要研究方向為配電網規(guī)劃和分布式發(fā)電系統等。