宋憂樂，王 科，朱永梅，劉 涌，袁秋實(shí)

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.上海博英信息科技有限公司，上海 200240）

0 引 言

眾所周知，能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)一般是電力系統(tǒng)，通過將各種各樣能源轉(zhuǎn)化成電力儲(chǔ)存起來，再經(jīng)過線路運(yùn)輸?shù)接秒娪脩糁校瑥亩_(dá)到能量供應(yīng)。然而，電力系統(tǒng)與用戶之間是通過配電網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)系的，配電網(wǎng)正常運(yùn)行是用戶正常用電的基本保障。同時(shí)，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)也以其能源高度清潔性、高效性、可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)被越來越多用戶所選擇。但需注意，由于天氣因素的不確定性，太陽能能源的供應(yīng)并不是固定不變的，有可能會(huì)出現(xiàn)間歇性供能不足等情況。因此，對(duì)于光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)的可靠性研究需要結(jié)合全方面資源進(jìn)行考慮、整合所有相關(guān)信息進(jìn)行計(jì)算分析，才能科學(xué)合理地對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。

1 光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響

1.1 影響配電網(wǎng)的運(yùn)行

光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)的供能模式中，電網(wǎng)的電壓位點(diǎn)主要是由光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能輸送到配電線路中而產(chǎn)生的，因此通過光伏發(fā)電方式，其產(chǎn)生的線路電壓損耗要比傳統(tǒng)供能模式低得多，同時(shí)其制造的節(jié)點(diǎn)電壓伏數(shù)更大。此外，在光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)過程中，倘若光伏發(fā)電模式下發(fā)電電容總量遠(yuǎn)大于配電網(wǎng)的額定電容總量，就很有可能導(dǎo)致配電網(wǎng)自身線路發(fā)生短路故障，產(chǎn)生安全隱患甚至出現(xiàn)安全事故。如果線路長(zhǎng)期易發(fā)生短路故障，對(duì)常態(tài)的配電網(wǎng)規(guī)模的要求必定會(huì)提高，當(dāng)原先的配電網(wǎng)規(guī)模達(dá)不到光伏發(fā)電要求時(shí)就會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)持續(xù)性拒動(dòng)乃至失動(dòng)的問題。因此，光伏發(fā)電在一定程度上不利于配電網(wǎng)的持續(xù)運(yùn)作。當(dāng)光伏發(fā)電機(jī)組接入配電網(wǎng)時(shí)，配電網(wǎng)將從原來的單電源網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)變成雙電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在線路運(yùn)輸過程中配合原有電流方向開展潮式對(duì)向流動(dòng)，比傳統(tǒng)的配電網(wǎng)供電效率更快，電力交接更加穩(wěn)定[1]。

光伏發(fā)電還有一個(gè)重要特點(diǎn)，即時(shí)間性。光伏發(fā)電是借助太陽光進(jìn)行能源供應(yīng)的，因此在白天時(shí)接受太陽光的量比較大，發(fā)電效率很高，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的電力負(fù)荷造成一定的影響?？梢栽谂潆娋W(wǎng)上安裝相應(yīng)的時(shí)間調(diào)控負(fù)荷機(jī)組，以期在白天完全地利用好所吸收的太陽能，而在晚上也不會(huì)因?yàn)槟茉锤叻弩E降效應(yīng)產(chǎn)生供電不足、電力過低等問題，從而影響用戶的正常生活。

1.2 影響配電網(wǎng)的自身運(yùn)營(yíng)

配電網(wǎng)主要功能是將自身從光伏發(fā)電機(jī)組獲得的電力高效率地運(yùn)輸?shù)接脩粑恢?，所以整個(gè)配電網(wǎng)的線路規(guī)模與運(yùn)行路線都需要細(xì)致的規(guī)劃與研究，以求高度適應(yīng)的光伏發(fā)電機(jī)組的電波潮流，從而保證用戶用電的安全性與可靠性。光伏發(fā)電機(jī)組由于其特殊發(fā)電機(jī)制，在接入配電網(wǎng)時(shí)有時(shí)會(huì)與電網(wǎng)中電流方向產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致供電效率過低，電機(jī)設(shè)備使用率大大減小，從而影響到整個(gè)配電網(wǎng)正常運(yùn)營(yíng)。

2 光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)可靠性研究現(xiàn)狀

2.1 光伏發(fā)電可靠性模型研究

隨著時(shí)代變遷、科技發(fā)展，如今國(guó)內(nèi)外對(duì)光伏發(fā)電功能模式的研究發(fā)展如火如荼，同時(shí)還建立了一些相關(guān)的模型以供參考研究，有利于更好地理解分析光伏發(fā)電。最常見的是數(shù)學(xué)方法整合物理基礎(chǔ)模型進(jìn)行分析研究，一般采用具備物理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模式+組合算法的模型進(jìn)行研究。太陽能能源的供應(yīng)與氣候因素有著莫大聯(lián)系，在光伏發(fā)電的具體位置，可以搜集當(dāng)?shù)赝甑臍v史氣候材料，整理探索出當(dāng)?shù)靥柟廨椛渎逝c時(shí)間的具體關(guān)系，從而推導(dǎo)出當(dāng)?shù)禺?dāng)年的太陽光能年候時(shí)辰函數(shù)方程式。借助該公式整合地勢(shì)樣貌建立一個(gè)最終的光伏發(fā)電負(fù)荷效率模型，再通過往年光波輻射率計(jì)算出光伏發(fā)電輻射波序列，兩者相結(jié)合運(yùn)算，可以在一定程度上對(duì)計(jì)算誤差、物理偏差產(chǎn)生數(shù)值補(bǔ)償。但是這種計(jì)算方式?jīng)]有考慮到設(shè)備的損耗以及季節(jié)性太陽光偏移率，因此在原先的光伏發(fā)電效率模型基礎(chǔ)上還要對(duì)設(shè)備損耗建立一個(gè)損耗率預(yù)估值，而季節(jié)性太陽光偏移率只能通過地區(qū)的歷史年度季節(jié)性太陽光偏移量疊加運(yùn)算得到一個(gè)精確值，最終整合四者數(shù)據(jù)才能建立一個(gè)完整的光伏發(fā)電可靠性模型[2]。

研究者們還建立了光伏負(fù)荷出力模型，光伏發(fā)電的發(fā)電持續(xù)性較差，往往被一些能源研究者視為不可控或者不可靠的能源類型，但是持續(xù)性較差也正是其規(guī)律性的體現(xiàn)，太陽光偏移程度隨著年份與時(shí)間的變化而改變。在這個(gè)過程中，光伏產(chǎn)生的電力付出與負(fù)荷的關(guān)系呈正相關(guān)聯(lián)系，與太陽光偏移角度呈一定的負(fù)相關(guān)聯(lián)系，而且光伏發(fā)電吸收的電能并不完全儲(chǔ)存起來，很大一部分以熱能形式散失，因此光伏電力付出的波動(dòng)是在一定水平線呈波動(dòng)形態(tài)。關(guān)于這一波動(dòng)目前有學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)規(guī)律研究，已經(jīng)整合出一個(gè)初具雛形的光伏負(fù)荷出力模型，然而要投入使用還需要一定時(shí)日的研究與實(shí)踐。

2.2 儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用

光伏發(fā)電能夠有效地提高配電網(wǎng)供電效率，特點(diǎn)是不確定性過大、受氣候時(shí)間影響大、波動(dòng)程度高、在持續(xù)性能量供給方面持續(xù)性弱。當(dāng)大規(guī)模采用光伏發(fā)電機(jī)組時(shí)，由于供電的斷續(xù)性勢(shì)必會(huì)對(duì)用戶造成不良影響。因此，為了保障用戶正常用電生活，必須在光伏發(fā)電供能模式中采用最新型儲(chǔ)能技術(shù)。目前，國(guó)際上新型儲(chǔ)能設(shè)備的供儲(chǔ)電功能非常強(qiáng)大，供給與儲(chǔ)存功能的轉(zhuǎn)化速率快，轉(zhuǎn)換效果好，能夠較好地儲(chǔ)存光伏發(fā)電最高發(fā)電效率下大幅度的增長(zhǎng)電壓，并且能在夜間或惡劣天氣的低供情況下進(jìn)行電壓補(bǔ)充，起到一定的平衡電力與功率穩(wěn)定作用。國(guó)際能源轉(zhuǎn)化協(xié)會(huì)的2018年度報(bào)告顯示，相關(guān)研究人員在光伏發(fā)電模式中建立了高新儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用模型，模擬演示長(zhǎng)達(dá)3年的結(jié)果表示光伏發(fā)電在高新儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用下其供能效率更高、更穩(wěn)定。更有一些研究者開始考慮將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于輪船航海過程，經(jīng)過儲(chǔ)能技術(shù)強(qiáng)化后的光伏發(fā)電機(jī)組供能更穩(wěn)定，在航海過程中即使遭遇惡劣天氣也能夠正常作為能源系統(tǒng)運(yùn)行，而且光伏發(fā)電機(jī)組具備質(zhì)量輕、發(fā)電速率高等優(yōu)點(diǎn)，在未來的輪船航海過程中勢(shì)必能發(fā)揮其相應(yīng)價(jià)值。

2.3 無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用

目前，由于現(xiàn)代化進(jìn)程加快，現(xiàn)代配電網(wǎng)的供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在應(yīng)用了新型電子技術(shù)后復(fù)雜程度與日俱增，而光伏發(fā)電本身所具備的波動(dòng)性與間歇性導(dǎo)致其供能效率在對(duì)向電力潮流與電網(wǎng)組抗共同影響下可控性大大減弱，甚至?xí)a(chǎn)生功率損失問題。在這個(gè)層面上，光伏發(fā)電無功補(bǔ)償裝置發(fā)揮了其重要作用，國(guó)際上要求光伏發(fā)電無功補(bǔ)償要綜合考慮光伏發(fā)電機(jī)組的總輸出水平以及系統(tǒng)接入后正常運(yùn)行狀況下定態(tài)、動(dòng)態(tài)流程的電能損失質(zhì)量，保證配置充足的電能補(bǔ)充，以確保配電網(wǎng)正常運(yùn)行。早期無功補(bǔ)償裝置大部分采用FC+MCR，優(yōu)點(diǎn)是成本低，設(shè)備修理維護(hù)工序簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是運(yùn)行效率慢；后來人們采用升壓SVG無功補(bǔ)償，該裝置反應(yīng)快，安全穩(wěn)定，但成本較前者高，而且對(duì)于大幅度的功率補(bǔ)償表現(xiàn)效果一般；現(xiàn)階段絕大部分光伏發(fā)電站都采用35 kV直掛式SVG無功補(bǔ)償，該裝置能提供的補(bǔ)償容量較大，能滿足絕大多數(shù)補(bǔ)償要求，然而其器件連接復(fù)雜，維修護(hù)理工序繁多，且成本不低。例如，江西某光伏發(fā)電站，其光伏電站為6 MWP+10 kV，電力公司用戶要求光伏結(jié)網(wǎng)絡(luò)配置需要達(dá)到最小容量為450 kVar的無功補(bǔ)償容量，經(jīng)過該發(fā)電站的方案計(jì)算，為該項(xiàng)目采用35 kV直掛式SVG進(jìn)行無功補(bǔ)償，利用固定升壓變壓器與降壓轉(zhuǎn)換器接入對(duì)方要求的10 kV電網(wǎng)系統(tǒng)。

2.4 動(dòng)態(tài)孤島與負(fù)荷劃分原則的共同應(yīng)用

動(dòng)態(tài)孤島系統(tǒng)是一種新型劃分方式，主要應(yīng)在分布式電源技術(shù)配電網(wǎng)的元件上。在正常光伏發(fā)電配電網(wǎng)運(yùn)行過程中，動(dòng)態(tài)孤島不進(jìn)行干預(yù)，當(dāng)光伏發(fā)電產(chǎn)生供能波動(dòng)影響配電網(wǎng)分布式電源時(shí)，容易造成系統(tǒng)短路或者支路電網(wǎng)斷路，此時(shí)動(dòng)態(tài)孤島控制其所對(duì)接的開關(guān)元件自主斷開故障的支路電網(wǎng)，形成電路孤島，以提供故障重修時(shí)間，保證維修工作的安全運(yùn)行，同時(shí)保證其他支路電網(wǎng)不受故障孤島電網(wǎng)影響。現(xiàn)階段，孤島系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)到具備動(dòng)態(tài)化開關(guān)功能，在電網(wǎng)維修階段，每隔一定時(shí)間段動(dòng)態(tài)孤島系統(tǒng)便會(huì)模擬功率補(bǔ)償，維修人員也可以借助模孤島系統(tǒng)的模擬功率補(bǔ)償數(shù)據(jù)檢查維修成果。但實(shí)際操作中，支路電網(wǎng)故障往往不是單一元件損壞，甚至可能是多個(gè)元件同時(shí)損壞導(dǎo)致的斷電結(jié)果。因此，需要負(fù)荷劃分原則對(duì)此次斷電進(jìn)行程度評(píng)估，主要分為四類，第一類是斷路孤島電網(wǎng)重啟后正常運(yùn)行的元件；第二類是斷路孤島電網(wǎng)重啟后不能正常運(yùn)行的元件；第三類是受本次孤島斷路故障影響的元件；第四類是處于孤島供電范圍外故障的元件。

2.5 光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)可靠性研究評(píng)估方式

目前，對(duì)光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)可靠性研究的評(píng)估方式主要是基礎(chǔ)邏輯分析法。該方法結(jié)合目前國(guó)際上共同認(rèn)可光伏發(fā)電物理模型對(duì)光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)可靠性研究成果進(jìn)行對(duì)比分析，從中攫取成果顯著、構(gòu)思新穎的理念，并且運(yùn)用基礎(chǔ)分析法對(duì)研究者的報(bào)告進(jìn)行物理數(shù)據(jù)可靠性審驗(yàn)。目前，國(guó)際上大部分研究者采用蒙特·卡洛法進(jìn)行可靠性研究評(píng)估。該評(píng)估法在可靠性研究上能夠清晰直觀地驗(yàn)證其邏輯分析的條理性與真實(shí)度，能夠更加科學(xué)合理地檢驗(yàn)出研究過程中的邏輯謬誤據(jù)點(diǎn)。然而僅僅只采用一種評(píng)估方式是不夠的，還需要整合個(gè)別研究所參考的研究思路，結(jié)合歷史資料，分析其可行性，并在演示模型中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)段的仿真模擬演練，根據(jù)演練數(shù)據(jù)評(píng)估研究可靠性。

3 光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)可靠性評(píng)估

以目前科學(xué)技術(shù)，大數(shù)量、大規(guī)模地將光伏發(fā)電機(jī)組接入傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，對(duì)配電網(wǎng)整體負(fù)荷額度與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)勢(shì)必是一種難度較高的考驗(yàn)。然而，結(jié)合國(guó)際與國(guó)內(nèi)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，借助光伏發(fā)電限制器與無功補(bǔ)償裝置能夠很好地在高負(fù)荷與低供能之間進(jìn)行良好平衡，同時(shí)采用新型儲(chǔ)能設(shè)備也能保證能源地高效率回收，減少能源無關(guān)損耗，保證光伏發(fā)電機(jī)組的供能高效性。此外，還可以通過數(shù)學(xué)方法結(jié)合物理模型建立光伏發(fā)電可靠性研究模型，對(duì)實(shí)地實(shí)時(shí)物理數(shù)據(jù)值統(tǒng)計(jì)歸納。國(guó)際能源轉(zhuǎn)換協(xié)會(huì)2018年年度會(huì)議的報(bào)告總結(jié)中提及，光伏發(fā)電將在清潔能源應(yīng)用上有著巨大前景，在未來的新能源應(yīng)用中必定占有重要的位置[3]。

4 結(jié) 論

光伏發(fā)電結(jié)合配電網(wǎng)的供能模式提高了電網(wǎng)供能效率。只要采用科學(xué)合理的研究理念，積極開發(fā)新型配套設(shè)置，不斷提高光伏發(fā)電供能模式的可靠性，結(jié)合模擬演示結(jié)果改進(jìn)研發(fā)方向，必定能提升光伏發(fā)電供能模式的供給功率，保證其安全性與穩(wěn)定性，進(jìn)一步推動(dòng)社會(huì)電力事業(yè)發(fā)展。