姚建雙 賈 軍 周 苗 黃龍軍 王申怡

安康分布式電源并網(wǎng)關鍵問題研究

姚建雙 賈 軍 周 苗 黃龍軍 王申怡

（國網(wǎng)陜西省電力公司安康供電公司，陜西 安康 725000）

針對分布式電源并網(wǎng)存在的諸多問題，以安康電網(wǎng)為研究對象，首先闡述安康地區(qū)電網(wǎng)建設基本情況，繼而對分布式電源并網(wǎng)存在的問題進行深入探討剖析，最后就當前國內(nèi)外分布式電源并網(wǎng)逆變器關鍵技術進行綜述。本文可為安康地區(qū)新能源并網(wǎng)項目提供一定指導，以提高安康地區(qū)分布式能源利用率，快速實現(xiàn)清潔替代，穩(wěn)步推進能源供給側結構轉型，促進分布式發(fā)電技術持續(xù)健康發(fā)展。

分布式電源；并網(wǎng)；清潔替代；供給側

0 引言

化石能源逐漸枯竭，新能源革命興起，新型可再生能源以其清潔環(huán)保的獨特優(yōu)勢備受青睞。其中，太陽能、風能、潮汐能滲透率的逐步提高將極大緩解環(huán)境壓力，光伏、風力發(fā)電技術發(fā)展最為迅猛。與此同時，極大促進了新型設備制造業(yè)迅速崛起。由于分布式電源具有間歇性和不確定性[1-2]，且受環(huán)境光照變化影響較大，這增加了分布式電源的并網(wǎng)及控制難度。安康地區(qū)多山地丘陵，地理條件得天獨厚，日照采光充盈，本文以安康電網(wǎng)為研究對象，重點探討分布式電源光伏并網(wǎng)存在的系列問題和光伏并網(wǎng)關鍵技術。清潔能源有效并網(wǎng)可對大電網(wǎng)進行有效補充，優(yōu)化能源供給側結構[3-4]，加快能源互聯(lián)網(wǎng)建設步伐。

1 安康電網(wǎng)簡介

安康電網(wǎng)網(wǎng)架結構是以330kV為依托，以110kV為骨干網(wǎng)架，向東、西北雙回并列，向西南三回并列，向南單回線輻射型供電。主要擔負安康市九縣一區(qū)及襄渝、陽安、西康三條電氣化鐵路供電使命，與此同時，安康電網(wǎng)并向鄂西北十堰市西北區(qū)域持續(xù)供電。

安康330kV電網(wǎng)由金柞Ⅰ、Ⅱ線、金安Ⅰ、Ⅱ線、金香Ⅰ、Ⅱ線、香鶴線、安—喜—洋線及金州變、香溪變、安康水電廠構成。通過330kV金柞雙回及安—喜—洋、香鶴線與陜西主電網(wǎng)聯(lián)絡。

正常運行情況下，安康電網(wǎng)主要可分為金州變、香溪變、安康水電廠、石泉水電廠四個供電區(qū)域，其間為開環(huán)環(huán)網(wǎng)運行。

截至2018年尾，安康電網(wǎng)已建110kV變電站56座，容量為3 113MV·A，其中由安康供電公司運管39座，鐵路牽引變14座，陜西省地方電力公司下屬各電力公司及用戶變17座；35kV變電站81座，容量817.65MV·A，其中由安康供電公司運管23座，陜西省地方電力公司下屬各電力公司及用戶運管58座。已投運的330kV輸電線路共計9條612km；110kV在運線路共計100條1 930.559km，35kV輸電線路共計154條2 108.992km。其中由安康供電公司維護35kV及以上輸電線路共計135條2 893km。安康電網(wǎng)基本情況見表1。

表1 安康電網(wǎng)基本情況

為響應國家“十三五”戰(zhàn)略規(guī)劃部署，實現(xiàn)電力清潔替代，大力發(fā)展清潔能源，實現(xiàn)低碳綠色環(huán)保共享新理念，安康公司因地制宜大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，不斷提升清潔能源消納能力，助力精準扶貧，打贏電力革命攻堅戰(zhàn)。安康地區(qū)光伏電站建設基本情況見表2。

表2 安康地區(qū)光伏電站建設基本情況

由表2可知，安康地區(qū)在建光伏電站3站，已投運光伏電站9座，廢止光伏電站15座，由于地理條件限制，光伏上網(wǎng)率較低，僅為33.33%。光伏發(fā)電利用率偏低，形勢依然嚴峻，光伏并網(wǎng)過程中存在的諸多問題仍亟待解決。

2 安康地區(qū)分布式電源并網(wǎng)存在問題

可再生能源迅猛發(fā)展，促使微電網(wǎng)孕育而生。微電網(wǎng)作為有效消納清潔能源的重要電網(wǎng)形式，在新能源并網(wǎng)過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。分布式電源并網(wǎng)示意圖如圖1所示，光伏、蓄電池通過DC-DC變換器并入直流母線，風能通過雙向DC-AC變換器共同并入直流母線，構成簡易直流微電網(wǎng)，實現(xiàn)“即插即用”[5]。直流微電網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)建設的重要組成部分，是未來電力系統(tǒng)的一種發(fā)展方向，更是國家“十三五”規(guī)劃實現(xiàn)清潔能源替代的重要途徑。

安康地區(qū)以其特有的地理條件，著重于光伏發(fā)電。為有效消納太陽能，可將分布式電源項目電能消納方式分成三類：全部上網(wǎng)、全部自用和自發(fā)自用余電上網(wǎng)。分布式光伏進出網(wǎng)形式靈活，可根據(jù)直流微電網(wǎng)功率盈缺情況工作在孤島模式或并網(wǎng)模式[6]。當直流微電網(wǎng)內(nèi)功率盈余時，可作為電源向大電網(wǎng)輸送功率；當直流微電網(wǎng)內(nèi)功率出現(xiàn)缺額時，可作為負荷從大電網(wǎng)汲取功率，實現(xiàn)并網(wǎng)運行；當直流微電網(wǎng)滿足本地負荷要求時，自發(fā)自用也可工作在孤島模式。光伏發(fā)電運行方式靈活，供電可靠性高，不存在頻率、相位和功率損耗等問題[7]，有利于平衡電力系統(tǒng)負荷功率。分布式發(fā)電（dis- tributed generation, DG）技術日漸成熟，對新能源并網(wǎng)服務管理提出更高要求。

圖1 分布式電源并網(wǎng)示意圖

2.1 功率跟蹤

目前，較為成熟的光伏發(fā)電技術主要采用最大功率點跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）控制技術[8]，以實現(xiàn)太陽能最大化消納利用。光伏發(fā)電單元在日照強度、環(huán)境溫度等外界條件變化的情況下追蹤最大功率點，使光伏發(fā)電單元始終保持在最大功率點輸出，實現(xiàn)太陽能高效利用。光伏輸出-特性曲線如圖2所示。其中pvmax、refpv分別為光伏單元輸出最大功率點和光伏單元輸出電壓參考值。

圖2 光伏輸出P-u特性曲線

安康地區(qū)新能源上網(wǎng)主要能源形式是太陽能，光伏發(fā)電受環(huán)境光照因素影響較大，安康地區(qū)多山地丘陵，對光伏電池板安裝選址、采光率有一定挑戰(zhàn)，如何在建設成本與太陽能利用率方面做好評估是研究的重中之重。

2.2 調(diào)度監(jiān)控

電力系統(tǒng)監(jiān)測的關鍵是實時掌握各變、配電站運行工況和設備數(shù)據(jù)，分布式電源接入調(diào)度結構示意如圖3所示，分布式電源通常以中、低壓配電網(wǎng)形式接入大電網(wǎng)，相較于傳統(tǒng)發(fā)電單元，安康地區(qū)新能源風電光伏的接入無疑會增加電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)測范圍，相應對防直流微電網(wǎng)孤島檢測技術的精準度和靈敏性要求更高，新能源調(diào)度監(jiān)控方式有異于傳統(tǒng)電網(wǎng)，風力、光伏電源功率輸出的間歇性會使直流微電網(wǎng)內(nèi)部功率產(chǎn)生波動，進而造成直流母線電壓不穩(wěn)定，一旦直流母線電壓波動范圍超過±5%就會造成直流微電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰[9]，影響大電網(wǎng)安全可靠運行及新能源利用率。

圖3 分布式電源接入調(diào)度結構示意圖

2.3 繼電保護

相較于傳統(tǒng)交流大電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)的研究起步相對較晚，與之相對應的直流繼電保護技術尚不成熟，直流繼電保護設備昂貴，參數(shù)整定較為困難。光伏發(fā)電并網(wǎng)后故障特點、電氣量都會隨之變化，分布式發(fā)電單元接入方式如圖4所示，可分為兩種，線路中間接入和線路末端接入，分布式發(fā)電單元不同的接入方式對配電網(wǎng)繼電保護的靈敏性、選擇性都會產(chǎn)生嚴重影響，文獻[10]已做詳細分析，在此不再贅述。安康轄區(qū)內(nèi)多采用傳統(tǒng)電流三段式保護的單端供電干線式配電網(wǎng)，分布式發(fā)電單元的接入使測量阻抗增大，繼電保護范圍縮小，易引起繼電保護系統(tǒng)誤動和拒動[10]。須研發(fā)配套的直流繼電保護措施、故障檢測識別技術及防孤島保護，以便在直流微電網(wǎng)發(fā)生故障時，快速識別故障點并切除并網(wǎng)模式，實現(xiàn)直流微電網(wǎng)孤島運行，保證區(qū)域用戶供電的連續(xù)性和可靠性。如何建設更加堅強可靠的直流微電網(wǎng)，對直流繼電保護技術的研究提出更高的要求。

（a）線路中間接入DG

（b）線路末端接入DG

圖4 分布式發(fā)電單元接入方式

2.4 電能質(zhì)量

光伏發(fā)電的隨機性和間歇性會造成電網(wǎng)功率波動，影響電能質(zhì)量。為有效將光伏太陽能接入大電網(wǎng)，通常還須憑借并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)電能轉換，將光伏發(fā)出的直流電轉換成交流電，此過程中由于并網(wǎng)逆變器高頻電力電子器件的高速導通與關斷會產(chǎn)生大量諧波[11]，造成諧波污染，使電壓、電流三相不對稱，產(chǎn)生畸變，影響用戶側電壓、電流質(zhì)量，如安康高新科技城市光伏發(fā)電項目投運后，多次因供電質(zhì)量而被投訴，故并網(wǎng)逆變器的控制性能對用戶側電能質(zhì)量起著至關重要的作用。另外，直流微電網(wǎng)頻繁離/并網(wǎng)無縫切換也會對大電網(wǎng)造成一定沖擊，如何實現(xiàn)直流微電網(wǎng)平滑切換保證電能質(zhì)量，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術電能質(zhì)量綜合分析研究不可或缺。

3 并網(wǎng)逆變器控制技術

作為連接大電網(wǎng)與分布式能源的核心電力電子裝置，并網(wǎng)逆變器在參與電能轉換方面發(fā)揮著至關重要的作用[12-16]，并網(wǎng)逆變器控制性能的優(yōu)劣是影響光伏利用率的關鍵，故此節(jié)著重探討目前國內(nèi)外并網(wǎng)逆變器主要控制技術。從逆變器輸出端濾波結構來看，LCL型并網(wǎng)逆變器以其優(yōu)越的濾波性能而被廣泛應用，其拓撲結構如圖5所示。按照LCL型并網(wǎng)逆變器輸出端控制對象來分，LCL型并網(wǎng)逆變器主要可分為兩大類：電流控制型和電壓控制型。

3.1 電壓控制型LCL并網(wǎng)逆變器原理及功能

電壓控制型LCL并網(wǎng)逆變器大多采取輸出電流直接反饋控制的方法，但無法保證其電流正弦質(zhì)量，逆變器輸出電流易受電網(wǎng)諧波電壓影響而產(chǎn)生嚴重畸變。近年來，電壓控制型LCL并網(wǎng)逆變器主要以虛擬同步發(fā)電機技術為主，通過逆變器數(shù)學模型模擬同步發(fā)電機的機械方程，使其對外呈現(xiàn)同步發(fā)電機的外特性，以增加逆變器阻尼和慣性[17]，由于其控制技術尚不成熟，示范工程推廣應用甚少。安康地區(qū)分布式電源并網(wǎng)主要采用電流控制型LCL并網(wǎng)逆變器，因此，研究重點主要圍繞電流控制型LCL并網(wǎng)逆變器展開。

圖5 LCL型并網(wǎng)逆變器拓撲

3.2 電流控制型LCL并網(wǎng)逆變器原理及功能

電流控制型LCL并網(wǎng)逆變器一般會選擇并網(wǎng)電流作為閉環(huán)被控量[18]，逆變器輸出表現(xiàn)為電流源，功率因數(shù)接近于1。將并網(wǎng)電流作為閉環(huán)被控量，引入濾波電容電壓形成雙閉環(huán)控制，雙閉環(huán)控制中根據(jù)引入濾波電容電壓與否，又可將電流控制型LCL并網(wǎng)逆變器分為兩大類型：直接電流控制型和間接電流控制型[19]。直接電流控制型逆變器大多采用雙閉環(huán)控制，以并網(wǎng)電流作為外環(huán)控制量，選取濾波電感電流或電容電流作為內(nèi)環(huán)控制量，以增加逆變器阻尼，該控制方法可完成單位功率因數(shù)并網(wǎng)，但對逆變器開關管器件應力要求較高。雙閉環(huán)直接電流控制技術成熟，據(jù)統(tǒng)計，安康分布式光伏電站項目中90%并網(wǎng)逆變器都采用該方法。間接電流雙閉環(huán)控制方法也可分為兩類：①為實現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓間無相差控制，以并網(wǎng)電流峰值作為外環(huán)控制量，內(nèi)環(huán)則采用LCL濾波電容電壓，形成雙閉環(huán)實現(xiàn)對并網(wǎng)電流間接控制；②以LCL濾波電容電壓作為外環(huán)控制量，內(nèi)環(huán)控制量采用逆變器側電感電流，以優(yōu)化并網(wǎng)逆變器動態(tài)性能。

LCL型并網(wǎng)逆變器雖工程化應用較多，但LCL濾波器本身屬于三階系統(tǒng)，自身固有諧振尖峰問題。就如何抑制諧振尖峰，國內(nèi)外廣大學者已做了許多研究工作，主要可分為兩大類：有源阻尼法和無源阻尼法[20-21]。有源阻尼法主要采取控制策略起到抑制諧振尖峰的目的，較為經(jīng)濟有效；而無源阻尼法主要是通過硬件電路增加電阻阻尼，此法不僅會增加經(jīng)濟成本且會額外增加并網(wǎng)逆變器功率損耗，故該法在實際工程應用中常被有源阻尼法所取代。

4 結論

本文首先介紹了新能源發(fā)展趨勢及新能源并網(wǎng)的重大意義，以安康電網(wǎng)為研究對象，就分布式光伏發(fā)電技術存在的功率跟蹤控制、電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控、繼電保護技術、電能質(zhì)量管理等四個方面的問題進行了探討，并對目前分布式發(fā)電所用并網(wǎng)逆變器控制技術進行了綜述，對分布式光伏電站項目建設起到一定指導作用。

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Research on key issues of grid-connected distributed generation in Ankang

YAO Jianshuang JIA Jun ZHOU Miao HUANG Longjun WANG Shenyi

(Ankang Power Supply Company, State Grid Shaanxi Electric Power Company, Ankang, Shaanxi 725000)

Aiming at the problems in grid connection of distributed power generation，Ankang power grid is taken as the research object. Firstly, the basic situation of power grid construction in Ankang is expounded. Secondly, the problems of grid-connected distributed generation are discussed and analyzed in depth. Finally, the key technologies of distributed generation grid-connected inverter at home and abroad are summarized. This paper can provide guidance for new energy grid-connected projects in Ankang area. The purpose is to improve the utilization rate of distributed energy in Ankang area, realize clean substitution quickly, steadily promote the transformation of structure on the energy supply side and promote the sustainable and healthy development of distributed generation technology.

distributed power generation; grid-connected; clean substitution; supply side

2020-12-21

2021-01-20

姚建雙（1993—），男，陜西省安康市人，碩士，工程師，主要從事站用交直流系統(tǒng)檢修工作。