范 佳，張佳杰，陳方舟，徐溢民，王嵐青

(國網(wǎng)上海市電力公司長興供電公司，上海 201913)

隨著“3060”雙碳戰(zhàn)略的推廣實施，分布式光伏作為投資低、見效快的低碳發(fā)電模式，預(yù)計裝機容量將迅速增加。長興島作為上海光伏低碳戰(zhàn)略的領(lǐng)頭羊，將率先在上海實現(xiàn)低碳島與零碳島[1]。然而，大容量光伏接入長興島電網(wǎng)產(chǎn)生的諸多新挑戰(zhàn)，也將日益浮出水面。

在大力發(fā)展光伏發(fā)電的同時，分布式光伏發(fā)電技術(shù)也在不斷成熟，與之相匹配的一些供電安全性、經(jīng)濟性和可靠性的技術(shù)也在不斷進步，為大力發(fā)展新能源發(fā)電奠定了基礎(chǔ)[2]。已有眾多學(xué)者對分布式電源接入配電網(wǎng)引起的問題進行了深入研究：文獻[3]考慮了配電網(wǎng)負荷分布情況，分析了光伏機組接入配電網(wǎng)對節(jié)點電壓的影響；文獻[4]分析了分布式光伏接入點對配電網(wǎng)電壓的影響；文獻[5]研究了當(dāng)配電網(wǎng)接入分布式電源變?yōu)槎鄠€諧波源的網(wǎng)絡(luò)時，其諧波呈現(xiàn)多分布參數(shù)特性；文獻[6]提出利用變壓器來調(diào)節(jié)分布式光伏接入引起的電壓波動，但此方法易損害變壓器，縮短其壽命。

但這些文獻都是從單一方面分析光伏接入對配電網(wǎng)的影響，缺點是不夠全面。本文在此基礎(chǔ)上進行全面分析，對光伏接入配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響提出實用化的技術(shù)方案，以解決配電網(wǎng)中存在的隱患。

1 分布式光伏接入對電網(wǎng)的主要影響

1.1 對配電網(wǎng)局部電壓穩(wěn)定的影響

低壓配電線路多數(shù)是單輻射狀分布供電，電源向下級負荷逐級單向傳輸，在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時，供電的安全性和可靠性無法得到保證。因此，在配電網(wǎng)的改造和建設(shè)中，環(huán)網(wǎng)供電、開環(huán)運行的模式因其可靠性和安全性高，在越來越多的網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用。配電網(wǎng)中電源和負荷的數(shù)量和位置都會對局部電壓產(chǎn)生影響，進而對系統(tǒng)的正常運行造成影響。

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，電壓沿著傳輸線由電源向負荷逐漸降低，如無外界電源接入，情況會比較穩(wěn)定；但當(dāng)傳輸線接入新的電源——分布式光伏發(fā)電，會使得傳輸線各負荷節(jié)點處的電壓偏高或者偏低，甚至超出系統(tǒng)安全運行的指標(biāo)，影響配電網(wǎng)的安全性能和操作規(guī)章，這是因為大規(guī)模的光伏接入后，因其出力的間歇性與電網(wǎng)負荷時空匹配性不一致，從而導(dǎo)致系統(tǒng)潮流流動模式改變。低壓配電網(wǎng)的電壓問題關(guān)乎用戶用電的質(zhì)量問題，負荷側(cè)的消納要和供電量相匹配，否則可能會造成電壓嚴重偏高或偏低，給配電網(wǎng)的安全運行和用戶的電能質(zhì)量帶來威脅[7]。

1.2 對繼電保護的影響

在大規(guī)模接入分布式光伏的情況下，如傳輸線發(fā)生故障時，光伏逆變器因其能量密度有限，其中電力電子元件過流能力限制，并不能提供較大的短路電流，從而可能會導(dǎo)致線路上的故障無法被檢測并且使保護響應(yīng)[8]。

尤其是在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)三段式保護中，瞬時電流速斷保護可能會不被識別，以帶有分布式電源的簡單配電網(wǎng)系統(tǒng)進行分析，配電網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)系統(tǒng)圖

圖1中，S為電源，QF0-QF2為繼電保護開關(guān)，單一的分布式電源接在饋線上。當(dāng)K1點發(fā)生短路時，短路電流從電源、分布式電源共同流向K1點，在開關(guān)動作之前，QF1上只流過電源引起的短路電流，與K1點的短路電流相對較小，導(dǎo)致開關(guān)QF1的保護靈敏度減??；當(dāng)QF1發(fā)生動作跳閘后，分布式電源仍持續(xù)不斷地為短路點K1提供短路電流，可能使瞬時性故障變?yōu)橛谰眯怨收希瑥亩鹪O(shè)備損壞。

對于繼電保護，如大量末端分布式光伏向同級或上級電網(wǎng)倒送故障電流時，由于既有配電網(wǎng)保護不考慮功率方向問題，這會使得保護誤動作或拒動作概率提高，可行的做法是使光伏逆變器在識別到系統(tǒng)故障后停止輸出，保證繼電保護設(shè)備成功動作、切除故障后再重合閘恢復(fù)輸出。由光伏逆變器的電力電子元件引起的諧波，還會導(dǎo)致保護的動作特性改變，造成保護裝置的拒動或誤動，這也可能會引起設(shè)備損壞。

1.3 對電能質(zhì)量的影響

規(guī)?；姆植际焦夥尤肱潆娋W(wǎng)，電能質(zhì)量受到的影響主要表現(xiàn)在諧波和頻閃這兩個方面。

光伏逆變器的電力電子元件引起的諧波，增加了系統(tǒng)中元器件的附加諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電的效率，當(dāng)大量的3次諧波流過中線時，可能會使線路過熱引起不必要的火災(zāi)，造成設(shè)備損失和人員傷亡[9]。一般情況下，諧波只有通過測試分析才能識別出來。

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)，當(dāng)其通過照明設(shè)備時，會危害身體健康，影響正常的工作，例如頻閃效應(yīng)會引發(fā)視覺疲勞、偏頭痛。

1.4 對運檢安全的影響

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著電能的輸送功能，然而伴隨著大量分布式光伏發(fā)電的接入，光伏的不確定性和波動性，極易導(dǎo)致在規(guī)劃電網(wǎng)時出現(xiàn)電力配電網(wǎng)電源點負荷不匹配城市建設(shè)的問題，這不僅會影響到電力企業(yè)的經(jīng)濟效益，還會對配電網(wǎng)的運維檢修流程產(chǎn)生極大影響。

對于運維檢修安全，另外重要的問題是，分布式光伏系統(tǒng)的防孤島效應(yīng)保護。防孤島效應(yīng)保護原本就是解決系統(tǒng)脫網(wǎng)后能夠快速關(guān)斷輸出，防止功率倒送導(dǎo)致的安全事故。由于既有光伏逆變器僅僅通過關(guān)閉內(nèi)部絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT)方式停止輸出，系統(tǒng)無明顯斷開點，因而隱患較大，并且當(dāng)分布式光伏容量規(guī)模大幅增加后，理論上孤島獨立運行的有功平衡條件存在，只要光伏逆變器的防孤島保護設(shè)置參數(shù)考慮不周，就很可能導(dǎo)致防孤島保護無效，產(chǎn)生功率倒送情況，所有光伏逆變器孤島帶負荷運行。因此，必須設(shè)計可靠性高、有明顯斷開點的防孤島效應(yīng)輔助保護機制[10]。

2 配電網(wǎng)隱患解決思路

2.1 電能質(zhì)量優(yōu)化技術(shù)

逆變器一端連接著光伏發(fā)電系統(tǒng)，另一端連接著配電網(wǎng)，作為光伏電站和大電網(wǎng)的中間重要環(huán)節(jié)，對提高光伏電力的友好性，起著至關(guān)重要的作用。

傳統(tǒng)的光伏電站在設(shè)計時，通常需要設(shè)置20%～30%的動態(tài)無功補償裝置(Static Var Generator，簡稱SVG)，如圖2所示。

圖2 SVG補償示意圖

動態(tài)無功補償裝置作用于并網(wǎng)點處的功率因數(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)無功的動態(tài)補償，具有連續(xù)調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點。目前光伏逆變器具有大范圍的功率因數(shù)調(diào)節(jié)和響應(yīng)能力，能夠及時地吸收和釋放無功，達到調(diào)節(jié)電壓的目的。針對此問題，本文提出了一種基于可控串聯(lián)補償?shù)耐庵霉夥孀兤鳛V波與無功補償裝置，利用新型材料，在實現(xiàn)無功吸收的同時，解決了光伏逆變器中高次諧波的問題。

2.2 孤島檢測技術(shù)

孤島會損害公眾和電力公司維修人員的安全和供電的質(zhì)量，因此防孤島技術(shù)在含有并網(wǎng)逆變器的電網(wǎng)中不可避免地會被使用到。在并網(wǎng)逆變器的孤島檢測中，當(dāng)出現(xiàn)電壓異?，F(xiàn)象時，僅僅依靠被動技術(shù)，則容易出現(xiàn)孤島防護失效，所以必須有效結(jié)合主動技術(shù)進行防護。被動技術(shù)是通過檢測并網(wǎng)點電氣量是否越限而判定的保護功能，實現(xiàn)起來簡單、成本低，但是其保護動作值難以整定[11]；主動技術(shù)是通過注入擾動量而實現(xiàn)的防孤島保護功能，此方法需要施加擾動，影響了電能質(zhì)量[12]。

然而，無論是主動還是被動，對于光伏系統(tǒng)接入的末端電網(wǎng)，若系統(tǒng)中存在大轉(zhuǎn)動慣量的電機設(shè)備，防孤島保護依舊存在失敗的可能，對此本文提出了基于空間背景電磁場感應(yīng)的孤島效應(yīng)檢測新技術(shù)。

該技術(shù)通過檢測環(huán)境中的空間背景電磁場，當(dāng)環(huán)境中主網(wǎng)產(chǎn)生工頻50Hz的電磁場無處不在時，通過跟蹤主網(wǎng)在空間中衍生電磁場的相位、相角與頻率，再與本地光伏逆變器輸出信號進行比較，就能高靈敏地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)是否脫網(wǎng)運行。基于空間背景電磁場感應(yīng)的孤島效應(yīng)檢測技術(shù)相比現(xiàn)有的末端電氣量檢測方法，減少了雜散信號的干擾，提高了檢測精度，從根本上將孤島獨立運行的風(fēng)險降低到零。

2.3 快速重合閘技術(shù)

為避免光伏系統(tǒng)倒送故障電流導(dǎo)致保護誤動作或拒動作，在系統(tǒng)擾動時瞬時斷開光伏逆變器輸出，并在電壓恢復(fù)后快速恢復(fù)逆變器輸出，對于保證繼電保護正確動作，以及系統(tǒng)故障后的恢復(fù)穩(wěn)定有極大好處。

通過采集線路末端電壓絕對值與電壓波動速率，判斷系統(tǒng)是否存在故障，并快速動作于逆變器跳閘與重合閘，從而使配電網(wǎng)既有繼電保護無需考慮光伏逆變器的影響。

2.4 多斷口斷路器技術(shù)

隨著電壓等級的不斷升高，多斷口斷路器因其含有多個短間隙串聯(lián)，是未來替換SF6斷路器的發(fā)展方向之一[13]。目前，絕大多數(shù)逆變器出口斷路器均為單斷口，如若僅有的一個斷口在發(fā)生故障時并未按規(guī)定正常斷開，便可能會發(fā)生嚴重的電力事故。

基于此，本文研發(fā)了智能雙斷口斷路器，既可以通過電壓與空間電磁場感應(yīng)動作于分合閘，又能通過通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，簡稱GPRS)接受遠方分閘指令，并且雙斷口技術(shù)從根本上解決了單一斷口失效導(dǎo)致的觸電危險。

3 分布式光伏電網(wǎng)接入影響解決方案

3.1 新型濾波與補償裝置

采用坡莫合金材料制作的高密度電抗器，在不需要電容的情況下，可提升其濾波效率，為系統(tǒng)提供近似于正弦波的工作環(huán)境，如圖3所示。通過濾波后，電網(wǎng)電流波形得到顯著改善。通過設(shè)置寬頻帶的無功電抗器，基于可控串聯(lián)補償外置光伏逆變器濾波與無功補償裝置，可通過檢測末端電壓進行投切，對無功進行高響應(yīng)的吸收，同時也可抑制光伏逆變器的高次諧波干擾。

圖3 濾波前后注入電網(wǎng)電流的波形

3.2 空間背景電磁場檢測技術(shù)

在空間環(huán)境中，由于傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)工頻信號為50 Hz，通過大地與空間電容感應(yīng)輻射效應(yīng)，將遍布絕大部分有電網(wǎng)供電的區(qū)域，交流電網(wǎng)的空間雜散電磁信號強度很大，一般人體感應(yīng)信號最大的就是電網(wǎng)的工頻交流感應(yīng)信號。此時，將該信號的相位、相角、頻率等信息，與本地光伏逆變器出口端電壓進行對比，就能非常清楚地檢測到光伏系統(tǒng)是否脫網(wǎng)運行，其流程如圖4所示。首先將隔離濾波后的本地電網(wǎng)電壓信號與放大濾波后的空間背景信號進行A/D轉(zhuǎn)換，然后進行頻率、相位和相角比較，最后根據(jù)結(jié)果執(zhí)行開關(guān)動作。

圖4 空間背景電磁場檢測技術(shù)

該空間背景電磁場檢測技術(shù)與單一本地電網(wǎng)信號模擬量檢測相比，由于引入了另一個可靠的主網(wǎng)電源信息參照量，不僅大大提高了檢測的準(zhǔn)確率，而且避免了復(fù)雜算法帶來的其他不確定性，使得防孤島保護能夠如實正確地動作，保障維修人員的安全和供電質(zhì)量。

3.3 光伏專用自動重合閘斷路器

為配合配電網(wǎng)既有繼電保護裝置而無須再考慮光伏逆變器帶來的影響，本文設(shè)計了光伏專用自動重合閘斷路器，自動重合閘機構(gòu)如圖5所示。該重合閘在通電的情況下自動合閘，正常工作；但在低電壓的情況下會自動分閘，斷開電路。

圖5 自動重合閘機構(gòu)

該自動重合閘同時具有故障防合閘及過載和短路保護功能，可大大提高系統(tǒng)的安全性。光伏專用自動重合閘參數(shù)如表1所示，該重合閘適用于50 Hz交流電系統(tǒng)，額定工作電壓有230 V和400 V兩種情況，額定工作電流為6～125 A。當(dāng)電網(wǎng)供電出現(xiàn)欠壓2%以上時，重合閘自動跳閘，待電壓恢復(fù)后立即重合閘，并具備自動與手動兩種操作模式。自動工作模式下，主電路有電情況下斷路器自動合閘,停電情況下自動分閘；手動模式下電網(wǎng)正常電壓不會自動合閘。

表1 光伏專用自動重合閘參數(shù)

3.4 基于GPRS遙控通信的智能雙斷口斷路器技術(shù)

隨著公共無線傳輸技術(shù)的成熟和普遍推廣，基于GPRS/WIFI等數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娏π袠I(yè)也在快速發(fā)展。因此，本文提出基于通信模式的自帶機構(gòu)遙控分合閘操作斷路器，其示意圖如圖6所示。該斷路器與上級供電部門的工作手機平臺聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)檢修需要時直接遙控臺區(qū)內(nèi)的所用光伏逆變器脫網(wǎng)，從根本上保證了電網(wǎng)運行的安全性。

圖6 雙斷口安全隔離斷路器示意圖

4 結(jié)語

本文對分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的影響進行了全面分析，針對電壓穩(wěn)定、繼電保護、電能質(zhì)量和運維安全方面的隱患，研究出了具有可操作性、有效性和安全性的設(shè)備和技術(shù)操作，解決了分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)帶來的隱患。在保證電能質(zhì)量和系統(tǒng)安全性的前提下，為后續(xù)光伏發(fā)電的大量接入，提出了建設(shè)性的方案，對光伏的利用具有重要意義。