惠州电力勘察设计院有限公司
【摘 要】光伏建筑一体化（BIPV）的接入，改变了传统电网的结构，给电网带来多种形式的影响。为了保证电网安全可靠运行就必须对这些影响加以关注。本文结合BIPV发电系统组成和工作原理，探讨了BIPV接入对电网的影响及其解决对策。
【关键词】光伏建筑一体化（BIPV）；接入电网；影响
引言
光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）即光伏发电与建筑物结合在一起，其既是“建筑物产生能源”的新概念建筑，也是光伏发电的一种新应用形式，是建筑与光伏的完美结合。按照光伏发电方阵与建筑物结合的形式，分为BIPV屋顶一体化、BIPV墙面一体化和BIPV建筑构件一体化，如光电屋顶、光电幕墙、光电遮阳板、光电雨蓬等[1，2]。按照光伏发电是否并入电网，BIPV分为并网型和离网型（或独立型）两类。顾名思义，并网型BIPV发出的电能要馈入电网，离网型BIPV发出的电只供自用，不与电网发生联系，它不在本文讨论范围以内。BIPV的出现不仅解决了能源短缺的问题，也很好地利用了太阳能这种可再生的清洁能源，但是光伏发电与火电、水电乃至风电、生物质能都有很大的差别，波动性特别大，因为光伏发电量受到日照、天气、季节、温度等因素的影响剧烈变化，并且不易根据电网需求进行调节。如果仅是少量的光伏电源并网，还不至于对电网产生很大影响，但如果光伏电源的规模较大或数量较多时，这种影响就无法被忽视了，随着BIPV应用渐多，必须考虑其接入对电网的影响，因此本文对有关内容进行了探讨。
1 BIPV发电系统的组成与工作原理
为了便于理解BIPV接入对电网的影响，这里简要介绍一下BIPV发电系统的组成与工作原理。并网型BIPV由光伏组件、控制装置、并网逆变器和电能计量表四部分组成。光伏组件将太阳能转化为直流电，逆变器再将直流电转变为正弦交流电，经过电能计量表并入电网。基于系统波动的特点，通常加入蓄电池来贮存电能，同时加上控制器进行调节、控制和保护，并保证逆变器输出的交流电与电网在相位和频率上严格一致。光伏发电系统结构如图1所示。
图1 BIPV发电系统结构示意
2 BIPV接入对电网的影响
2.1 对电网电压的影响
BIPV接入对电网电压的影响表现在两个方面：电压偏移和电压波动。按规定，10kV和380V并网后电压偏差应在 范围以内（ 为标称电压，下同），220V的电压偏差应在 与 之间[3]。传统配电网一般呈辐射状，并沿馈线潮流方向电压逐渐减小，但BIPV的接入改变了这种情况，因为BIPV本身就是一个源，会抬高接入点的电压并使馈线各负荷点处的电压出现波动，从而可能使电压偏离安全运行指标。BIPV由配电网首端接入时，电压沿馈线方向将会先升高后降低；如果BIPV分散接入配电网，馈线各点电压有升高有降。BIPV接入电网后电压波动的频度以10次/h计时，由此引起公共连接点处电压波动幅度最大不应超过3%。显然，BIPV在投入系统、退出系统以及光伏方阵受到云层遮挡时，配电网电压都会出现波动，而且配网功率因素越低，接入点处的电压波动越剧烈。为了稳定节点电压，一般采取补偿措施。节点电压偏高可补偿感性无功，电压偏低应补偿容性无功。提高电网无功储备可抑制电压波动，补偿有功利于电压稳定。另外，BIPV接入点应避开有重要负荷的母线，以减小对重要负荷的影响。
2.2 对电网三相平衡的影响
BIPV并网后公共连接点的负序电压不平衡度≯2%（短时≯4%）；BIPV接入引起的负序电压不平衡度≯1.3%（短时≯2.6%）。在三相不平衡系统中，正序分量支持基波，负序分量对抗基波，零序分量会在N线上集聚，所以负序分量和零序分量都不利于系统。逆变器中加控制器可抑制负序分量，采用带△/Y变压器有利于消除零序分量。如果逆变器不带变压器，则应增设零序调节器进行补偿。
2.3 注入谐波和直流分量影响
逆变器本身就是谐波源，按相关标准规定，10kV与380V电网电压总谐波畸变率分别不得超过4.0%和5.0%。谐波会增加电气设备损耗和引起发热，降低同步发电机输出功率和转矩，引起变压器效率降低和升温，加速电气设备绝缘老化，降低保护装置的灵敏度和可靠性，还会干扰通信线路正常工作，因此必须加以抑制和消除。可以利用滤波装置滤除谐波，合理选择变压器绕组联接方式也利于抑制谐波，也可以通过逆变器中的实时电流跟踪功能抑制谐波，并联静止无功补偿装置也可减小滤波量。
按规定，BIPV并网节点处注入的直流分量≯0.5% 。逆变器采用脉宽调制技术，由于设计、制造等方面的原因会使输出交流电中含直流分量。过多的直流分量将使系统过流，可能损坏功率器件；直流分量还会造成非线性负荷加剧电流不对称而损坏负荷；对谐波有放大效应；加速电缆腐蚀；瞬时电流峰值可能烧毁熔断器引起停电。采用带隔离变压器的逆变器或在变压器中性点或交流线路上串接电容器等措施可抑制直流分量。
2.4 对电网的冲击影响
BIPV并网相当于在原有交流系统中多并联了一个交流电源，如果并网时BIPV与电网电压相位、频率不严格同步，就会产生冲击电流，并对电网产生冲击，引起保护装置动作或电气设备损坏，因此并网逆变器要有可靠的同步装置，同时并网操作要严格依照规范进行。
2.5 对电网保护装置的影响
BIPV并网对电网继电保护带来不同程度的影响，并随电源容量、接入位置、网络拓扑结构的不同而变化。如高渗透率的BIPV电源（即电网含较高比例的BIPV电源），在馈线发生短路故障时，如果短路电流主要由BIPV电源提供，可能导致馈线上检测不出短路故障，断路器也不会跳闸，因为短路电流经过变压器变小，过流保护不动作，因此并网点和公共连接点的断路器应具备短路瞬时、长延时保护、分励脱扣、失压跳闸、有压闭锁合闸等功能，以确保遇到各种类型短路故障时都能做出相应反应。
2.6 对电网潮流计算的影响
BIPV并网后改变了原电网的潮流分布，并使潮流随机性增加，因此传统电网潮流的计算方法不再适用。随机潮流算法基于统一分析，适用于中长期潮流计算，短期潮流计算可采用基于灵敏度补偿的微电网潮流计算法。
2.7 孤岛效应影响
并网逆变电源在电网断电后仍然对失压电网进行供电就称为孤岛效应。孤岛效应会对线路检修人员造成伤害，并网设备也可能因负荷急剧改变而烧毁，因此应使用带快速检测孤岛效应的逆变器。
3 结语
BIPV接入对电网的影响不止上述讨论的内容，其他如对电能计量影响、对短路电流的影响、逆流影响、对电网调度自动化影响等也需要从不同角度加以关注。总之，BIPV接入对电网的影响是一个系统问题，需要全面考察和分析，以确保BIPV电能质量的安全可靠。
参考文献：
[1] 陈国良. 基于光伏建筑一体化及多种能源互补的微电网研究[J]. 上海节能，2013（2）：36-43.
[2] 王凯. 光伏建筑一体化探讨及应用案例分析[J]. 电力与能源，2014，35（3）：378-380.
[3] 李英姿. 分布式光伏并网系统运行中存在的问题[J]. 建筑电气，2014，33（11）：44-50.
论文作者:刘家男
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第9期
论文发表时间:2016/8/16
标签：电网论文; 电压论文; 光伏论文; 分量论文; 逆变器论文; 谐波论文; 系统论文; 《低碳地产》2015年第9期论文;