摘要：对分布式光伏并网发电系统的原理与特点进行了阐述，分析并总结出分布式光伏并网发电系统接入电网后会对电网主要产生如下几方面的问题：关于潮流问题；谐波、电压与频率的电能质量问题；孤岛效应问题；可靠性与稳定性问题；电网效益等问题。在此基础上对分布式光伏并网发电系统接入电网后所产生的每类问题的原因及国内外研究现状进行了综述。
关键词：新能源；分布式光伏；并网；配电网；影响
随着世界经济的飞速发展，人类对能源需求的日益增加，以及传统能源的日益枯竭，人们开始将目光投向了清洁可再生的新能源，希望其能改变现在的能源结构，进而实现可持续发展。太阳能作为一种清洁可再生的能源，以取之不尽、用之不竭、廉价、无污染的特点有着其他新能源无法比拟的优势。随着国际环境与国内环境的不断刺激，分布式光伏发电将成为今后发展和研究的主要方向。
1分布式光伏发电原理和特点
光伏发电是基于半导体的光伏效应，将太阳能辐射能直接转换为电能。光伏电池阵列发出的直流电经过逆变器转化为符合要求的交流电后，直接或通过变压器接入电网。分布式光伏并网发电系统，即户用型光伏并网系统，一般由光伏电池板、控制器、逆变器组成。它可与建筑物结合形成屋顶光伏系统，通过设计可以降低建筑造价和光伏发电系统的造价。在分布式光伏并网系统中，白天不用的电量可以通过逆变器出售给当地的公用电力网，夜晚需要用电时，再从电力网中购回。
分布式光伏发电系统一般具有以下特点。
（1）随机波动性。作为一种典型的可再生清洁能源，环境温度、太阳能光照强度以及天气条件对光伏发电系统的影响十分强烈，由此造成了光伏发电系统最大的特点——随机波动性。
（2）现有主要的分布式光伏并网逆变器的控制方式为电压源电流控制，即输入侧为电压源，输出为电流源控制，通过控制输出电流以跟踪并网点电压，达到并网的目的。输出近似为纯有功功率，功率因数接近于1。此外，分布式光伏发电系统的谐波产生也主要是由逆变器产生的[1]。
（3）分布式光伏并网发电系统所发出的电能是直接分配到用户负载上的，多余或不足的电能通过与之相连接的配电网调节；
（4）分布式光伏并网发电系统一般接入电压等级为0.4kV的低压配电网；
（5）分布式光伏并网发电系统还可以与其他新能源一起以微网的形式接入大电网，并与大电网互为支撑，这是提高光伏并网发电系统规模的一种重要技术出路。
2 分布式光伏发电并网对电网的影响
由于分布式光伏发电与传统的火力发电、水利发电在固有特性与接纳方式等方面有很大的不同，所以在并网时通常会产生以下几方面的问题。
2.1 潮流问题
分布式光伏发电，作为电网电源的一种，并网后会对配电网的潮流流向和网损情况有一定的影响[2]。
2.1.1 对潮流流向的影响
对于传统辐射状配电网，其用户侧无任何电源接入，分布式光伏电源接入后，电网由辐射式变为多电源网络，潮流将不再是单向地由变电站母线流向各个负荷，而可能会出现逆流，出现多种复杂的电压分布情况。分布式光伏电源的接入位置、接入容量及网络结构等因素决定了潮流的大小和方向，此外，分布式光伏电源受太阳辐照度、温度等自然条件的影响较大，随机性明显，输出功率的不确定性会导致并网后的各种负荷分布情况交替出现，使系统潮流也具有一定的随机性[3]。
光伏电站装机容量以及并网的位置决定了潮流的流向和分布情况，从优化潮流分布及尽量不改变线路潮流流向的角度出发，可考虑控制并网点光伏电站容量，使其尽量不产生反向潮流，或选择负荷较大的接入点，使光伏电站所发电能就地消纳，不向上级电网返送潮流。当上述条件均不具备时，应尽量采用专线将光伏电站接入馈线首端。
一种考虑潮流倒送约束的配电网分布式光伏电站选址定容规划方法。该方法利用序贯蒙特卡洛模拟法处理光伏出力及负荷的时序性和随机性，以配电网对主网电能的需求最小为优化目标，以安装断路器的支路潮流不倒送和节点电压不越限为约束，在提高分布式光伏接入容量、减少碳排放量的同时，避免了常规选址定容模型引起的安装断路器支路潮流倒送频率高、危及现有配电网安全运行的不足。
2.1.2 网损的影响
传统的配电网网损计算仅与负荷有关。而分布式光伏发电系统接入后配电网网损计算不仅和负荷有关，同时还与分布式光伏发电系统的容量以及其与负荷节点的空间位置紧密相关。分布式光伏电源接入配电网后，配电系统由原有的单电源辐射式网络将变为用户互联和多电源的弱环网络。相关数据表明，配电网的潮流分布在分布式光伏并网后将发生彻底的变化，这种情况的出现将会导致配电网的网损发生变化。
并网光伏电站的出力大小和接入位置均对总损耗产生影响，不仅接入位置影响线路损耗。在一定范围内，出力较大时也可能会增加线路损耗。分布式光伏电源的装机容量和并网位置决定了配电网网损的变化[4]。因此，从降低配电网网损角度出发，提出以下几点建议。
（1）当分布式光伏电源容量小于公共连接点负荷时宜将光伏电站接入配电网馈线末端，以就地消纳负荷，降低网损。
（2）当分布式光伏电源容量大于整条馈线负荷时，宜将其接入线路首端。
（3）当分布式光伏电源容量大于所接馈线负荷2倍时，由于线路损耗和主变损耗均大于正常运行工况时的损耗，因此此时不建议将光伏电站接入该馈线，建议重新选取合适的公共连接点接入。
2.2 电能质量问题
分布式光伏发电系统受昼夜太阳辐射变化的影响很大，具有间歇性、不稳定性等特点，从而其发电功率也将出现间歇性和不稳定性。由此，引发一些电能质量问题。
2.2.1 谐波问题
随着分布式光伏发电系统在电网中所占的比例越来越大，谐波污染问题会成为其发展中一个不可忽视的问题。光伏逆变器中含有大量的电力电子元器件，在直流逆变为交流时不可避免地会产生谐波，对电网会造成谐波污染，并且在并网逆变器输出轻载时谐波明显变大，在额定出力的20%以下时，电流谐波总畸变率（THD）会超过5%。如果电网中含有多个谐波源，还有可能会产生高次谐波的功率谐振[5]。
因而在保证逆变器自身可靠性的同时，还需降低线路电流谐波总含量。主要通过以下两方面来加以控制：一是在逆变器中采用谐波抑制电路和有源功率因数校正电路对高次谐波加以处理；二是在供电设备端对流入的高次谐波和畸变电流加以处理。因此，对光伏系统中的谐波进行准确且快速的测量分析是很有必要的。现有的并网逆变器抑制谐波的方法主要有群控技术方法与综合补偿控制方法2种。应用加窗插值基2FFT算法，有效地实现了对谐波各项参数的检测分析，并应用此方法对光伏并网模型的谐波进行了检测分析。
此外，国家针对谐波会造成的危害也设定了一系列标准，如国家电网公司光伏太阳能电厂接入系统技术规定与分布式电源入网技术规定，所连公共连接点的谐波电流分量（方均根值）应满足GB/T14549—1993《电能质量公用电网谐波》的规定[6]。
2.2.2 电压波动与闪变
由于分布式电源的并入，增加了系统短路容量，从而加强了系统电压强度，可抑制和削弱区域配电网内出现的电压波动，但在分布式光伏电源投入运行和退出系统的过程中，可能造成较大的系统电压波动：①分布式光伏电源的启动和停运与政策法规、用户需求、电力市场等众多因素有关，分布式电源的不规则启停容易导致其输出功率波动，进而引起配电网的电压波动；②分布式光伏电源的输出受自然条件，如：太阳辐照度、温度等环境因素影响，环境的剧烈变化也会导致其输出功率的波动，引起电压波动。
电网中常用的调压方法是改变变压器变比调压，但对于分布式光伏电源接入情况，并不都能满足调压要求，或者说调压效果不够理想，因此需要采用新的调压手段，如采用静止无功补偿装置、新型静止无功发生器。相对于改变变比调压，新的调压手段更灵活，但投资相对较高。因此需根据电网能接纳光伏波动的能力合理设计是否需要安装电压补偿装置。
2.3 保护的影响
配电网络中，一般采用过流保护加熔断保护切除短路故障，对于高渗透率的光伏电源，馈电线路上发生短路故障时，可能由于光伏电源提供绝大部分的短路电流而导致馈电线路无法检测出短路故障[7]。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆分布式光伏技术研究机构曾进行试验，得出了光伏电源逆变器对短路电流贡献不大的结论。当配电网侧发生短路时，试验中接入到配电网络中的光伏电源对短路电流贡献不大，稳态短路电流一般只比光伏电源额定输出电流大十分之一到五分之一，短路瞬间的电流峰值跟光伏电源逆变器自身的储能元件和输出控制性能有关。
逆变器中都配置了低电压、过电流保护，在检测到短路电流时会自动中断逆变器的工作，防止分布式光伏电站输出电压，影响到配电网。
但配电网中接入的光伏数量增多以后，在出现短路时，若逆变器配置的保护未起到应有作用，会导致系统的保护无法正确动作，也很难找到短路出现的具体位置。因此，提出以下对策。
采用局部式光纤差动保护。鉴于普通微机保护受分布式光伏电站并网影响较大，在条件允许的情况下，建议采用局部式光纤差动保护，这样，既不用考虑光伏发电受阳光因素的限制，也不用考虑助增电流导致保护灵敏度降低等一系列问题，可以保证配电网的继电保护稳定运行。
加装安全自动装置。由于受光伏电站并网附近的电网架构影响，光伏电站的并网方式不尽相同，各有特点，应根据其特点加装相应的安全自动装置。加装原则是：在紧急情况下，应将光伏电站从系统中切除，保留原有系统，为保证电力系统安全稳定运行，构建二次系统完备防御的3道防线。
2.4 孤岛效应问题
分布式光伏并网发电系统的孤岛效应是指与分布式光伏发电系统连接的电网线路因故障、事故或停电检修与其跳脱时，光伏并网发电系统继续向所带负载供电，从而形成了一个供电公司无法掌握的自给供电孤岛。
孤岛效应会对配电网系统和用户端造成严重的危害，主要体现在以下几个方面：对电网负载或人身安全的危害，当配电网故障时，用户或线路维修人员可能意识不到自给供电系统的存在，从而造成安全事故；缺少了电网的支持，电力孤岛区域的供电电压和频率不稳定，容易造成用电设备的损坏；电网恢复供电时，光伏发电系统重新并网会因相位不同步引起大的电流冲击；切换成孤岛运行的光伏发电系统，如果无储能元件或储能容量太小，用户负荷会发生电压闪变。
因此研究孤岛效应的检测方法和保护措施，将孤岛效应的危害降至最低，具有很重要的意义。孤岛检测方法主要分为：主动式与被动式。主动式检测方法是指通过控制并网逆变器，使其对电网施加一些扰动信号。当电网正常运行时，由于电网的平衡作用，所施加的扰动信号无法检测，但当电网出现故障时，并网逆变器施加的这些扰动信号将快速地累积并超过并网标准所允许的范围，从而触发孤岛效应的保护电路。被动式检测方法是指通过检测并网逆变器的输出是否偏离并网标准规定的范围（如频率、电压或相位），判断孤岛效应是否发生。主动检测法主要有有源频率偏移AFD法、带正反馈的有源频率偏移AFDPF、滑模频率偏移SMS输出功率扰动检测等。被动检测法主要有过/欠电压､高/低频检测、相位突变检测、电压谐波检测等。
针对孤岛检测中采用的各种方法，有一种新型的过/欠电压与功率扰动法，其具体方法是通过检测逆变器与电网连接点的电压幅值与频率来判断孤岛效应是否发生[8]。同时，为防止在孤岛检测中由于负载盲区而产生的误判现象，在试验中采取主动式孤岛检测方法，即引入功率扰动减小误判现象的发生。提出了一种在AFD偏移基础上改进的2N周期扰动法与关键电量检测法相结合的方法，该方法可以有效减小非检测区并且在检测区内可以提高孤岛检测的可靠性。针对目前光伏逆变器的反孤岛研究主要集中于对单台逆变器的检测算法与参数优化，采用孤岛检测相位原理和负载品质因数与谐振频率坐标系下的盲区空间理论，深入分析了AFD及AFDPF在多级并网工作模式之间的相互影响及孤岛检测盲区的变化规律，揭示了多机并网下孤岛检测可靠性与工作条件的关系。
2.5 可靠性与稳定性问题
分布式光伏并网发电系统接入主网后会对系统的供电可靠性和稳定性造成以下几方面的影响：如前所述，光伏发电系统发电量的波动性和随机性会引起输出功率不稳定，进而会对系统的供电可靠性造成一定程度的影响；分布式光伏电站的选址、配置容量和与电网的连接方式，以及故障光伏电池组件的切除也会对系统的可靠性造成影响；随着光伏发电系统大量投入运行，所占的发电容量比例越来越高时可能会引起系统的动态稳定性问题。
针对分布式光伏发电系统接入主网后所引起的可靠性与稳定性的问题，国内外已进行了一定的研究。光伏发电具有随机性强的特点，需要建立光伏电站发电可靠性模型，进行可靠性评估。有几种适用的可靠性计算模型。随着光伏并网发电系统在电网内的渗透率越来越高，其对系统稳定性的影响问题就显得越来越重要，利用PSS/E分析了光伏并网发电系统接入系统后所带来的稳定性问题。光伏并网发电系统在电网中的“渗透率”进行了描述，并针对“高渗透率”对电网所带来的潜在影响问题进行了综述。大范围的光伏发电系统并入电网对系统振荡稳定性的影响，并指出光伏发电系统分散性地渗透入电网比集中在某处并入电网更有利于系统的振荡稳定[9]。此外，以故障组件对光伏电站的整体出力影响为判据的故障光伏组件切除条件，但并未考虑光伏电池组件的耐受电压以及故障组件位置分布的影响。针对光伏电站发出的无功功率与接入点电压关系以及光伏电站的故障特性，对光伏电站的无功功率与电网潮流进行求解，从而提出光伏电池组件的切除条件。
2.6 电网效益问题
光伏发电系统接入电网后，由于其发电形式的特殊性，会给电网效益带来以下几方面的问题。
（1）由于光伏并网发电系统不具备调峰和调频能力，这将对电网的早高峰负荷和晚高峰负荷造成冲击。光伏并网发电系统增加的发电能力并不能减少传统旋转机组的拥有量或冗余，电网必须为光伏发电系统准备相应的旋转备用机组来解决早高峰和晚高峰的调峰问题。光伏并网发电系统向电网供电是以机组利用小时数下降为代价的，这是发电商所不愿意看到的。
（2）给负荷预测造成一定的困难。负荷预测是电网规划的一个重要依据，新能源出力的随机性使电源的规划方式发生变化。良好的电网规划会使电网效益有很大的提升。近年来，新兴的电网规划方式在负荷能耗增长分析后直接引入了新能源，运用净负荷的定义归纳出电网特征，再进行常规机组的规划，并通过不断迭代从而达到更好的机组协同效果。迭代过程包括选址优化、机组协同策略、引入储能、负荷管理甚至减少某些新能源机组等，进而达到可靠性供电和尽量小的并网代价和开销的目的[10 ]。
3结语
分布式光伏发电作为新能源的一种重要形式有着很好的发展前景。但分布式光伏并网发电会引起配电网系统的潮流变化、电能质量、继电保护、孤岛效应问题、稳定性与可靠性、电网效益等问题，这些主要是由光伏发电的随机出力特性造成的。针对分布式光伏并网发电系统，在并入电网后所产生的上述问题中所体现出的不同，本文进行了一定的阐述。在今后的研究中针对这些不同还需进行更进一步的分析，提出更有效的解决方法，从而使光伏发电更加安全、稳定、高效率。
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作者简介：
陈岭辉（1978—），男，广东云浮人，电气工程及其自动化助理工程师，工学学士，主要从事电力系统中低压配电网规划设计、运行检修、项目管理等方面工作。
论文作者:陈岭辉
论文发表刊物:《基层建设》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/7
标签：光伏论文; 分布式论文; 电网论文; 系统论文; 并网发电论文; 谐波论文; 逆变器论文; 《基层建设》2017年第27期论文;