农村分布式光伏安装量增多时 这些问题不得不注意

笔者从此前的村级扶贫调研及一些业内人士反馈中得知，当某一较小区域，譬如一个100户的自然村，分布式户用（5KW/户）光伏装机量超过一定数量时，总会出现并网电压跃变、个别逆变器频繁的并网-脱网-并网等异常现象，并且这一现象并不是个案，依据笔者了解，河北平山、安徽六安等地的村级户用扶贫项目安装较多的村落均有发生。

国网公司中国电力科学研究院新能源研究中心冯凯辉此前表示，分布式光伏穿透功率的增加给现有电网以及分布式光伏的控制带来一系列挑战，穿透功率越大，挑战越大。尤其是在农村等薄弱电网，分布式光伏高密度接入时的电压控制与电能质量问题值得关注。

注：分布式光伏穿透功率是指系统中分布式装机容量占系统总负荷的比例。

冯凯辉就分布式光伏接入引起的电网异常归纳为三点，第一是会造成电网无功电压的异常；第二是会产生谐波谐振；第三是会引起继电保护的异常。

其一、就无功电压异常而言，在线路始端电压保持不变的情况下,配电网接入单个分布式光伏后,沿着馈线方向的线路电压分布随分布式光伏容量的增加可能会有四种情况：

※逐渐降低

※先降低后升高，再降低

※先升高再降低

※一直升高

电力学报《分布式发电对配电网电压的影响》一文中，对分布式电源接入后对电网电压的影响给予详细分析。

仿真分析结果显示，一定容量的分布式发电接入配电网络, 会对馈线上的电压分布产生重大影响。具体影响的大小, 与分布式发电的总容量大小、接入位置及功率因数有关。传统配电网一般呈辐射状, 稳态运行情况下, 电压沿馈线的潮流方向逐渐降低。接入DG（分布式电源）后, 在稳态情况下, 由于馈线上的传输功率减少以及DG输出的无功支持, 使得沿馈线的各负荷节点处的电压有所提高。而电压被抬高多少与接入的DG的位置、总容量的大小及其功率因数有关。

“DG的位置和容量是设计一个分布式系统不可缺少的前提条件。由于分布式电源一般都接入用户侧, 因此要根据客户终端所需的容量和所处环境的地理位置, 综合考虑各种衡量指标, 确定所要采用的发电方式。分布式电源的位置不仅要考虑周边的能源、交通运输、地理环境等因素, 还要考虑其布置是否合理, 使线路损耗尽可能小, 从而改善系统的经济性、可靠性和灵活性。”

“另外, DG在实际运行中, 要进行调压和无功优化。依据实际仿真, 分布式发电并入系统, 使得电压被抬高, 某些节点电压甚至超过上限, 对用户造成影响; 而分布式发电的退出,使得依靠DG 支撑的馈线电压下跌, 带来电能质量问题, 所以DG并入配电网一定要进行调压。”

“含分布式电源的配电网由于分布式电源的总容量有限, 分布式电源接入后, 只能在一定程度上改善配电网的无功不足而且有些分布式电源不但不能提供无功功率反而会消耗无功功率,这样会进一步加剧无功不足; 实际配电网中动态负荷的无功需求量也会随着分布式电源的启停而变化, 所以需要进行一定的无功补偿, 即在分布式发电接入地点安装适当的无功电压支撑设备, 如电容器等, 在分布式发电运行时投运。”

其二、谐波谐振；分布式光伏集群中大量逆变器的引入，使得配电网成为含有多个固有谐振点的复杂高阶网络，光伏出力具有谐波频谱宽、幅值波动大等特征，容易激发引起谐振。


注：在物理学里，有一个概念叫共振：当驱动力的频率和系统的固有频率相等时，系统受迫振动的振幅最大，这种现象叫共振。电路里的谐振其实也是这个意思：当电路中激励的频率等于电路的固有频率时，电路的电磁振荡的振幅也将达到峰值。实际上，共振和谐振表达的是同样一种现象。这种具有相同实质的现象在不同的领域里有不同的叫法而已。

固德威太阳能学院王五雷就多机并联谐振原因给出了分析，首先多机并网逆变器系统中，单个并网逆变器大都采用无隔离变压器的拓扑结构，且一般采用LCL滤波器，后面的L为等效电感。采用LCL滤波器的设计会使逆变器系统频带中存在谐振频率点。

其次、无隔离变压器的拓扑结构客观上又建立了多逆变器间的关联与耦合，其中各自逆变器的LCL滤波回路相互的关联以及线路上分布参数阻抗的影响，使多逆变器的输出回路构成了一个复杂的高阶电网络。这一高阶电网络的存在不仅会导致逆变器输出谐波电流放大，严重时则可能会导致多逆变器并联系统的谐振。

再者、随着并网发电系统穿透率的提升，公共连接点(points of commonconnection，PCC)阻抗的变化会使PCC处的电压对功率波动更加敏感，而PCC处的电压波动又可能导致局部逆变器并网系统的谐振，这一局部逆变器并网系统的谐振又可能进一步导致全局并网系统谐振的发生。

对于谐波的抑制，固德威也提出了自己的解决思路。王五雷表示，现在解决谐振的办法有无源阻尼法、APF等，它们能暂时抑制谐振问题，但是其增加了成本，并且以牺牲系统效率，损失发电量为代价。

同时，考虑到电网阻抗的多变性，所处电网的容量不同，各个系统并网逆变器运行的台数也不尽相同导致并网谐振现象具有一定的随机性。故现有技术一方面可能会影响逆变器滤波性能，另一方面也会增加系统损耗，降低系统效率，且抑制谐振技术往往以牺牲逆变器的输出特性为代价，在正常并网情况下无法保证电网的友好性。因此现有技术无法满足各类型电网的并网要求。

固德威在逆变器软件中增加了智能有源阻尼抑制算法，提供了一种既保证正常情况下的输出特性，又能保证高阻抗等谐振状态下系统的稳定性的谐振抑制方法，得以较好的解决了弱网条件下谐振的问题。该技术也成功应用在金寨等多个扶贫项目中。

其三、继电保护异常；分布式光伏提供的短路电流可以使继电保护失去选择性导致误动，或者失去灵敏性导致拒动 。


冯凯辉表示，“国网电科院此前对很多厂家的逆变器做过一些测试，不同的逆变器提供的感应电流不一样。按目前的分布式光伏电网容量，经调研分析，可以将现有配电网的保护由单项改成双项，继而满足当下分布式光伏的接入，但是随着分布式装机容量的进一步增加，继电保护还是会受到一定的影响。”

同时，冯凯辉选取了两个典型的案例给予了分析和改造方法：

案例1、北京市区分布式光伏规划

算例为北京某110kV变，共16条10kV出线，平均负荷23MW，最大负荷40MW，8个光伏并网点：

?总网损随光伏装机容量增大呈现先降后升的趋势；

?光伏30MW时总网损最小，比未接光伏时网损减小了12% 。

分布式光伏发电的接入增大了母线电压波动幅度，虽未越限，但增加了配电网电压调节难度；需采取措施控制母线电压波动幅度，如利用光伏逆变器的无功-电压调节能力。
接入之后增加了电网波动的幅度，没有越线，但是增加了调频的难度。所以采取的改进措施就是利用光伏逆变器自身的无功电压调解能力，来控制电压的波动幅度。为此，电科院还专门研发了能够协调控制多台逆变器的就地协调控制器。

每个光伏汇集点安装就地协调控制器，实现对逆变器的快速无功调节，并进行通讯协议转换；各光伏汇集点信息经加密无线传输，通过安全隔离后进入无功电压协调控制系统，从而实现光伏集群的多点、分层融合组网无功电压优化控制。
案例2、涞水县寺皇甫村光伏扶贫项目

河北省涞水县寺皇甫村目前由周边35kV城东站义安镇10kV线路供电，包含4个10kV台区。规划100户，每户安装3kW光伏，总容量300kW


光伏接入后出现的问题：末端电压超过1.1pu；部分台变接近过负荷。

对于上述异常问题的解决，冯凯辉给出了如下的改造方案：


改造方案第一步：部分光伏+负荷改接线，使各台变接入容量尽量均衡，并缩短末端光伏接入距离；


改造方案第二步：加强主干线路，敷设双回线或改为更大截面导线


当然，加装储能无疑是一种减少局部电网异常的有效办法。德国等分布式光伏高渗透率的国家，他们的解决方法是加储能装置，基本实现分布式光伏的就地消纳，尽量减少对电网的扰动。譬如固德威的双向储能逆变器ES系列，即可实现光伏所发的电力在白天优先供负载使用，多余的部分存储在蓄电池中，如果再有多余则卖到电网，晚上优先从蓄电池中放电使用，不足部分从电网购买，太阳能电力可以做到80%以上的自发自用。

从远期而言，固德威也提出了局部区域高比例容纳并消纳分布式光伏电力的解决思路，其推出SMES智慧能源管理系统，以期在局部范围内，结合售电侧改革，更好的调度管理分布式光伏电力。譬如，固德威总经理黄敏此前表示，“可以借助智慧能源管理平台SEMS平台对自有的光伏电站做发电量预测，预测未来三天或一周的发电量和用电量，两相比较，可以知道自己生产的电力是不足还是富余，我们可以在SEMS平台上发出需求指令，就近在社区或工业园区购买或者销售自己生产的太阳能电力”。

然而，在国内目前的政策环境之下，加之储能的高成本，一般而言，加装储能还不具有经济性。从《太阳能发展“十三五”规划》得知，“十三五”期间将大力发展分布式应用，各类示范园区及整村推进的光伏扶贫项目，势必将引起局部区域分布式光伏装机的迅速增加。所以，在设计阶段，提前考虑合理的装机分布和并网点显得格外重要。