孫高峰

摘要：分布式光伏發(fā)電作為新型能源，在未來發(fā)展具有很廣闊的前景。文章結(jié)合目前分布式光伏發(fā)電實際發(fā)展情況，介紹了光伏發(fā)電原理、光伏電源對配電網(wǎng)的影響及系統(tǒng)保護(hù)配置等，并具體介紹了分布式發(fā)電并網(wǎng)調(diào)度管理的運行步驟。

關(guān)鍵詞：分布式；光伏發(fā)電；調(diào)度管理

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）10-2428-03

Abstract： Distributed photovoltaic power generation as a new energy， in the future development has a very broad prospect. Based on the distributed PV generation of actual development situation， introduces the principle of photovoltaic power generation， photovoltaic power effect on distribution network and system protection configuration， and introduced the specific operation steps of grid connected distributed generation scheduling management.

Key words： distributed； photovoltaic power generation； scheduling management

人們在長期利用能源的過程中，利用化石資源如煤炭、天然氣和石油等化石時期僅是一個很短的時期，然而燃燒化石能源所排出的二氧化碳和含氧硫化物，直接導(dǎo)致了地球溫室效應(yīng)和酸雨的產(chǎn)生，化石能源的大量開發(fā)利用是造成人類生存環(huán)境惡化的主要原因之一，人類面臨著經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的雙重挑戰(zhàn)，化石能源被新能源取代是歷史的必然。因此，在有限資源和環(huán)保要求的雙重制約下，人類應(yīng)未雨綢繆，及早尋求替代能源，這就要求我們所尋求的替代能源必須是可再生的清潔能源，太陽能就是可再生能源的一種。

太陽能就是可再生能源比較理想的一種。太陽能比較豐富，是地球上目前已探明能源儲量的一萬倍左右，我國的太陽能能源比較豐富，光伏發(fā)電是開發(fā)利用太陽能的主要途徑。光伏發(fā)電具有無枯竭危險、安全可靠、無污染、無噪聲的優(yōu)點，絕對干凈（無公害），不受資源地理位置限制，能量隨處可得，不需消耗燃料，規(guī)模設(shè)計自由度大，可就地使用，易儲存，還可以方便地與建筑物相結(jié)合，無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電等，建設(shè)周期短，可無人值守，使用者從感情上容易接受。

1 光伏發(fā)電原理

通過光伏發(fā)電的原理是利用光伏效應(yīng)在半導(dǎo)體如單晶硅、多晶硅、非晶硅等介質(zhì)，將光能經(jīng)過系列轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生電能的發(fā)電方式，與燃煤發(fā)電、水電、核電等傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)比較，光伏發(fā)電不需要過渡過程來轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑥奶柲艿诫娔茌敵霾缓馁M能源，不排放二氧化碳、二氧化硫等溫室氣體，同時沒有廢水和廢氣排出，沒有機械旋轉(zhuǎn)部分等噪聲污染，機械損耗也不存在，不必使用冷卻水進(jìn)行發(fā)電；不對環(huán)境進(jìn)行污染；發(fā)電設(shè)備采用模塊化結(jié)構(gòu)布置，規(guī)模不受限制，運行維護(hù)和管理簡單，維護(hù)成本極低，可實現(xiàn)無人值守。發(fā)電設(shè)備不單獨占地，既能在城市的屋頂和墻面安裝，也可在無水的荒漠地帶安裝；光伏發(fā)電是太陽能利用的主要形式，也是最具發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)。

近年來，全球光伏已成為全球最受重視的新能源發(fā)電技術(shù)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，以年均20%以上的速度快速增長，隨著光伏生產(chǎn)電池技術(shù)進(jìn)一步提高，很多制造電池原材料價格的大幅下降，光伏電池發(fā)揮效率逐步提高，總之光伏發(fā)電所產(chǎn)生的成本在不久的將來成下降趨勢已在所難免。隨著太陽能光伏發(fā)電建設(shè)成本下降，制定光伏發(fā)電所需要的并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及并網(wǎng)運行管理經(jīng)驗提上議事日程，因為目前尚缺乏行之有效的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范準(zhǔn)則。

太陽能光伏發(fā)電方式有很多種，最終途徑是產(chǎn)生電能，目前采用比較多的是光電直接轉(zhuǎn)換方式，另外一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式由于成本較高，在實際用途中不常采用用，下面對這兩種轉(zhuǎn)換方式分別進(jìn)行介紹。

1）光熱電轉(zhuǎn)換方式也叫做聚焦型太陽能熱發(fā)電，通過各種物理方式利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能來發(fā)電，一般是由太陽能集熱器把太陽能直射光聚焦發(fā)熱，將所吸收的熱能將水介質(zhì)轉(zhuǎn)換成高溫高壓的蒸汽，高溫高壓蒸汽再驅(qū)動汽輪機熱電轉(zhuǎn)換進(jìn)行發(fā)電。太陽能熱發(fā)電分為光熱轉(zhuǎn)換過程和熱電轉(zhuǎn)換過程，與普通的燃煤發(fā)電機組相比，太陽能熱發(fā)電同樣具有效率低成本高的缺點，投資成本是普通燃煤機組的5倍以上。

2）光電直接轉(zhuǎn)換方式是將太陽能直接轉(zhuǎn)換電能的常見形式，主要原理是光電效應(yīng)，其配套裝置主要通過太陽能電池來實現(xiàn)，太陽能通過光伏效應(yīng)，直接轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)此功能器件即太陽能電池，其核心部件是用半導(dǎo)體元件制作的一個光電二極管，當(dāng)光能照射在太陽能電池上時，太陽光通過光電二極管轉(zhuǎn)變成電能，電壓形成回路產(chǎn)生電流。足夠多的太陽能電池組合起來，通過串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)形式形成太陽能電池方陣，產(chǎn)生足夠大的電流，從而輸出較大的輸出功率。太陽能電池前景比較廣闊，是我們常見的新型能源，太陽能恒久不衰，太陽能電池作為一次性投資，使用壽命較長至少10年以上，實踐證明，太陽能電池有永久性、可操作性、靈活性等優(yōu)點。

光伏系統(tǒng)按照接入電網(wǎng)不同分為：公共電網(wǎng)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)和用戶側(cè)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，具體實例見圖1：

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)配置

分布式光伏發(fā)電保護(hù)配置分為三個方面

1）逆變裝置至電網(wǎng)間交流保護(hù)配置。接收光伏電站并網(wǎng)線路的電網(wǎng)側(cè)主要配置主保護(hù)及后備保護(hù)，主保護(hù)具有零秒速動性，能快速切除故障，后備保護(hù)是相鄰或下級出現(xiàn)故障時帶時限切除的一種保護(hù)，光伏電站側(cè)只配置主保護(hù)，一般后備保護(hù)不進(jìn)行配置。逆變器是光伏電站并網(wǎng)關(guān)鍵部分，其保護(hù)和檢測功能應(yīng)完善齊備，根據(jù)負(fù)荷端至電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)模型，對電網(wǎng)系統(tǒng)至逆變器之間的保護(hù)進(jìn)行合理配置至關(guān)重要的部分。

2）逆變裝置保護(hù)配置。光伏電站需具備一定的過電流能力，如下表所示

表1 光伏電站過電流能力與連續(xù)可靠工作時間關(guān)系表

[光伏電站產(chǎn)生電流＼&光伏電站連續(xù)可靠工作時間＼&小于1.2倍額定電流＼&不小于60秒＼&在1.2至1.5倍額定電流之間＼&不小于8秒＼&]

當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時，光伏電站保護(hù)進(jìn)行自動檢測，其向電網(wǎng)系統(tǒng)輸出短路電流，不應(yīng)超過額定電流的2.5倍。光伏電站應(yīng)至少設(shè)置一種主動和被動防孤島保護(hù)，若光伏電站為孤島方式，防孤島保護(hù)應(yīng)能快速檢測，通過邏輯部分執(zhí)行與電網(wǎng)斷開連接，防孤島保護(hù)方式有很多種分類，比較常見的有被動式和主動式2種，此兩種方式必須同時具備，被動防孤島保護(hù)方式主要有電壓相位跳動、頻率變化率、三次電壓諧波變動等；主動防孤島保護(hù)方式主要有電流脈沖、無功功率變動、有功功率變動、頻率偏離注入引起阻抗變動等。

3）光伏板至逆變裝置間直流保護(hù)配置。逆變器裝置至太陽能光伏板之間配置直流保護(hù)，通常采用空氣開關(guān)來實現(xiàn)，因逆變器靠近電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)已裝設(shè)逆變器保護(hù)，在另外一側(cè)不需裝設(shè)，只需在光伏板側(cè)配置直流保護(hù)。因光伏板需要特殊材料才能制作，負(fù)荷電流較大時，以設(shè)定最大額定電流為限值時，光伏板會出現(xiàn)板面破裂、鼓肚的情況現(xiàn)象發(fā)生，則此空氣開關(guān)必須采用高精度材料制成，方能有效滿足逆變裝置至光伏板之間直流保護(hù)的工作要求，光伏板最大額定電流是直流開關(guān)開斷電流整定依據(jù)，嚴(yán)格按照滿足最大值時進(jìn)行選擇。

3 光伏發(fā)電對配電網(wǎng)的影響

眾所周知，光伏產(chǎn)業(yè)在我國近幾年發(fā)展非常迅速，遍布二十幾個省市區(qū)，在目前電力能源供應(yīng)中地位日益突出，同時隨之產(chǎn)生的問題也亦漸顯，其對傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)，接入到配電網(wǎng)系統(tǒng)中的分布式光伏電源，隨著電力供應(yīng)緊張形勢的發(fā)展，光伏電源并網(wǎng)項目日益增多，對配電網(wǎng)的影響也越來越明顯，我們著重從以下三個方面對分布式光伏電源對配電網(wǎng)的影響進(jìn)行初步分析。

1）對短路電流的影響。電網(wǎng)系統(tǒng)尤其是配電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路等常見故障時，光伏電源輸出到配電網(wǎng)側(cè)短路電流并不是很大，其實有此認(rèn)識這是不全面的，配電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路時產(chǎn)生的短路電流瞬間峰值與光伏電源逆變器自身的輸出控制性能和儲能元件有關(guān)，穩(wěn)態(tài)短路電流一般只是光伏電源額定輸出電流1.1倍至1.2倍左右，在配電網(wǎng)絡(luò)配置的保護(hù)中，短路瞬間由過流保護(hù)、熔斷保護(hù)啟動并邏輯判斷執(zhí)行出口。當(dāng)光伏電源占比較大時，由于光伏電源提供短路電流較大，從而導(dǎo)致配電網(wǎng)線路無法檢測自身故障并及時隔離，導(dǎo)致饋電線路上發(fā)生短路故障。上世紀(jì)末，西方國家曾通過變壓器做過類似短路試驗，通過逆變器流過的電流進(jìn)行控制，將其注入到與配電網(wǎng)進(jìn)行連接的變壓器上，通過控制電流的大小進(jìn)行分別試驗。得出的結(jié)論是，周波的1到2個周期就把故障完全隔離，短路電流上升小于故障前的200%。在同樣實驗室環(huán)境下，還對一個光伏電源系統(tǒng)側(cè)控制短路電流對變壓器進(jìn)行短路試驗，研究發(fā)現(xiàn)：變壓器沒有因短路電流存在，其主保護(hù)過流保護(hù)卻沒有動作，經(jīng)具體分析原因，其流經(jīng)變壓器電流互感器的短路電流值變小了，由此可見，光伏發(fā)電對系統(tǒng)短路電流影響不容小視，應(yīng)采取相應(yīng)方式進(jìn)行抑制。

2）對電壓的影響。配電網(wǎng)系統(tǒng)接入光伏電源后，因用戶負(fù)荷側(cè)功率部分是由光伏電源進(jìn)行供應(yīng)，配電線路上的傳輸功率有所減少，在低負(fù)荷的線路上，配電線路各負(fù)荷節(jié)點的電壓就會逐步升高，甚至?xí)^規(guī)定考核電壓上限，電壓升高的幅值大小受多方面影響，主要有光伏電源接入點的位置及其容量、數(shù)量大小。配電網(wǎng)供電方式有多種，最主要的方式是輻射型，正常運行方式下，電壓沿供電潮流方向依次降低，越靠近電網(wǎng)電源側(cè)電壓越高，靠近負(fù)荷側(cè)電壓愈低。通常情況下，配電網(wǎng)線路中設(shè)置電容器，配電變壓器含有有載調(diào)壓開關(guān)，通過這些調(diào)壓設(shè)備，利用自動無功電壓控制系統(tǒng)，將各負(fù)荷節(jié)點的電壓控制在合格范圍內(nèi)，電壓偏移幅值較小，使電壓合格率得到切實保障。如果在配電線路末端接入光伏電源，接入點的電壓因光伏電源接入，就有可能越過電壓上限，這時必須合理調(diào)整運行方式，必須光伏電源進(jìn)行合理設(shè)置，需與光伏電源簽訂協(xié)議，吸收系統(tǒng)線路中多余的無功，參與配電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)壓，保證電壓合格，對于配電網(wǎng)的電壓調(diào)整，只有光伏電源的運行方式進(jìn)行合理設(shè)置才能對配電網(wǎng)的電壓進(jìn)行有序調(diào)整，合理設(shè)置運行方式非常重要，在太陽能比較充足時，如夏天午間，光伏電源將明顯抬高接入點的電壓。光伏電源對電壓的影響還體現(xiàn)在可能造成電壓的波動和跳變，在夜間晚峰期間，負(fù)荷較重，配電線路末端電壓較低，然而光伏電源因無太陽光，輸出有功功率較少，改善不了配電線路電壓，但光伏電源此時可提供無功出力，吸收系統(tǒng)無功，改善線路的電壓質(zhì)量，提高功率因數(shù)，使系統(tǒng)經(jīng)濟運行。由于光伏電源的出力隨光伏板入射的太陽光輻射強度大小而隨之變化，局部配電線路不穩(wěn)定運行風(fēng)險加大，甚至處于不可控的程度，而隨著負(fù)荷的自然變化，兩者進(jìn)行疊加，會引起配電網(wǎng)系統(tǒng)電壓波動和閃變。由此可見，接入光伏電源要進(jìn)行合理的規(guī)劃，尤其接入大量光伏電源時，應(yīng)考慮其接入位置和容量大小，因其電壓影響比較大，要將其影響合理控制降到最低點是非常重要且現(xiàn)實的一項工作。

3）對電網(wǎng)規(guī)劃的影響。大容量光伏并網(wǎng)產(chǎn)生的影響首先體現(xiàn)在電網(wǎng)規(guī)劃方面，電網(wǎng)規(guī)劃包括電源的規(guī)劃和輸配電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，地區(qū)負(fù)荷的供電可靠性是電網(wǎng)規(guī)劃中的一個重要依據(jù)，必須提高光伏發(fā)電裝機容量及發(fā)電效率在系統(tǒng)負(fù)荷中的比例，。

光伏發(fā)電作為典型的可再生能源，其最大的特點就是波動隨機性特別大，對地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測影響比較大，受到太陽光照強度、天氣條件以及環(huán)境溫度的影響比較大。分布式光伏發(fā)電主要用于用戶的用電問題，通過并網(wǎng)實現(xiàn)供電差額的補償與外送，缺點是逆潮流導(dǎo)致相關(guān)的保護(hù)都要重新整定，提高負(fù)荷預(yù)測的難度在于光伏發(fā)電所在的區(qū)域，要準(zhǔn)確無誤的對天氣作出預(yù)判，需要穩(wěn)定、可靠地氣象條件。而配電網(wǎng)中的潮流方向會適時變化，電壓和無功調(diào)節(jié)的困難，無形中負(fù)荷預(yù)測難度逐漸增加。

4 分布式發(fā)電并網(wǎng)調(diào)度管理

1）并網(wǎng)調(diào)度管理范圍劃分

電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)只管轄到配電網(wǎng)與光伏電源相連接的電網(wǎng)進(jìn)線電氣設(shè)備，如圖2中所示的產(chǎn)權(quán)分界點，產(chǎn)權(quán)分界點以下電氣設(shè)備由光伏發(fā)電用戶自行管理并操作維護(hù)，其設(shè)備屬電網(wǎng)調(diào)度許可設(shè)備。當(dāng)光伏發(fā)電通過逆變裝置斷路器的解環(huán)、合環(huán)操作，需經(jīng)電網(wǎng)調(diào)度同意。

2）光伏發(fā)電并網(wǎng)投運

光伏電源投運順序主要分為5個步驟，第一是由電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)指揮，用系統(tǒng)帶保護(hù)的分段、分支、環(huán)網(wǎng)柜或開閉所開關(guān)，沖擊光伏電源的并網(wǎng)線路、站內(nèi)母線及附屬設(shè)備進(jìn)行充電；正常后，進(jìn)行第二步，由光伏發(fā)電根據(jù)由上到下的原則，對光伏電站內(nèi)附屬設(shè)備、電力電纜進(jìn)行充電，逆變裝置交流輸入側(cè)帶電正常，此時需要注意的是，必須斷開逆變裝置內(nèi)交流側(cè)開關(guān)；第三由光伏發(fā)電站將光伏板至逆變裝置的直流部分進(jìn)行沖擊，完成直流輸入回路，逆變裝置內(nèi)裝設(shè)的直流開關(guān)應(yīng)合上并運行良好；第四光伏電源內(nèi)逆變裝置裝設(shè)的交流開關(guān)合上并運行良好；第五光伏電源連接光伏板的并網(wǎng)開關(guān)需進(jìn)行時限調(diào)整，通常根據(jù)光伏發(fā)電自身設(shè)備的不同進(jìn)行20秒至300秒的范圍進(jìn)行整定，此時經(jīng)過這個可調(diào)的延時時間后，就可以啟動并網(wǎng)開關(guān)，將光伏電源與配電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)。

3）并網(wǎng)發(fā)電計劃管理。光伏電源并網(wǎng)發(fā)電要根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)指定的計劃進(jìn)行發(fā)電，并網(wǎng)光伏電源發(fā)出功率較大時，需安裝有功功率控制系統(tǒng)，就像火力發(fā)電廠的AGC系統(tǒng)一樣，實現(xiàn)控制光伏電源有功功率輸出并網(wǎng)，接受電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)有功出力控制指令，并根據(jù)此系統(tǒng)進(jìn)行自動執(zhí)行，光伏電源的有功功率正常穩(wěn)定輸出，其最大輸出有功功率及變化率應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度給定的計劃值，根據(jù)遠(yuǎn)動信號跟蹤并進(jìn)行考核，光伏電源的功率輸出影響了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，尤其在系統(tǒng)電網(wǎng)特殊運行方式和故障時，光伏電源的功率輸出影響非常明顯。光伏電源隨著太陽光照射的幅度減少，其輸出功率也隨之減少，特別是出現(xiàn)雷雨等惡劣天氣時，光伏電源受影響更大，輸出功率隨之驟降，這就要求光伏電源要具備輸出功率變化率限制能力。然而事實是，分布式光伏發(fā)電容量較小，對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響較小，電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)也不下達(dá)發(fā)電功率曲線，要達(dá)到下達(dá)發(fā)電功率曲線時，就要求其光伏板投運容量大小足夠大，達(dá)到影響電網(wǎng)系統(tǒng)潮流時。由于光伏板不產(chǎn)生無功功率，只輸出有功功率，其需要從電網(wǎng)系統(tǒng)重吸收少許無功，在這種情況下，因要求光伏電源必須參與電網(wǎng)系統(tǒng)無功電壓調(diào)節(jié)，光伏電源在初期建設(shè)是，應(yīng)配置自動無功補償裝置如電容器、電抗器等，且所采用電氣設(shè)備必須為有載調(diào)壓。對于小型或初期小容量臨時并網(wǎng)的光伏電源，只對其月度并網(wǎng)電量進(jìn)行考核管理，因其對電網(wǎng)系統(tǒng)影響較小，不必裝設(shè)功率控制系統(tǒng)，但應(yīng)保證并網(wǎng)設(shè)備的安全可靠運行。

4）光伏電源的解合環(huán)操作。第一光伏發(fā)電投入運行后，根據(jù)有無太陽光，通過其逆變器裝置進(jìn)行自動檢測，自動完成并網(wǎng)開關(guān)的分合操作；第二由調(diào)度指令進(jìn)行計劃性退網(wǎng)時，光伏電源先通過斷開光伏板側(cè)直流開關(guān)，逆變裝置進(jìn)行停機，再斷開逆變裝置側(cè)交流開關(guān)，再根據(jù)具體情況對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行停運。目前由于光伏電源并網(wǎng)容量較小，可以不必斷開光伏板側(cè)直流開關(guān)，可以直接操作逆變裝置停機，或斷開逆變裝置側(cè)交流開關(guān)；第三光伏電源進(jìn)行計劃性并網(wǎng)時，可以按照上一步的逆程序進(jìn)行。光伏電源輸出功率較大時，啟動并網(wǎng)時，應(yīng)控制其輸出的有功功率，確保其變化不超過所設(shè)定的最大功率變化率，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定，退網(wǎng)切除光伏電源的有功功率同時需要注意，應(yīng)在電網(wǎng)允許的最大功率變化率范圍內(nèi)；第四當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，或電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，光伏電源非計劃性退網(wǎng)/并網(wǎng)由應(yīng)由逆變裝置裝設(shè)的保護(hù)進(jìn)行自動檢測，自動完成解合環(huán)操作，及時隔離故障點，防止事故進(jìn)一步蔓延和擴展。

5 結(jié)束語

通過對分布式光伏發(fā)電進(jìn)行初步研究，使大家對光伏發(fā)電有了清醒認(rèn)識。作為一種新型清潔能源，在將來定會有良好廣闊的發(fā)展前景，，隨著光伏發(fā)電用戶的不斷增加，對地區(qū)電網(wǎng)的影響也不容小覷，電網(wǎng)管理工作者和發(fā)電用戶應(yīng)積極科技知識理論水平，將光伏發(fā)電管理好，通過規(guī)范對分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)調(diào)度管理，可全面提升光伏發(fā)電并網(wǎng)運行管理水平，積極推進(jìn)電網(wǎng)節(jié)能減排，進(jìn)一步提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平。