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探讨分布式光伏接入对配电网系统的影响(1)

1.对电压的影响

集中供电的配电网一般呈辐射状。稳态运行状态下,电压沿馈线潮流方向逐渐降低。接入光伏电源后,由于馈线上的传输功率减少,使沿馈线各负荷节点处的电压被抬高,可能导致一些负荷节点的电压偏移超标,其电压被抬高多少与接入光伏电源的位置及总容量大小密切相关。通常情况下,可通过在中低压配电网络中设置有载调压变压器和电压调节器等调压设备,将负荷节点的电压偏移控制在符合规定的范围内。对于配电网的电压调整,合理设置光伏电源的运行方式很重要。在午间阳光充足时,光伏电源出力通常较大,若线路轻载,光伏电源将明显抬高接入点的电压。如果接入点是在馈电线路的末端,接入点的电压很可能会越过上限,这时必须合理设置光伏电源的运行方式,如规定光伏电源必须参与调压,吸收线路中多余的无功。在夜间重负荷时间段,光伏电源通常无出力,但仍可提供无功出力,改善线路的电压质量。光伏电源对电压的影响还体现在可能造成电压的波动和闪变。由于光伏电源的出力随入射的太阳辐照度而变,可能会造成局部配电线路的电压波动和闪变,若跟负荷改变叠加在一起,将会引起更大的电压波动和闪变。虽然目前实际运行的光伏电源并没引起显著的电压波动和闪变,但当大量并网光伏电源接入时,对接入位置和容量进行合理的规划依然很重要。

2.对短路电流的贡献

通常认为在配电网络侧发生短路时,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10%~20%,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。在配电网络中,短路保护一般采用过流保护加熔断保护。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。1999年,IEA-PVPS-Task-5(国际能源署中的光伏技术工作组)在日本曾用4个不同厂家控制电流注入的逆变器连接到一个配电网上的柱式变压器,然后在变压器另一侧进行短路试验。试验表明,短路电流上升不超过故障前的2倍,1~2个周波就隔离了故障。此外,日本还对一个200kWp的光伏电源系统进行短路试验,研究发现:短路电流经过变压器后,电流变小,变压器过流保护不动作。2003年,美国的NERL(美国可再生能源国家实验室)曾做过关于分布式发电与配电网络之间的交互影响的研究。采用以逆变器方式接入的分布式电源,仿真原型建立在13.2kV的中压配电网络上,分布式电源的容量是5MW,研究重点是熔断保护特性。结果表明,当发生单相和三相故障时,以逆变器方式接入的分布式电源对短路电流的贡献很小,短路电流主要来自主网,甚至比5MW感应电机提供的短路电流还要小的多。因此,可以得出以控制电流注入的光伏电源逆变器对短路电流贡献不大的结论.

3.非正常孤岛

随着在配电网络中有越来越多的分布式电源接入,出现非正常孤岛的可能性也越来越大,IEC在1998年曾用“故障树理论”分析非正常孤岛发生后发生触电的可能性。2002年,IEA-PVPS-Task-5曾用“故障树理论”分析光伏电源的非正常孤岛。在考虑光伏电源渗透率达6倍夜间负荷的极端情形下,发现非正常孤岛导致触电的可能性很小,概率小于10-9次/年。因此,只要管理得当,加上光伏电源逆变器自身带有反孤岛功能,大量光伏电源的接入并不会给系统增加实质性的触电风险。同时,对荷兰地区一个典型低电压住宅区的配电网络就光伏电源系统发生孤岛的可能性进行研究,发现该区光伏电源发生非正常孤岛运行的可能性低于10-5~10-6次/年,几乎为零。因此,认为在住宅区大量接入光伏电源导致发生非正常孤岛的可能性很小。2006 年,DISPOWER对在德国使用的带检测电网阻抗变化的反孤岛策略及电网电压和频率监控的光伏电源逆变器进行了测试,结果表明当电网在一般低阻抗情况下运行时,效果理想;当电网在高阻抗不理想的情况下运行时,光伏电源逆变器检测电网阻抗变化精确度比较差,目前还没有很好的解决方案来满足德国对光伏电源反孤岛策略的标准要求。近年来,大量研究结论表明:即使将来有大量分布式电源接入到配电网中,只要措施得当,发生非正常孤岛的风险可控制在合理的范围内,并不会使系统发生非正常孤岛风险的可能性有实质性增加,因而发生非正常孤岛不会成为妨碍光伏电源等分布式电源接入的一个技术壁垒。

4.注入电流谐波

电流谐波对配电网络和用户的影响范围很大,通常包含改变电压平均值、造成电压闪变、导致旋转电机及发电机发热、变压器发热和磁通饱和、造成保护系统误动作、对通信系统产生电磁干扰和系统噪音等。光伏电源逆变器产生的谐波来源主要有2个:50Hz参考基波波形不好产生的谐波和高频开关产生的谐波。谐波之间的相位差、配电网的线路阻抗以及负荷都能消除部分谐波。当光伏电源逆变器生成正弦基波时,可以部分补偿配电网的电压波形畸变,但会使逆变器输出更多的电流谐波,把光伏电源逆变器接入到弱电网时就会明显出现上述现象。当光伏电源逆变器检测配电网电压来生成参考基波时,光伏电源逆变器可以输出很好的正弦波电流,但是无法补偿配电网的电压波形畸变。1998年,IEA-PVPS-Task-5曾经对丹麦的一个80%家庭都安装有光伏电源的住宅区进行测试,发现光伏电源对当地的谐波贡献有限,还不如家用电器造成的谐波多。因此,研究者认为:对于具有相对较高短路容量的馈电线路和局部高渗透率的光伏电源接入的情况,均有此普遍现象。1999年,IEA-PVPS-Task-5曾在日本对多光伏电源接入到同一配电变压器(住宅区柱式变压器)中的谐波进行测试,使用了多个厂家和多个型号的逆变器。测试结果表明,同类型的逆变器(内在电路和控制策略一致)会造成特定次数的谐波叠加,不同类型的逆变器可会相互抵消谐波的注入。英国也在1999年做过类似的测试,测试结果表明:高次谐波衰减很快,低次谐波的变化情况比较复杂。在强网中谐波畸变一般是个常值,而弱网中的谐波畸变一般随接入的光伏电源逆变器个数增加而加重。当馈电线路阻抗值较大时,可使谐波衰减明显。为了防止特定次数的谐波产生振,有必要限制光伏电源逆变器的容量。在实际运行中,光伏电源注入的谐波电流一般都能符合相关标准的要求。

来源:科技日报
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