淺析整縣屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)對(duì)電網(wǎng)的影響

淺析整縣屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)對(duì)電網(wǎng)的影響摘要：本文主要對(duì)整縣屋頂分布式光伏的開(kāi)發(fā)影響電網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行研究，以相應(yīng)提出合理可行的解決措施及工作建議。全文分析了分布式光伏發(fā)電特性及其對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行、繼電保護(hù)、配網(wǎng)網(wǎng)架、電能質(zhì)量等方面的影響。關(guān)鍵詞：分布式光伏，發(fā)電特性1研究背景實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵，關(guān)鍵在于使占85%碳排放的化石能源實(shí)現(xiàn)向清潔能源的轉(zhuǎn)變。電力領(lǐng)域，碳排放占全國(guó)碳排放總量30%以上，基于中國(guó)多煤、貧油、少氣的能源稟賦，電力供給目前的發(fā)電結(jié)構(gòu)以火電燃燒煤炭為主，發(fā)電量占比高達(dá)72%。預(yù)計(jì)火電在2020到2030年達(dá)峰階段以前仍有一定規(guī)模的增長(zhǎng)，但在達(dá)峰之后，將逐年退出電力市場(chǎng)，直至2060年碳中和時(shí)存量火電裝機(jī)清零。由于水電和核電發(fā)展空間有限，光伏與風(fēng)電將成為未來(lái)最重要的發(fā)電方式。根據(jù)國(guó)家能源局《關(guān)于報(bào)送整縣（市）推進(jìn)戶用和屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)試點(diǎn)方案的通知》，結(jié)合某地區(qū)的可開(kāi)發(fā)光伏的屋頂資源和電力消納能力等情況，通過(guò)分析分布式光伏發(fā)電特性，研究其對(duì)某地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行、繼電保護(hù)、配網(wǎng)網(wǎng)架、電能質(zhì)量的影響，提出相應(yīng)的解決措施及工作建議。2分布式光伏發(fā)電特性研究光伏發(fā)電(photovoltaic，PV)的功率具有明顯的隨機(jī)性及波動(dòng)性。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，光照強(qiáng)度對(duì)光伏輸出特性影響較大，光伏出力特性與光照強(qiáng)度直接相關(guān)，不同季節(jié)、地區(qū)的光照強(qiáng)度差異很大，因而光伏的出力表現(xiàn)出明顯的季節(jié)周期性和地區(qū)相關(guān)性。光伏出力和太陽(yáng)輻照度有很強(qiáng)的正相關(guān)性，而不同天氣類型下的輻照度差異大，所呈現(xiàn)的波動(dòng)規(guī)律也不相同，其中在夏天雷雨或多云等天氣，太陽(yáng)輻照度波動(dòng)一般較大，從而導(dǎo)致光伏出力波動(dòng)明顯，表現(xiàn)出很強(qiáng)的隨機(jī)特性，給配電網(wǎng)電壓質(zhì)量、運(yùn)行調(diào)控等帶來(lái)不利的影響。以某光伏電站為例，晴朗天氣光伏電站出力形狀類似正弦半波，非常光滑，出力時(shí)間集中在6點(diǎn)到19點(diǎn)之間，中午達(dá)到最大；多云、陰雨天天氣由于受到云層遮擋,輻照度數(shù)據(jù)變化大,導(dǎo)致光伏電站出力短時(shí)間波動(dòng)大,總體出力水平也不如晴天。當(dāng)太陽(yáng)光強(qiáng)迅速變化時(shí),輸出功率也會(huì)在較大的范圍內(nèi)快速波動(dòng)，小時(shí)級(jí)出力波動(dòng)達(dá)到裝機(jī)容量50%。因此，從日出力特性來(lái)看，光伏發(fā)電出力呈現(xiàn)較強(qiáng)的波動(dòng)性、顯著的時(shí)段性。光伏出力隨光照強(qiáng)度、天氣、季節(jié)、溫度等自然因素而變化，具有隨機(jī)波動(dòng)性；光伏出力多集中在白天，尤其是午間時(shí)段，而夜晚出力為零，呈現(xiàn)顯著的時(shí)段性，無(wú)法持續(xù)穩(wěn)定地供給電力。圖5-2某光伏電站日出力曲線（2021年9月13日晴天）圖5-3某光伏電站日出力曲線（2021年7月22日多云~晴天）圖5-4某光伏電站日出力曲線（2021年1月1日晴天）圖5-5某光伏電站日出力曲線（2021年7月7日多云）圖5-6某光伏電站日出力曲線（2021年7月6日陰~小雨）圖5-7某光伏電站日出力曲線（2021年7月2日陰天）結(jié)合日出力特性，從月度、年度出力特性來(lái)看，南方的光伏電站出力呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特性，夏、秋季發(fā)電較多；全年大部分時(shí)段出力小于其裝機(jī)容量的50%。受光照強(qiáng)度和溫度的影響，光伏發(fā)電在夏季、秋季發(fā)電較多，春季、冬季出力較小，同時(shí)由于冬季日照時(shí)間較短，冬季出力約為夏季出力的6成，年最大出力利用小時(shí)數(shù)約1100小時(shí)。3某地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷特性研究對(duì)于以普通工業(yè)和居民用電負(fù)荷為主的電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，光伏發(fā)電出力和日間負(fù)荷匹配度較高，具有正調(diào)峰特性，但由于晚上難以發(fā)電，難以有效匹配晚高峰。從日出力特性匹配來(lái)看，光伏發(fā)電出力高峰主要在中午期間，能夠和居民負(fù)荷的日間高峰匹配，具有正調(diào)峰特性，但是由于居民負(fù)荷的全日峰值負(fù)荷通常在晚上，此時(shí)光伏發(fā)電無(wú)法發(fā)電，難以起到降低容量需求的作用。從某地區(qū)電網(wǎng)來(lái)看，光伏發(fā)電出力最高月份是夏季7-9月，和夏季負(fù)荷高峰在月度上是匹配的，并且基本能夠和居民負(fù)荷的日間高峰（13-14時(shí)）匹配。但由于某地區(qū)大工業(yè)用電負(fù)荷占比較大，高峰負(fù)荷主要出現(xiàn)在0點(diǎn)至8點(diǎn)（谷期電價(jià)較低），而這個(gè)時(shí)間段光伏出力幾乎為0，負(fù)荷曲線與光伏出力曲線不匹配，因此無(wú)法起到降低某地區(qū)電網(wǎng)峰值出力的作用。圖5-15某地區(qū)電網(wǎng)日負(fù)荷曲線（2021年9月13日~15日）4分布式光伏開(kāi)發(fā)對(duì)電網(wǎng)的影響4.1對(duì)線路潮流的影響未接入光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的時(shí)候,電網(wǎng)支路潮流一般是單向流動(dòng)的,并且對(duì)于配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)隨著距變電站的距離增加有功潮流單調(diào)減少。然而,當(dāng)光伏電源接入電網(wǎng)后,從根本上改變了系統(tǒng)潮流的模式且潮流變得無(wú)法預(yù)測(cè)。這種潮流的改變使得電壓調(diào)整很難維持,甚至導(dǎo)致配電網(wǎng)的電壓調(diào)整設(shè)備出現(xiàn)異常響。4.2對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的影響當(dāng)光照良好,光伏并網(wǎng)電站輸出功率較大時(shí),短路電流將會(huì)增大,可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)配合失誤,而且過(guò)大的短路電流還會(huì)影響熔斷器的正常工作。此外,對(duì)于配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)未接入光伏發(fā)電系統(tǒng)之前支路潮流一般是單向的,其保護(hù)不具有方向性,而接入光伏發(fā)電系統(tǒng)以后該配電網(wǎng)變成了多源網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)潮流的流向具有不確定性。因此,必須要求增設(shè)具有方向性的保護(hù)裝置。4.3對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的影響由于光伏電源的自身輸出不穩(wěn)定性,當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行后,系統(tǒng)必須增加相應(yīng)容量的旋轉(zhuǎn)備用,以保證系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻能力,也就是說(shuō),光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)供電,降低了機(jī)組利用小時(shí)數(shù),犧牲了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。4.4對(duì)電能質(zhì)量的影響受云層遮擋的影響,光伏電源的發(fā)出功率可能在短時(shí)間內(nèi)從100%降到30%以下,或由30%以下增至100%,對(duì)于大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),會(huì)引起電壓的波動(dòng)與閃變或頻率波動(dòng)。此外,由于光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能為直流電,必須經(jīng)過(guò)逆變裝置接入電網(wǎng),這一過(guò)程必將產(chǎn)生諧波,對(duì)電網(wǎng)造成影響。4.5對(duì)配網(wǎng)可靠性的影響配網(wǎng)中的故障大多為瞬時(shí)性故障，所以為了提高供電可靠性，縮短故障恢復(fù)時(shí)間，保護(hù)裝置大多配有自動(dòng)重合鬧功能。當(dāng)分布式光伏接入配網(wǎng)后，配網(wǎng)由單電源供電變?yōu)殡p側(cè)電源供電，勢(shì)必會(huì)對(duì)原有的自動(dòng)重合鬧造成影響，需要考慮故障點(diǎn)兩側(cè)保護(hù)的時(shí)間配合問(wèn)題和檢同期問(wèn)題。配網(wǎng)故障時(shí)，故障點(diǎn)兩側(cè)保護(hù)的動(dòng)作間隔太長(zhǎng)，短路點(diǎn)的去游離時(shí)間不足，電弧沒(méi)有完全熄滅，或者沒(méi)有將故障線路有效隔離，仍向故障點(diǎn)提供短路電流，重合閘時(shí)都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成更大的沖擊，不僅重合鬧失敗，更重要的是會(huì)損壞斷路器等設(shè)備，造成故障范圍的擴(kuò)大。配網(wǎng)故障后，故障線路被有效隔離，分布式光伏和負(fù)荷將形成一個(gè)孤島系統(tǒng)，與大電網(wǎng)不再保持同步。若僅以檢無(wú)壓重合，且大電網(wǎng)與孤島系統(tǒng)的相角差較大，重合時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流會(huì)使斷路器再次跳開(kāi)，重合鬧失敗，所以此時(shí)的重合閘必須考慮同步問(wèn)題，避免非同期重合間。5應(yīng)對(duì)措施及工作建議5.1推進(jìn)光伏能源儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用能源存儲(chǔ)將成為未來(lái)光伏系統(tǒng)一個(gè)越來(lái)越重要的功能。光伏并網(wǎng)儲(chǔ)能逆變器可應(yīng)用于集中式和分布式光伏發(fā)電站。儲(chǔ)能電站的功能,可以克服光伏組件受天氣變化發(fā)電不穩(wěn)定的缺點(diǎn),為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的和諧波含量非常少的純凈電流,提高了電網(wǎng)的品質(zhì);通過(guò)削峰填谷，大幅削減電網(wǎng)峰谷差,提高了電網(wǎng)的利用率。5.2優(yōu)化繼電保護(hù)配置分布式光伏接入線路系統(tǒng)側(cè)和電源側(cè)都應(yīng)配置故障解列裝置。故障解列裝置含過(guò)電壓及低電壓保護(hù)、過(guò)頻率及低頻率保護(hù)等，故障解列裝置動(dòng)作于聯(lián)跳分布式電源并網(wǎng)線路斷路器，條件具備時(shí)，宜聯(lián)跳分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)斷路器；T接接入的分布式電源線路，重合閘應(yīng)考慮與分布式電源側(cè)故障解列、防孤島保護(hù)的配合。重合閘方式宜采用檢同期、檢無(wú)壓方式，無(wú)線路PT時(shí)可能引起非同期合閘的，宜停用線路重合閘。5.3有序推進(jìn)整縣光伏建設(shè)一是電網(wǎng)企業(yè)要開(kāi)展現(xiàn)狀供電設(shè)施和消納能力評(píng)估，配合政府能源規(guī)劃部門合理選擇優(yōu)先開(kāi)發(fā)地點(diǎn)和安排項(xiàng)目推進(jìn)時(shí)序，確保不出現(xiàn)由于上級(jí)供電設(shè)施受限導(dǎo)致影響開(kāi)發(fā)項(xiàng)目推進(jìn)的情況。二是對(duì)具有一定規(guī)模的連片開(kāi)發(fā)項(xiàng)目應(yīng)統(tǒng)一推進(jìn)，合理配置一定規(guī)模的儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行削峰填谷，并從盡量避免影響現(xiàn)狀電網(wǎng)供電質(zhì)量角度統(tǒng)籌區(qū)域需求優(yōu)化接網(wǎng)方案，提升推進(jìn)效率，提高規(guī)范管理水平。參考文獻(xiàn)：王巖.光伏發(fā)電系統(tǒng)