从分布式光伏电站与配电网的相互影响 谈逆变器技术的创新方向

分布式光伏电站渗透率的提高对配电网的影响是广泛而深远的。一旦分布式能源渗透率提高到10～20%，传统配电网将会转化为电力交换中心，这时分布式光伏电站与电网之间便会发生相互作用，从而产生诸如谐波、电压扰动等问题。解决这些问题的关键是逆变器。未来，逆变器扮演的角色不仅仅是一个将光伏系统产生的直流电转换为交流电输入电网的电流转换器，它还将成为电网和光伏系统的管控中心与互动媒介，从而提升电能质量和提高电网运行的稳定性，同时，还能将逆变器与用电需求侧管理相结合，使之成为智能电力管理中心。 　　背景介绍 　　今天，中国社会各界，从政策制定者到市场从业者都达成了一个共识，不断提高可再生能源，包括光伏，风能以及生物质能发电等新能源分布式电站的渗透率。利用分布式发电的优势，充分开发利用各种可用的分散存在的能源，提高能源的利用效率，才能真正达到保护环境，节能减排的目的。 　　传统的配电系统被设计成仅具有分配电能到末端用户的功能，设计形式以垂直连接方案为主，其特点是集中发电，分散消耗，不同的电网控制区域之间互联能力有限。未来在中国，分布式能源的渗透率会大幅提高，这是推动电网控制模式从中央控制到分布式多层控制，逐步改变的一个重要因素。随着电力市场的自由化程度不断加大和光伏技术的持续发展，建设大型电站需要面临巨大的经济压力，远不如建设小型分布式光伏电站来得划算。 　　分布式光伏能源在电力供应上的质量保证和其安全性，对于那些强烈依赖化石能源做为电力供应而且电力基础传输设施老化的国家具有很强的吸引力。分布式技术的不断成熟，从1kW到10MW容量的电站同低压电网相连，进入电网为客户提供电力，分布式能源需要被整合进电网而不是简单的连接到电网上。 　　将分布式光伏电站纳入电网规划带来的好处如下： 　　短期效益：减少电力传送和分配所产生的运输损耗，提高用电高峰时间电网的服务质量和持续性，减少温室气体排放。 　　中长期效益：延缓未来电网扩容的投资，减少为满足用电高峰期的负载要求而增加的巨型额外发电设备。分布式光伏电站一般要求部署在电力消耗点，例如城市区域，同时光伏组件也可以成为公众光伏知识普及教育的工具，也可以唤醒公众的环保意识，号召大家接纳和使用清洁能源。 　　分布式能源通常接入中压或低压配电系统，并会对配电系统产生广泛而深远的影响。从技术观点来看，对于分布式光伏电站融合入电网，逆变器是控制两者之间的相互影响的关键。为了让分布式光伏电站与当地电网系统更好的融合，更好的协调分布式光伏电站与配电网之间的相互影响，比如控制能源质量与保证系统与电网的安全，解决这些问题的核心就是光伏逆变器。 　　本文从两个方面进行分析。一、分布式光伏电站对配电网的影响，目前存在的技术障碍；二、配电网对分布式光伏电站的影响。而解决两者相互影响所引发的技术问题的关键是逆变器，通过对互动影响的探讨，勾勒出出未来逆变器技术创新与发展的方向。 　　I. 分布式光伏电站对配电网的影响 　　作者从以下几个方面讨论了分布式光伏电站对配电网的影响，包括电力工业中几个常见问题，电压，电流，功率。以及在解决这些问题上，逆变器是如何发挥作用的。 　　逆变器控制电压波动 　　在传统的配电网系统设计中，电能是最高压的时候输送，低压时消耗。随着分布式能源渗透率的提高，功率流会变的更加复杂，低压配电系统在分布式光伏电站运行的影响下，不良的过压情况可能会出现。 　　配电系统工作人员有义务必须为电网客户保证电能质量。在配电网中由于荷载变化造成电压水平变化是个相对常见的事情，技术规范会给出一个规定值的可接受超出范围。举例说明，在国内，市政低压电网的电压变化在额定值的上下10%变化，通常被认为是可以接受的。通常从分布式光伏电站输入的电能相比于接入点的额定电压，电压会相对国家标准升高2～5%。而且一般说来，电网还有个约定俗成的原则，分布式光伏电站的发电量不能超过低压网的33%，中压网的50%，这样设计的目的也是为了避免电网的电压波动。 　　德国学者Rutschmann的研究表明，当大规模的分布式光伏电站被接入电压控制的配电网线路时，由于反向功率流的存在终端客户的电压会增高。电压升高的值由分布式光伏电站的容量和负载的比例所决定。目前由于国内分布式光伏电站兴建的规模很小，尚无相关电压升高问题的报道。Rutschmann在德国的研究表明这类现象都发生在农村电网地区，其原因是农村用户负载过小，因此安装在城市地区的分布式光伏电站发生此类问题的概率极低。同时由于目前逆变器的设计中，都加入了过压保护的功能，当电压一旦达到上限，逆变器就自动切换为电压控制器，所以也有效的避免了此类事故的发生。 　　一般来说，合理的策略是严格控制客户终端的负载与对应分布式光伏电站功率之间的比值，避免出现较大的不对称。 　　另一方面，因为分布式光伏电站的输出功率受太阳辐射量的影响具有一定的波动性，输出功率的波动性关联会造成配电网线路的电压的波动，尤其是在那些负载较低的线路上。通过对安装有分布式光伏电站的住宅小区配电网进行数值模拟的研究发现，输出功率变化的减缓可以有效降低电压的变化。而控制分布式光伏电站输出功率变化的速率，正是逆变器的功用之一，也就是说，可以通过逆变器的控制设计，来预防分布式光伏电站对配电网造成的电压波动。 　　谐波和间谐波电流 　　一般来说, 理想的交流电应是纯正弦波形，但因生产生活中电网系统的输出阻抗及非线性负载等原因，常常导致电源波形失真。中国电压基础频率是50Hz。将失真的交流非正弦信号经傅立叶转换分析后，可将其电压组成分解为除了基频(50Hz)外，倍频(100Hz, 150Hz，…...)成份的线性组合。其倍频的成份就称为谐波：harmonic。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1） 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics）或间谐波。 　　谐波实际上是一种干扰量，谐波电流会产生大量倍频的电污染，使电网受到“污染”。谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。间谐波的影响和危害等同整数次谐波电压的影响和危害。 　　当许多逆变器在同一个低压电网中运行时，尽管每个单独的逆变器都满足电气设计规范，但是它们同时运行形成的谐波电流可能会产生超过规范规定的谐波电压。尤其是当电网的阻抗和谐振频率发生变化时，多逆变器综合产生的谐波电流危害最容易显现，此时电流控制的电子元件的处理能力会大幅度减弱，而同时大量出现的非正弦波就不能得到充分处理。 　　逆变器对低压电网可能产生谐波电流危害的特点归纳如下： 　　在强网络中，逆变器并不是谐波电流危害的主要来源，主要来源仍然是电网的一些非线性负载。但是在电网的阻抗和谐振频率发生突然改变时，逆变器对电网会造成谐波电流危害。 　　在弱网络中，接入电网逆变器数量的增加会直接加大谐波电流的产生几率。 　　来自逆变器的直流电 　　对于分布式光伏电站，直流电流的监控是非常必要的。直流电对电网设备的影响主要集中在配电变压器，剩余电流装置（RCD），变流器，（有功）电度表，金属结构和电缆，其中最显著的影响被发现在剩余电流装置（RCD）和变流器上，主要表现为谐波失真，损耗，发热和噪音。 　　目前很多逆变器使用变压器，内在地抑制任何直流电的出现。而无变压器的逆变器却具有很大的技术和经济上的优势，例如：更高的效率和更少的重量，占地小，成本低，因而日益受到业界的重视。现代脉宽调制技术使得五变压器的逆变器的输出中可以抑制直流电流的因素。然而，当一个正负极不平衡存在于电网电压波形，这种情况等同于偶数阶谐波。而这种不平衡引发的谐波失真会影响脉宽调制控制的逆变器的运行，尤其是当逆变器与电网零交叉点的电压波形同步时。 　　逆变器产生直流电危害的特点总结如下： 　　应用脉宽调制技术的逆变器可以减少直流电流的出现，而且不需要兼顾协调动态行为和动态效率。 　　单相电流型逆变器也不会产生显著的直流电流分量，即使是当电网电压的偶数阶谐波存在的时候。 　　目前尚无任何研究表明已安装分布式光伏电站的配电网中与直流电相关的干扰是由分布式光伏电站本身引起的。 　　接地故障与漏电电流 　　分布式光伏系统暴露在室外的气象条件下，光伏系统的电流与大地意外连接，导致绝缘失效，这种情况称为接地故障，在整个光伏系统25年的服务期内，这种现象是有一定概率发生的。即使是一个好的设计，接地故障依然会发生，发生的位置最可能是在连接盒、开关或者逆变器等处，发生的原因可能是由于电子元件或者材料的损坏与老化。虽然近年来，专门的技术规范、更好的设计和性能更好的电子元件，这些改进因素在不断提高光伏系统的可靠性，也同时大幅降低接地故障发生的可能性。然而随着建筑光伏一体化（BIPV）设计的大量出现，因为BIPV中大量的导线存在于建筑物中，这大大增加了接地故障发生的可能性。尽管漏电保护器可以为光伏系统及工作人员提供最大的保护，但是这个议题仍然值得继续关注与研究。 　　另一个需要考虑的是电容可能产生漏电电流的影响，这里的电容是指以下几个方面：在光伏系统中直流和交流部分的电容，光伏组件和支架系统的接地电容，逆变器中抗电磁干扰的滤波器电容。当交流电压分量在这些电容中起作用时，有可能使得地线带电。以无变压作用的逆变器为例，当交流电压分量作用于逆变器中滤波器的电容时，电容会产生漏电电流，而漏电电流会流入地线，在正常情况下，地线中是没有电流的。 　　接地故障与漏电电流危害的特点总结如下： 　　光伏系统中的接触电压，尤其是，逆变器的拓扑结构对漏电电流有最大的影响。目前尚未发现漏电电流与气象条件，例如，太阳辐射，湿度，大气压，风速这些条件间有明显的关联。另外大量研究也表明，使用铝边框的组件比无边框组件，当反向接触的时候，漏电电流发生率高出50%，而正向接触则无区别。 　　当一个光伏系统具有多个逆变器的时候，地线电流的势能会造成一个问题区域，如果恰在此时，地线被破坏，就会在问题区域产生危险。 　　电网短路容量 　　配电网的短路故障保护是通过过流继电器和熔断器等保护装置实现的。通常来说分布式光伏电站不会显著增加配电网一侧的短路故障率。 　　原因如下： 　　1.光伏阵列的短路电流属于自限型的，典型的不超过额定最大功率电流的10%～20%。 　　2.逆变器正常安装的是欠压继电器。 　　3.应用在分布式电站中的逆变器大多数是电流控制，当从电网产生干扰时，此类逆变器属于过流限制保护状态。 　　对于高渗透率的配电网，当具有某些特定条件时，短路故障较容易发生。例如：位于具有高阻抗的较长的配电线路的末端，或者当配电线路处于长时间过载的时候都容易发生短路故障。大多数光伏系统不但不能检测到故障的发生，而且还会提供短路电流中的一大部分，同时也阻止了故障检测。有大量研究证明，应用于分布式电源的现代脉宽调制逆变器对于短路故障电流的贡献很小。 　　正确的策略是，在电网，分布式光伏电站与客户三个不同界面分别设置三个不同水平的短路故障保护。 　　非计划性孤岛现象 　　电网中断供电时，各个光伏并网系统仍在运行，并且与本地负载连接处于独立运行状态，这种现象被称为孤岛效应。尽管现在的光伏逆变器普遍采用了预测孤岛现象和切断电路的设计，但仍然无法完全避免在多个逆变器并联的分布式光伏系统中，在多个逆变器相互影响的特殊情况下，出现无法探测到孤岛现象的问题。 　　功率值与荷载容量值 　　分布式光伏电站的功率值由生产电能的经济价值所决定，包括以下几个部分：发电效率；给定的电站位置与负载之间的距离即运输成本；在某些特定时段内的电能产出量（比如峰时）；以及产出的平衡，就是负载与生产电能之间的匹配。 　　传统地，由于太阳能本身内在不可控的因素，光伏尚不能作为电网运行管理体系中，一种稳定的峰时供电来源。但是在夏季热浪袭来之时也是用电高峰浪潮的到来，这意味着电网进入最紧张的时刻，恰恰在温度最高的时候，一般都是太阳辐射最强的时候，分布式光伏电站可以达到它最大输出功率的60～80%。这一点可以用来解决峰时到来时，局部用电的高要求与整个电网的无能力这一矛盾。 　　另一个有趣的概念是“有效负载容量”（effective load-carryingcapacity, ELCC），这一概念反映的是发电机有效满足现有负载的能力。对于分布式光伏电站来说，ELCC代表的是它为电网提供的电能占当时电网负载所需电能（也就是电网的荷载容量值）的百分比。 　　2002～2003年间全美国的荷载数据和基于每小时的辐射量所做的分布式光伏电站的发电量模拟研究结果为：假设前提是分布式光伏电站的渗透率为10～20%，全美国分布式光伏电站的平均ELCC值在35～55%之间。从这个结果可以推导得到一个简单的结论，建设基础电网容量为10～20%的分布式光伏电站，可以解决35～55%的用电问题。 　　美国纽约市2004年的研究表明，在城市中一年最热的时候，城市用电最高峰可以达到每小时19度。发电量模拟研究表明，将纽约市分布式光伏电站渗透率设定为10%，可以使得这个数字下降为每小时4.5度。 　　研究表明，分布式光伏电站渗透率的提高会大大缓解峰时电网局部供电能力不足的问题。 　　研究同时指出：未来的趋势是分布式光伏发电与能源管控相结合，这会使得能源消费变得更为经济，更为理性。举例如下：空调使用可以采用太阳辐射智能控制，光伏智能温控中心会根据当时的太阳辐射量和用电量对空调温度进行实时调控。 　　逆变器为电网管控所增加的附加价值 　　随着分布式光伏电站渗透率的不断提高，应用脉宽调制技术的逆变器会大量被使用，它不但发挥着直流变交流的传统功能，同时还为配电网带来很多的附加利益。 　　减少电压谐波 　　可以有效提高电能的质量。逆变器运行时，相当于一个有源滤波器在工作，可以有效减少电网中的电压谐波。 　　无功功率控制 　　当逆变器与负载相连接，逆变器不但能为负责提供有功功率，同时还能产生或吸收一部分无功功率，因此分布式光伏电站使用的脉宽调整技术的逆变器可以补偿所在配电网无功功率的缺少或超出部分，并对电压调控具有良好的效果。 　　功率因子管控和对称相位控制 　　当电网电压水平达到临界高位，不但可以进行无功功率控制，还可以持续提供有功功率，并且避免输电线路上的电压进一步升高。另外，三相逆变器可以通过自身提供三相不平衡电流帮助电网相位不平衡电压回到平衡位。 　　电网的稳定性和预防运行中的孤岛现象的发生 　　随着分布式光伏电站渗透率的提高，分布式光伏能源可以作为电网失效或运行效率下降时的重要后备能源供应，并可以有效控制运行性孤岛现象的产生。 　　完全开发出逆变器的所有附加价值，就可以对分布式光伏电站能为用户和电网提供所有服务进行一个重新的评估，同时给出一个新的成本与收益模型。这也势必推动分布式光伏电站并网的综合优化设计。