光伏发电接入配电网可靠性研究现状与展望

宋忧乐，王 科，朱永梅，刘 涌，袁秋实

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217；2.上海博英信息科技有限公司，上海 200240）

0 引 言

众所周知，能源转化系统一般是电力系统，通过将各种各样能源转化成电力储存起来，再经过线路运输到用电用户中，从而达到能量供应。然而，电力系统与用户之间是通过配电网进行联系的，配电网正常运行是用户正常用电的基本保障。同时，太阳能光伏发电系统也以其能源高度清洁性、高效性、可持续性等优点被越来越多用户所选择。但需注意，由于天气因素的不确定性，太阳能能源的供应并不是固定不变的，有可能会出现间歇性供能不足等情况。因此，对于光伏发电接入配电网的可靠性研究需要结合全方面资源进行考虑、整合所有相关信息进行计算分析，才能科学合理地对其进行评估。

1 光伏发电接入配电网产生的影响

1.1 影响配电网的运行

光伏发电接入配电网的供能模式中，电网的电压位点主要是由光伏发电产生的电能输送到配电线路中而产生的，因此通过光伏发电方式，其产生的线路电压损耗要比传统供能模式低得多，同时其制造的节点电压伏数更大。此外，在光伏发电接入配电网过程中，倘若光伏发电模式下发电电容总量远大于配电网的额定电容总量，就很有可能导致配电网自身线路发生短路故障，产生安全隐患甚至出现安全事故。如果线路长期易发生短路故障，对常态的配电网规模的要求必定会提高，当原先的配电网规模达不到光伏发电要求时就会产生系统持续性拒动乃至失动的问题。因此，光伏发电在一定程度上不利于配电网的持续运作。当光伏发电机组接入配电网时，配电网将从原来的单电源网络联结结构变成双电源网络结构，在线路运输过程中配合原有电流方向开展潮式对向流动，比传统的配电网供电效率更快，电力交接更加稳定[1]。

光伏发电还有一个重要特点，即时间性。光伏发电是借助太阳光进行能源供应的，因此在白天时接受太阳光的量比较大，发电效率很高，会对配电网的电力负荷造成一定的影响。可以在配电网上安装相应的时间调控负荷机组，以期在白天完全地利用好所吸收的太阳能，而在晚上也不会因为能源高峰骤降效应产生供电不足、电力过低等问题，从而影响用户的正常生活。

1.2 影响配电网的自身运营

配电网主要功能是将自身从光伏发电机组获得的电力高效率地运输到用户位置，所以整个配电网的线路规模与运行路线都需要细致的规划与研究，以求高度适应的光伏发电机组的电波潮流，从而保证用户用电的安全性与可靠性。光伏发电机组由于其特殊发电机制，在接入配电网时有时会与电网中电流方向产生偏差，导致供电效率过低，电机设备使用率大大减小，从而影响到整个配电网正常运营。

2 光伏发电接入配电网可靠性研究现状

2.1 光伏发电可靠性模型研究

随着时代变迁、科技发展，如今国内外对光伏发电功能模式的研究发展如火如荼，同时还建立了一些相关的模型以供参考研究，有利于更好地理解分析光伏发电。最常见的是数学方法整合物理基础模型进行分析研究，一般采用具备物理数据统计模式+组合算法的模型进行研究。太阳能能源的供应与气候因素有着莫大联系，在光伏发电的具体位置，可以搜集当地往年的历史气候材料，整理探索出当地太阳光辐射率与时间的具体关系，从而推导出当地当年的太阳光能年候时辰函数方程式。借助该公式整合地势样貌建立一个最终的光伏发电负荷效率模型，再通过往年光波辐射率计算出光伏发电辐射波序列，两者相结合运算，可以在一定程度上对计算误差、物理偏差产生数值补偿。但是这种计算方式没有考虑到设备的损耗以及季节性太阳光偏移率，因此在原先的光伏发电效率模型基础上还要对设备损耗建立一个损耗率预估值，而季节性太阳光偏移率只能通过地区的历史年度季节性太阳光偏移量叠加运算得到一个精确值，最终整合四者数据才能建立一个完整的光伏发电可靠性模型[2]。

研究者们还建立了光伏负荷出力模型，光伏发电的发电持续性较差，往往被一些能源研究者视为不可控或者不可靠的能源类型，但是持续性较差也正是其规律性的体现，太阳光偏移程度随着年份与时间的变化而改变。在这个过程中，光伏产生的电力付出与负荷的关系呈正相关联系，与太阳光偏移角度呈一定的负相关联系，而且光伏发电吸收的电能并不完全储存起来，很大一部分以热能形式散失，因此光伏电力付出的波动是在一定水平线呈波动形态。关于这一波动目前有学者进行了相应规律研究，已经整合出一个初具雏形的光伏负荷出力模型，然而要投入使用还需要一定时日的研究与实践。

2.2 储能技术的应用

光伏发电能够有效地提高配电网供电效率，特点是不确定性过大、受气候时间影响大、波动程度高、在持续性能量供给方面持续性弱。当大规模采用光伏发电机组时，由于供电的断续性势必会对用户造成不良影响。因此，为了保障用户正常用电生活，必须在光伏发电供能模式中采用最新型储能技术。目前，国际上新型储能设备的供储电功能非常强大，供给与储存功能的转化速率快，转换效果好，能够较好地储存光伏发电最高发电效率下大幅度的增长电压，并且能在夜间或恶劣天气的低供情况下进行电压补充，起到一定的平衡电力与功率稳定作用。国际能源转化协会的2018年度报告显示，相关研究人员在光伏发电模式中建立了高新储能技术应用模型，模拟演示长达3年的结果表示光伏发电在高新储能技术应用下其供能效率更高、更稳定。更有一些研究者开始考虑将光伏发电技术应用于轮船航海过程，经过储能技术强化后的光伏发电机组供能更稳定，在航海过程中即使遭遇恶劣天气也能够正常作为能源系统运行，而且光伏发电机组具备质量轻、发电速率高等优点，在未来的轮船航海过程中势必能发挥其相应价值。

2.3 无功补偿装置的应用

目前，由于现代化进程加快，现代配电网的供电网络结构在应用了新型电子技术后复杂程度与日俱增，而光伏发电本身所具备的波动性与间歇性导致其供能效率在对向电力潮流与电网组抗共同影响下可控性大大减弱，甚至会产生功率损失问题。在这个层面上，光伏发电无功补偿装置发挥了其重要作用，国际上要求光伏发电无功补偿要综合考虑光伏发电机组的总输出水平以及系统接入后正常运行状况下定态、动态流程的电能损失质量，保证配置充足的电能补充，以确保配电网正常运行。早期无功补偿装置大部分采用FC+MCR，优点是成本低，设备修理维护工序简单易行，缺点是运行效率慢；后来人们采用升压SVG无功补偿，该装置反应快，安全稳定，但成本较前者高，而且对于大幅度的功率补偿表现效果一般；现阶段绝大部分光伏发电站都采用35 kV直挂式SVG无功补偿，该装置能提供的补偿容量较大，能满足绝大多数补偿要求，然而其器件连接复杂，维修护理工序繁多，且成本不低。例如，江西某光伏发电站，其光伏电站为6 MWP+10 kV，电力公司用户要求光伏结网络配置需要达到最小容量为450 kVar的无功补偿容量，经过该发电站的方案计算，为该项目采用35 kV直挂式SVG进行无功补偿，利用固定升压变压器与降压转换器接入对方要求的10 kV电网系统。

2.4 动态孤岛与负荷划分原则的共同应用

动态孤岛系统是一种新型划分方式，主要应在分布式电源技术配电网的元件上。在正常光伏发电配电网运行过程中，动态孤岛不进行干预，当光伏发电产生供能波动影响配电网分布式电源时，容易造成系统短路或者支路电网断路，此时动态孤岛控制其所对接的开关元件自主断开故障的支路电网，形成电路孤岛，以提供故障重修时间，保证维修工作的安全运行，同时保证其他支路电网不受故障孤岛电网影响。现阶段，孤岛系统已经开发到具备动态化开关功能，在电网维修阶段，每隔一定时间段动态孤岛系统便会模拟功率补偿，维修人员也可以借助模孤岛系统的模拟功率补偿数据检查维修成果。但实际操作中，支路电网故障往往不是单一元件损坏，甚至可能是多个元件同时损坏导致的断电结果。因此，需要负荷划分原则对此次断电进行程度评估，主要分为四类，第一类是断路孤岛电网重启后正常运行的元件；第二类是断路孤岛电网重启后不能正常运行的元件；第三类是受本次孤岛断路故障影响的元件；第四类是处于孤岛供电范围外故障的元件。

2.5 光伏发电接入配电网可靠性研究评估方式

目前，对光伏发电接入配电网可靠性研究的评估方式主要是基础逻辑分析法。该方法结合目前国际上共同认可光伏发电物理模型对光伏发电接入配电网可靠性研究成果进行对比分析，从中攫取成果显著、构思新颖的理念，并且运用基础分析法对研究者的报告进行物理数据可靠性审验。目前，国际上大部分研究者采用蒙特·卡洛法进行可靠性研究评估。该评估法在可靠性研究上能够清晰直观地验证其逻辑分析的条理性与真实度，能够更加科学合理地检验出研究过程中的逻辑谬误据点。然而仅仅只采用一种评估方式是不够的，还需要整合个别研究所参考的研究思路，结合历史资料，分析其可行性，并在演示模型中进行长时段的仿真模拟演练，根据演练数据评估研究可靠性。

3 光伏发电接入配电网可靠性评估

以目前科学技术，大数量、大规模地将光伏发电机组接入传统配电网中，对配电网整体负荷额度与网络结构势必是一种难度较高的考验。然而，结合国际与国内相关研究发现，借助光伏发电限制器与无功补偿装置能够很好地在高负荷与低供能之间进行良好平衡，同时采用新型储能设备也能保证能源地高效率回收，减少能源无关损耗，保证光伏发电机组的供能高效性。此外，还可以通过数学方法结合物理模型建立光伏发电可靠性研究模型，对实地实时物理数据值统计归纳。国际能源转换协会2018年年度会议的报告总结中提及，光伏发电将在清洁能源应用上有着巨大前景，在未来的新能源应用中必定占有重要的位置[3]。

4 结 论

光伏发电结合配电网的供能模式提高了电网供能效率。只要采用科学合理的研究理念，积极开发新型配套设置，不断提高光伏发电供能模式的可靠性，结合模拟演示结果改进研发方向，必定能提升光伏发电供能模式的供给功率，保证其安全性与稳定性，进一步推动社会电力事业发展。