中國儲能網(wǎng)訊：光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究介紹了目前光伏建筑一體化并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并探討了分布式電源接入對配電網(wǎng)短路電流的影響、防孤島保護及反孤島策略、電能質(zhì)量，以及并網(wǎng)逆變器對輸出有功和無功功率的影響；從技術(shù)角度綜述了高滲透率分布式光伏系統(tǒng)可能的研究方向，同時介紹了一種典型的高滲透率分布式光伏系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)。
一、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.1短路電流對配電網(wǎng)的影響
傳統(tǒng)的配電網(wǎng)都是以煤電和水電為主，光伏、風能等清潔能源所占的容量很小。在接入光伏能源時，需要由光伏能源向短路節(jié)點提供一個短路電流，由此便會影響整個傳輸網(wǎng)絡(luò)的故障定位，但通常配電側(cè)的短路故障并不會引起整個傳輸網(wǎng)絡(luò)短路電流發(fā)生較大的變化。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)可知，短路瞬間的電流峰值跟光伏逆變器自身的儲能元件和輸出控制性能有關(guān)。文獻[4] 對分布式能源對配電網(wǎng)短路電流的影響情況進行了介紹。此外，分布式能源向短路節(jié)點提供的短路電流峰值是固定的，一般要求不能高于公共節(jié)點允許的短路電流[5]。
在電力系統(tǒng)中，熔斷保護一般采用保險管來防止因過流而引起的線路中的設(shè)備損壞。結(jié)合分布式光伏電源的特性可知，饋線短路故障發(fā)生時，會出現(xiàn)由于光伏電源提供絕大部分短路電流而導(dǎo)致饋電線路無法檢測出短路故障的情況。在文獻[6] 中，劉健等借助仿真軟件對配電網(wǎng)系統(tǒng)中常見的相間短路故障進行了模擬和分析，并得出結(jié)論：當光伏電源發(fā)生故障時的短路電流一般不會高于其正常工作值的1.5 倍，并且在逆變器回路中應(yīng)當單獨設(shè)置熔斷保護措施。
1.2防孤島保護及反孤島策略
2002 年，IEA-PVPS-Task-5 結(jié)合故障樹理論，指出光伏能源存在非正常孤島現(xiàn)象，并介紹了當分布式光伏能源滲透率超過最低負荷工作時間段的6 倍以上時，光伏能源的非正常孤島并不會引起觸電事故，觸電事故的概率小于10-9 次/ 年。結(jié)合上述結(jié)論，在管理工作到位和逆變器具有孤島功能的條件下，光伏電源的計入并不會給配電網(wǎng)帶來安全風險。有荷蘭學者曾經(jīng)對當?shù)鼐哂泄夥娫吹呐潆娋W(wǎng)的孤島情況進行了分析和計算，指出光伏電源發(fā)生孤島的可能性是10-6～10-5 次/年。通過上述分析可知，住宅區(qū)接入光伏電源引發(fā)非正常孤島現(xiàn)象的概率幾乎為零。
在文獻[7] 中，歐盟Dispower 項目研究了德國使用的帶監(jiān)測電網(wǎng)阻抗變化的反孤島策略，并對帶頻率監(jiān)測的光伏逆變器和電網(wǎng)電壓進行了測試。結(jié)果表明，若電網(wǎng)處于低阻抗運行狀態(tài)時，逆變器的工作狀態(tài)較為穩(wěn)定；若電網(wǎng)處于高阻抗運行狀態(tài)時，光伏逆變器檢測阻抗的精度變差。從目前情況來看，對光伏電源反孤島策略的標準并不統(tǒng)一，因此還未制定出完善的解決措施。
當前，世界范圍內(nèi)對孤島檢測方法主要包括：被動檢測(Passive Method)、主動檢測(Active Method)及基于通信的聯(lián)鎖跳閘(Inter-tripping)。其中，前2 種檢測方法都是在本地局部信息的基礎(chǔ)上完成，其安裝位置一般布置在分布式光伏電源的輸出端[8]。
1.3發(fā)電系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)控制技術(shù)
儲能系統(tǒng)作為光伏發(fā)電系統(tǒng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，其地位的重要性不言而喻。作為配電網(wǎng)調(diào)峰的主要系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有調(diào)度功能，對配地網(wǎng)的負荷控制、頻率調(diào)整具有重要意義。雙向逆變器作為儲能系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)相耦合的核心器件，其性能決定了儲能系統(tǒng)能否實時準確地存儲或補償系統(tǒng)的有功或無功。
由于受外界因素的影響，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率并不穩(wěn)定，因此在文獻[9] 中，王中秋等提出了采用蓄電池作為儲能裝置的解決方案，思路是：將儲能控制主電路布置在母線上，通過檢測母線電壓大小來對蓄電池進行充電或放電，維持電源側(cè)和負荷側(cè)的平衡，防止供電頻率發(fā)生波動。此外，文獻[10] 中程志江等提出了將超級電容和蓄電池相結(jié)合的解決方案，其思路是：低頻功率由蓄電池負責控制，高頻功率則由超級電容控制，雙管齊下，避免負載變化引起直流母線電壓的波動。
1.4電能質(zhì)量
為了保障電網(wǎng)的運行安全與穩(wěn)定性，世界各國對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量提出了較高的要求，并以此來對其并網(wǎng)標準進行規(guī)范。現(xiàn)行比較典型的標準主要有IEEE Std 929-2000、IEEE Std1547-2003 等，上述標準主要是從光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)、電流諧波等方面進行了規(guī)定[4]。我國在GB/T l2325-2008《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》中對不同電壓等級的無功補償原則進行了規(guī)定，無功應(yīng)盡量做到就地補償，盡可能降低配電網(wǎng)的無功潮流。電壓等級在10 kV 以下的線路允許在公用變壓器上設(shè)置用于無功補償?shù)碾娙萁M，以保證線路處于最大負荷時的補償需求，同時也可避免負荷較低時發(fā)生無功功率倒送現(xiàn)象[11]。
美國電科院(Electric Power Research Institute ，EPRI) 的Hingorai 博士[12] 早在1988 年就提出了用戶電力技術(shù)的配電系統(tǒng)概念，其中心思想是應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和控制技術(shù)，實現(xiàn)對配電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量和供電可靠性的控制。我國對諧波電流總畸變率的問題也進行了研究，其中浙江省電科院分別對220 V、400 V、10 kV 的接入系統(tǒng)進行了測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)都存在畸變率過大的現(xiàn)象。從理論上來看，光伏能源容量的增大會在一定程度上提高電網(wǎng)的諧波電流，因此，國際上很多學者提出將光伏發(fā)電和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)一起作為控制對象進行研究，并探索出兩者之間的關(guān)系[13]。
1.5并網(wǎng)逆變對輸出的影響
就理論而言，光伏發(fā)電系統(tǒng)的無功和有功可以通過逆變器來控制，并以此來對功率因數(shù)進行調(diào)整，進一步達到穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的目的。目前，很多學者都對光伏發(fā)電的無功控制進行了研究：在文獻[14] 中，趙爭鳴等分析了電網(wǎng)功率和光伏電源之間的傳遞關(guān)系模型；在文獻[15] 中，Komatsu 建立了電網(wǎng)矢量電壓同步旋轉(zhuǎn)坐標系，并利用d-q 軸電流實現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)到配電網(wǎng)的有功和無功解耦控制模型；在文獻[16] 中，Wang 等在瞬時無功理論的指導(dǎo)下，提出了利用負荷指令來對電網(wǎng)無功和有功進行補償?shù)目刂撇呗裕辉谖墨I[17] 中，吳理博等將直流母線電壓控制、配電網(wǎng)無功控制、最大功率點跟蹤等結(jié)合起來，提出了功率因數(shù)的超前滯后控制方案，并在經(jīng)過多次試驗后發(fā)現(xiàn)，該方案不僅可以補償無功，同時也可以有效減小電網(wǎng)的電流諧波。
光伏發(fā)電系統(tǒng)檢測到直流母排電壓突然增大時，根據(jù)光伏系統(tǒng)特性就可以判斷其輸出功率降低，這樣有利于實現(xiàn)低電壓穿越。在文獻[18] 中，Gustavo 等搭建了光伏并網(wǎng)發(fā)電試驗平臺，并結(jié)合瞬時有功理論對有功上限值和參考電流進行設(shè)置，采用比例- 諧振的控制方案對系統(tǒng)發(fā)生相位故障和接地故障時的情況進行了仿真，揭示了低電壓穿越現(xiàn)象。文獻[19] 針對一個l0 MVA 的靜止同步補償器，未采用額外裝置，僅使用減小輸出容量、改變直流母排參考電壓的方式，實現(xiàn)了低電壓穿越，證明了大容量并網(wǎng)逆變裝置實現(xiàn)低電壓穿越的可行性。
1.6能源對配電網(wǎng)絡(luò)的影響
隨著能源結(jié)構(gòu)的不斷變化，光伏能源所占的比例會不斷增加，這也會引起配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。因此，電網(wǎng)應(yīng)當從設(shè)計和規(guī)劃入手，從根源上處理好電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
從用戶角度看，低電壓配電網(wǎng)絡(luò)會是未來發(fā)展的主力，因此對配電網(wǎng)進行升級和改造具有重要意義。為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)電流的雙向流動，可以適當對配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進行必要的調(diào)整。此外，當大容量的分布式光伏能源接入到配電網(wǎng)系統(tǒng)后，可以適當增強用戶端的調(diào)節(jié)能力，鼓勵其積極參與到電力能源的管理當中，這樣一來，原有的配電網(wǎng)模型就需要重建。從上述分析可知，配電網(wǎng)一方面要面臨電力市場的自由化，同時還要盡可能利用國家對光伏能源的補貼政策來獲得更多的經(jīng)濟效益。隨著電網(wǎng)技術(shù)的不斷進步，一些學者研究并提出了模擬電站[20]，并將它應(yīng)用在分布式光伏能源的管理上，把隨機性較強的分布式光伏能源和儲能裝置結(jié)合在一起，作為模擬電站并入到目前的電力生產(chǎn)和輸送系統(tǒng)中。
二、未來的研究方向
1 ) 集群控制策略。該策略的做法是將多個逆變器進行并聯(lián)，然后根據(jù)系統(tǒng)的整體運行情況來投切對應(yīng)的變壓器和逆變器，進而應(yīng)對光照因素對分布式光伏能源輸出功率的影響；同時通過逆變器的輪流工作使整個系統(tǒng)不受單臺逆變器維修或故障的影響，并能使系統(tǒng)各部分的工作達到最優(yōu)。
2) 諧波檢測的實時性、準確性及諧波環(huán)流的治理。諧波檢測的實時性和準確性會直接影響諧波補償電流的大小，如果實時性和準確性達不到要求，不但不能有效補償諧波，還有可能放大諧波。此外，多個逆變器并聯(lián)運行會產(chǎn)生較大的諧波環(huán)流，這也是傳統(tǒng)逆變器無法克服的，因此，要想保證諧波補償電流監(jiān)測的準確性，必須對諧波環(huán)流進一步研究和分析，消除其對配電網(wǎng)的影響。
3) 大容量能量轉(zhuǎn)換的多機并聯(lián)協(xié)作。為了實現(xiàn)大容量能量轉(zhuǎn)換，各種多機并聯(lián)協(xié)作的方案也處在論證和競爭中，有無變壓器隔離、共用變壓器方案的實現(xiàn)，以及多電平、多重化和功率器件的串并聯(lián)都是大容量光伏產(chǎn)品的核心問題。
4 ) 減小或消除孤島檢測時對配電網(wǎng)電壓的影響。在對光伏系統(tǒng)功率、電壓和電流等參數(shù)檢測時，擾動不同步會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響；即使保證了擾動同步，也會因為光伏系統(tǒng)并網(wǎng)輸出功率的快速變化而引起配電網(wǎng)電壓、負荷和電流值的不穩(wěn)定，因此，怎樣在主動孤島檢測時消除對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響成為亟待解決的難題。
5 ) 智能化能量管理系統(tǒng)。智能化能量管理系統(tǒng)的主要目標是實現(xiàn)能源兩側(cè)的供需平衡，維護配電網(wǎng)的供電電壓、頻率穩(wěn)定在合理的區(qū)間內(nèi)，并結(jié)合用戶側(cè)所需負荷的變化量來對供給側(cè)進行自適應(yīng)控制和調(diào)節(jié)。此外，該系統(tǒng)中還加入了儲能單元、供電優(yōu)化單元、經(jīng)濟效益分析單元等，這也是未來智能電網(wǎng)發(fā)展的必然方向。
6) 逆變模塊與建筑光伏模塊的協(xié)調(diào)控制策略。當多個建筑光伏模塊在直流母線上并聯(lián)集中逆變輸出時，由于模塊的特性及容量等存在差異，需要對集中逆變模塊中協(xié)調(diào)控制器的性能及系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行研究。
三、高滲透率分布式光伏系統(tǒng)
能量滲透率(Energy Penetration，EP) 定義為：在系統(tǒng)總負荷中分布式光伏能源所占的比例。圖1 為高滲透率分布式光伏系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，其中，MGCC(Micro-grid control center) 為微電網(wǎng)控制中心；FU 為本地控制單元；FACTS 為柔性交流輸電系統(tǒng)。
1) 并網(wǎng)的穩(wěn)定控制。圖1 中，儲能裝置和光伏陣列構(gòu)成了功率可調(diào)節(jié)的光伏儲能系統(tǒng)，通過雙向變流器控制該系統(tǒng)的有功功率，維持系統(tǒng)的功率平衡，實現(xiàn)并網(wǎng)的穩(wěn)定。
2) 電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。電能質(zhì)量調(diào)節(jié)分為諧波治理和無功補償2 個方面，其中全局的無功補償由FACTS 實現(xiàn)，本地無功補償在DC/AC 逆變器環(huán)節(jié)實現(xiàn)。
3) 系統(tǒng)的安全保護。孤島保護和繼電保護都是用于保護系統(tǒng)安全，其中，繼電保護采用系統(tǒng)級和單元級的分級保護方式，孤島保護分為集中式孤島保護和分散式孤島保護。
4) 能量管理。在整個供電系統(tǒng)中，能量管理涉及系統(tǒng)內(nèi)部所有的環(huán)節(jié)，屬于一個多輸入、多輸出的多變量控制系統(tǒng)。該拓撲結(jié)構(gòu)以一個全局能量管理和多個單元能量管理的“1+N”管理模式呈現(xiàn)，由MGCC 中心依托通信網(wǎng)絡(luò)和中央測控系統(tǒng)實現(xiàn)全局的能量管理，即能量管理系統(tǒng)的“1”；FU 和分散計量系統(tǒng)及各個所控單元實現(xiàn)分散的能量管理，即能量管理系統(tǒng)的“N”。該拓撲結(jié)構(gòu)有較強的可擴展性。能量管理系統(tǒng)拓撲如圖2 所示。
按照系統(tǒng)中不同模塊的置和功能劃分，能量管理系統(tǒng)包括：中央測控系統(tǒng)、監(jiān)控和通信網(wǎng)絡(luò)、分散計量測控系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的分散計量測控系統(tǒng)是利用計算機技術(shù)對光伏發(fā)電系統(tǒng)中的各單元分別進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種控制技術(shù)；中央測控系統(tǒng)將從各分散計量系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理和調(diào)度，以使整個系統(tǒng)達到最優(yōu)；監(jiān)控和通信網(wǎng)絡(luò)負責MGCC 與各子單元間的通信連接。
四、總結(jié)
大型地面光伏電站的建設(shè)浪潮過后，各光伏企業(yè)的目光都瞄準了光伏建筑一體化市場，從2015 年底開始，國內(nèi)分布式光伏的裝機容量和占比迅速增加，而大量分布式光伏建筑一體化的滲透，勢必對配電網(wǎng)造成很大的沖擊和影響，且該問題會越來越嚴重。早在2010 年，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863 計劃) 就將高密度、多接入點的建筑光伏列為重點研究課題，并制定了國家的2020 年中長期發(fā)展規(guī)劃。本文分析了目前國內(nèi)外對光伏建筑一體化的研究現(xiàn)狀及可能的研究方向，并給出了一種典型的高滲透率分布式光伏系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，供相關(guān)人員參考。
協(xié)鑫集團設(shè)計研究總院
■ 焦曉雷* 吳洪寬 潘高楓 蘇保剛
來源《太陽能》雜志社2018 年 第 4 期( 總第288 期)
