浅析整县屋顶分布式光伏开发对电网的影响

浅析整县屋顶分布式光伏开发对电网的影响摘要：本文主要对整县屋顶分布式光伏的开发影响电网运行情况进行研究，以相应提出合理可行的解决措施及工作建议。全文分析了分布式光伏发电特性及其对电网运行、继电保护、配网网架、电能质量等方面的影响。关键词：分布式光伏，发电特性1研究背景实现碳中和的关键，关键在于使占85%碳排放的化石能源实现向清洁能源的转变。电力领域，碳排放占全国碳排放总量30%以上，基于中国多煤、贫油、少气的能源禀赋，电力供给目前的发电结构以火电燃烧煤炭为主，发电量占比高达72%。预计火电在2020到2030年达峰阶段以前仍有一定规模的增长，但在达峰之后，将逐年退出电力市场，直至2060年碳中和时存量火电装机清零。由于水电和核电发展空间有限，光伏与风电将成为未来最重要的发电方式。根据国家能源局《关于报送整县（市）推进户用和屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》，结合某地区的可开发光伏的屋顶资源和电力消纳能力等情况，通过分析分布式光伏发电特性，研究其对某地区电网运行、继电保护、配网网架、电能质量的影响，提出相应的解决措施及工作建议。2分布式光伏发电特性研究光伏发电(photovoltaic，PV)的功率具有明显的随机性及波动性。根据相关文献资料，光照强度对光伏输出特性影响较大，光伏出力特性与光照强度直接相关，不同季节、地区的光照强度差异很大，因而光伏的出力表现出明显的季节周期性和地区相关性。光伏出力和太阳辐照度有很强的正相关性，而不同天气类型下的辐照度差异大，所呈现的波动规律也不相同，其中在夏天雷雨或多云等天气，太阳辐照度波动一般较大，从而导致光伏出力波动明显，表现出很强的随机特性，给配电网电压质量、运行调控等带来不利的影响。以某光伏电站为例，晴朗天气光伏电站出力形状类似正弦半波，非常光滑，出力时间集中在6点到19点之间，中午达到最大；多云、阴雨天天气由于受到云层遮挡,辐照度数据变化大,导致光伏电站出力短时间波动大,总体出力水平也不如晴天。当太阳光强迅速变化时,输出功率也会在较大的范围内快速波动，小时级出力波动达到装机容量50%。因此，从日出力特性来看，光伏发电出力呈现较强的波动性、显著的时段性。光伏出力随光照强度、天气、季节、温度等自然因素而变化，具有随机波动性；光伏出力多集中在白天，尤其是午间时段，而夜晚出力为零，呈现显著的时段性，无法持续稳定地供给电力。图5-2某光伏电站日出力曲线（2021年9月13日晴天）图5-3某光伏电站日出力曲线（2021年7月22日多云~晴天）图5-4某光伏电站日出力曲线（2021年1月1日晴天）图5-5某光伏电站日出力曲线（2021年7月7日多云）图5-6某光伏电站日出力曲线（2021年7月6日阴~小雨）图5-7某光伏电站日出力曲线（2021年7月2日阴天）结合日出力特性，从月度、年度出力特性来看，南方的光伏电站出力呈现明显的季节特性，夏、秋季发电较多；全年大部分时段出力小于其装机容量的50%。受光照强度和温度的影响，光伏发电在夏季、秋季发电较多，春季、冬季出力较小，同时由于冬季日照时间较短，冬季出力约为夏季出力的6成，年最大出力利用小时数约1100小时。3某地区电网负荷特性研究对于以普通工业和居民用电负荷为主的电网来说，光伏发电出力和日间负荷匹配度较高，具有正调峰特性，但由于晚上难以发电，难以有效匹配晚高峰。从日出力特性匹配来看，光伏发电出力高峰主要在中午期间，能够和居民负荷的日间高峰匹配，具有正调峰特性，但是由于居民负荷的全日峰值负荷通常在晚上，此时光伏发电无法发电，难以起到降低容量需求的作用。从某地区电网来看，光伏发电出力最高月份是夏季7-9月，和夏季负荷高峰在月度上是匹配的，并且基本能够和居民负荷的日间高峰（13-14时）匹配。但由于某地区大工业用电负荷占比较大，高峰负荷主要出现在0点至8点（谷期电价较低），而这个时间段光伏出力几乎为0，负荷曲线与光伏出力曲线不匹配，因此无法起到降低某地区电网峰值出力的作用。图5-15某地区电网日负荷曲线（2021年9月13日~15日）4分布式光伏开发对电网的影响4.1对线路潮流的影响未接入光伏并网发电系统的时候,电网支路潮流一般是单向流动的,并且对于配电网来说随着距变电站的距离增加有功潮流单调减少。然而,当光伏电源接入电网后,从根本上改变了系统潮流的模式且潮流变得无法预测。这种潮流的改变使得电压调整很难维持,甚至导致配电网的电压调整设备出现异常响。4.2对系统保护的影响当光照良好,光伏并网电站输出功率较大时,短路电流将会增大,可能会导致过流保护配合失误,而且过大的短路电流还会影响熔断器的正常工作。此外,对于配电网来说未接入光伏发电系统之前支路潮流一般是单向的,其保护不具有方向性,而接入光伏发电系统以后该配电网变成了多源网络,网络潮流的流向具有不确定性。因此,必须要求增设具有方向性的保护装置。4.3对电网经济性运行的影响由于光伏电源的自身输出不稳定性,当光伏发电系统并网运行后,系统必须增加相应容量的旋转备用,以保证系统的调峰、调频能力,也就是说,光伏并网发电系统向电网供电,降低了机组利用小时数,牺牲了电网的经济性运行。4.4对电能质量的影响受云层遮挡的影响,光伏电源的发出功率可能在短时间内从100%降到30%以下,或由30%以下增至100%,对于大型光伏并网系统来说,会引起电压的波动与闪变或频率波动。此外,由于光伏发电系统所发出的电能为直流电,必须经过逆变装置接入电网,这一过程必将产生谐波,对电网造成影响。4.5对配网可靠性的影响配网中的故障大多为瞬时性故障，所以为了提高供电可靠性，缩短故障恢复时间，保护装置大多配有自动重合闹功能。当分布式光伏接入配网后，配网由单电源供电变为双侧电源供电，势必会对原有的自动重合闹造成影响，需要考虑故障点两侧保护的时间配合问题和检同期问题。配网故障时，故障点两侧保护的动作间隔太长，短路点的去游离时间不足，电弧没有完全熄灭，或者没有将故障线路有效隔离，仍向故障点提供短路电流，重合闸时都会对系统造成更大的冲击，不仅重合闹失败，更重要的是会损坏断路器等设备，造成故障范围的扩大。配网故障后，故障线路被有效隔离，分布式光伏和负荷将形成一个孤岛系统，与大电网不再保持同步。若仅以检无压重合，且大电网与孤岛系统的相角差较大，重合时产生的冲击电流会使断路器再次跳开，重合闹失败，所以此时的重合闸必须考虑同步问题，避免非同期重合间。5应对措施及工作建议5.1推进光伏能源储能技术的应用能源存储将成为未来光伏系统一个越来越重要的功能。光伏并网储能逆变器可应用于集中式和分布式光伏发电站。储能电站的功能,可以克服光伏组件受天气变化发电不稳定的缺点,为电网提供稳定的和谐波含量非常少的纯净电流,提高了电网的品质;通过削峰填谷，大幅削减电网峰谷差,提高了电网的利用率。5.2优化继电保护配置分布式光伏接入线路系统侧和电源侧都应配置故障解列装置。故障解列装置含过电压及低电压保护、过频率及低频率保护等，故障解列装置动作于联跳分布式电源并网线路断路器，条件具备时，宜联跳分布式电源并网点断路器；T接接入的分布式电源线路，重合闸应考虑与分布式电源侧故障解列、防孤岛保护的配合。重合闸方式宜采用检同期、检无压方式，无线路PT时可能引起非同期合闸的，宜停用线路重合闸。5.3有序推进整县光伏建设一是电网企业要开展现状供电设施和消纳能力评估，配合政府能源规划部门合理选择优先开发地点和安排项目推进时序，确保不出现由于上级供电设施受限导致影响开发项目推进的情况。二是对具有一定规模的连片开发项目应统一推进，合理配置一定规模的储能设备进行削峰填谷，并从尽量避免影响现状电网供电质量角度统筹区域需求优化接网方案，提升推进效率，提高规范管理水平。参考文献：王岩.光伏发电系统