化石能源逐漸枯竭，新能源革命興起，新型可再生能源以其清潔環(huán)保的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)備受青睞。其中，太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能滲透率的逐步提高將極大緩解環(huán)境壓力，光伏、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展最為迅猛。與此同時(shí)，極大促進(jìn)了新型設(shè)備制造業(yè)迅速崛起。由于分布式電源具有間歇性和不確定性，且受環(huán)境光照變化影響較大，這增加了分布式電源的并網(wǎng)及控制難度。

安康地區(qū)多山地丘陵，地理?xiàng)l件得天獨(dú)厚，日照采光充盈，本文以安康電網(wǎng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)探討分布式電源光伏并網(wǎng)存在的系列問(wèn)題和光伏并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。清潔能源有效并網(wǎng)可對(duì)大電網(wǎng)進(jìn)行有效補(bǔ)充，優(yōu)化能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)，加快能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)步伐。

1 安康電網(wǎng)簡(jiǎn)介

安康電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是以330kV為依托，以110kV為骨干網(wǎng)架，向東、西北雙回并列，向西南三回并列，向南單回線輻射型供電。主要擔(dān)負(fù)安康市九縣一區(qū)及襄渝、陽(yáng)安、西康三條電氣化鐵路供電使命，與此同時(shí)，安康電網(wǎng)并向鄂西北十堰市西北區(qū)域持續(xù)供電。

安康330kV電網(wǎng)由金柞Ⅰ、Ⅱ線、金安Ⅰ、Ⅱ線、金香Ⅰ、Ⅱ線、香鶴線、安—喜—洋線及金州變、香溪變、安康水電廠構(gòu)成。通過(guò)330kV金柞雙回及安—喜—洋、香鶴線與陜西主電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。

正常運(yùn)行情況下，安康電網(wǎng)主要可分為金州變、香溪變、安康水電廠、石泉水電廠四個(gè)供電區(qū)域，其間為開(kāi)環(huán)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。

截至2018年尾，安康電網(wǎng)已建110kV變電站56座，容量為3113MV?A，其中由安康供電公司運(yùn)管39座，鐵路牽引變14座，陜西省地方電力公司下屬各電力公司及用戶(hù)變17座；35kV變電站81座，容量817.65MV?A，其中由安康供電公司運(yùn)管23座，陜西省地方電力公司下屬各電力公司及用戶(hù)運(yùn)管58座。已投運(yùn)的330kV輸電線路共計(jì)9條612km；110kV在運(yùn)線路共計(jì)100條1930.559km，35kV輸電線路共計(jì)154條2108.992km。其中由安康供電公司維護(hù)35kV及以上輸電線路共計(jì)135條2893km。安康電網(wǎng)基本情況見(jiàn)表1。

表1 安康電網(wǎng)基本情況

為響應(yīng)國(guó)家“十三五”戰(zhàn)略規(guī)劃部署，實(shí)現(xiàn)電力清潔替代，大力發(fā)展清潔能源，實(shí)現(xiàn)低碳綠色環(huán)保共享新理念，安康公司因地制宜大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，不斷提升清潔能源消納能力，助力精準(zhǔn)扶貧，打贏電力革命攻堅(jiān)戰(zhàn)。安康地區(qū)光伏電站建設(shè)基本情況見(jiàn)表2。

表2 安康地區(qū)光伏電站建設(shè)基本情況

由表2可知，安康地區(qū)在建光伏電站3站，已投運(yùn)光伏電站9座，廢止光伏電站15座，由于地理?xiàng)l件限制，光伏上網(wǎng)率較低，僅為33.33%。光伏發(fā)電利用率偏低，形勢(shì)依然嚴(yán)峻，光伏并網(wǎng)過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題仍亟待解決。

?2 安康地區(qū)分布式電源并網(wǎng)存在問(wèn)題

可再生能源迅猛發(fā)展，促使微電網(wǎng)孕育而生。微電網(wǎng)作為有效消納清潔能源的重要電網(wǎng)形式，在新能源并網(wǎng)過(guò)程中發(fā)揮著不可或缺的作用。分布式電源并網(wǎng)示意圖如圖1所示，光伏、蓄電池通過(guò)DC-DC變換器并入直流母線，風(fēng)能通過(guò)雙向DC-AC變換器共同并入直流母線，構(gòu)成簡(jiǎn)易直流微電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“即插即用”。直流微電網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，是未來(lái)電力系統(tǒng)的一種發(fā)展方向，更是國(guó)家“十三五”規(guī)劃實(shí)現(xiàn)清潔能源替代的重要途徑。

安康地區(qū)以其特有的地理?xiàng)l件，著重于光伏發(fā)電。為有效消納太陽(yáng)能，可將分布式電源項(xiàng)目電能消納方式分成三類(lèi)：全部上網(wǎng)、全部自用和自發(fā)自用余電上網(wǎng)。

圖1 分布式電源并網(wǎng)示意圖

分布式光伏進(jìn)出網(wǎng)形式靈活，可根據(jù)直流微電網(wǎng)功率盈缺情況工作在孤島模式或并網(wǎng)模式。當(dāng)直流微電網(wǎng)內(nèi)功率盈余時(shí)，可作為電源向大電網(wǎng)輸送功率；當(dāng)直流微電網(wǎng)內(nèi)功率出現(xiàn)缺額時(shí)，可作為負(fù)荷從大電網(wǎng)汲取功率，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行；當(dāng)直流微電網(wǎng)滿足本地負(fù)荷要求時(shí)，自發(fā)自用也可工作在孤島模式。光伏發(fā)電運(yùn)行方式靈活，供電可靠性高，不存在頻率、相位和功率損耗等問(wèn)題，有利于平衡電力系統(tǒng)的負(fù)荷功率。分布式發(fā)電（dis- tributed generation, DG）技術(shù)日漸成熟，對(duì)新能源并網(wǎng)服務(wù)管理提出更高要求。

2.1 功率跟蹤

目前，較為成熟的光伏發(fā)電技術(shù)主要采用最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能最大化消納利用。光伏發(fā)電單元在日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等外界條件變化的情況下追蹤最大功率點(diǎn)，使光伏發(fā)電單元始終保持在最大功率點(diǎn)輸出，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能高效利用。光伏輸出P-u特性曲線如圖2所示。其中Ppvmax、urefpv分別為光伏單元輸出最大功率點(diǎn)和光伏單元輸出電壓參考值。

圖2 光伏輸出P-u特性曲線

安康地區(qū)新能源上網(wǎng)主要能源形式是太陽(yáng)能，光伏發(fā)電受環(huán)境光照因素影響較大，安康地區(qū)多山地丘陵，對(duì)光伏電池板安裝選址、采光率有一定挑戰(zhàn)，如何在建設(shè)成本與太陽(yáng)能利用率方面做好評(píng)估是研究的重中之重。

2.2 調(diào)度監(jiān)控?

電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)掌握各變、配電站運(yùn)行工況和設(shè)備數(shù)據(jù)，分布式電源接入調(diào)度結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，分布式電源通常以中、低壓配電網(wǎng)形式接入大電網(wǎng)，相較于傳統(tǒng)發(fā)電單元，安康地區(qū)新能源風(fēng)電光伏的接入無(wú)疑會(huì)增加電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)測(cè)范圍，相應(yīng)對(duì)防直流微電網(wǎng)孤島檢測(cè)技術(shù)的精準(zhǔn)度和靈敏性要求更高，新能源調(diào)度監(jiān)控方式有異于傳統(tǒng)電網(wǎng)，風(fēng)力、光伏電源功率輸出的間歇性會(huì)使直流微電網(wǎng)內(nèi)部功率產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而造成直流母線電壓不穩(wěn)定，一旦直流母線電壓波動(dòng)范圍超過(guò)±5%就會(huì)造成直流微電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰，影響大電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行及新能源利用率。

圖3 分布式電源接入調(diào)度結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 繼電保護(hù)

相較于傳統(tǒng)交流大電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)的研究起步相對(duì)較晚，與之相對(duì)應(yīng)的直流繼電保護(hù)技術(shù)尚不成熟，直流繼電保護(hù)設(shè)備昂貴，參數(shù)整定較為困難。光伏發(fā)電并網(wǎng)后故障特點(diǎn)、電氣量都會(huì)隨之變化，分布式發(fā)電單元接入方式如圖4所示，可分為兩種，線路中間接入和線路末端接入，分布式發(fā)電單元不同的接入方式對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的靈敏性、選擇性都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

安康轄區(qū)內(nèi)多采用傳統(tǒng)電流三段式保護(hù)的單端供電干線式配電網(wǎng)，分布式發(fā)電單元的接入使測(cè)量阻抗增大，繼電保護(hù)范圍縮小，易引起繼電保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)和拒動(dòng)。須研發(fā)配套的直流繼電保護(hù)措施、故障檢測(cè)識(shí)別技術(shù)及防孤島保護(hù)，以便在直流微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，快速識(shí)別故障點(diǎn)并切除并網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)孤島運(yùn)行，保證區(qū)域用戶(hù)供電的連續(xù)性和可靠性。如何建設(shè)更加堅(jiān)強(qiáng)可靠的直流微電網(wǎng)，對(duì)直流繼電保護(hù)技術(shù)的研究提出更高的要求。

圖4 分布式發(fā)電單元接入方式

2.4 電能質(zhì)量

光伏發(fā)電的隨機(jī)性和間歇性會(huì)造成電網(wǎng)功率波動(dòng)，影響電能質(zhì)量。為有效將光伏太陽(yáng)能接入大電網(wǎng)，通常還須憑借并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，將光伏發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，此過(guò)程中由于并網(wǎng)逆變器高頻電力電子器件的高速導(dǎo)通與關(guān)斷會(huì)產(chǎn)生大量諧波，造成諧波污染，使電壓、電流三相不對(duì)稱(chēng)，產(chǎn)生畸變，影響用戶(hù)側(cè)電壓、電流質(zhì)量，如安康高新科技城市光伏發(fā)電項(xiàng)目投運(yùn)后，多次因供電質(zhì)量而被投訴，故并網(wǎng)逆變器的控制性能對(duì)用戶(hù)側(cè)電能質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

另外，直流微電網(wǎng)頻繁離/并網(wǎng)無(wú)縫切換也會(huì)對(duì)大電網(wǎng)造成一定沖擊，如何實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)平滑切換保證電能質(zhì)量，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)電能質(zhì)量綜合分析研究不可或缺。

?3 并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)

作為連接大電網(wǎng)與分布式能源的核心電力電子裝置，并網(wǎng)逆變器在參與電能轉(zhuǎn)換方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并網(wǎng)逆變器控制性能的優(yōu)劣是影響光伏利用率的關(guān)鍵，故此節(jié)著重探討目前國(guó)內(nèi)外并網(wǎng)逆變器主要控制技術(shù)。從逆變器輸出端濾波結(jié)構(gòu)來(lái)看，LCL型并網(wǎng)逆變器以其優(yōu)越的濾波性能而被廣泛應(yīng)用，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。按照LCL型并網(wǎng)逆變器輸出端控制對(duì)象來(lái)分，LCL型并網(wǎng)逆變器主要可分為兩大類(lèi)：電流控制型和電壓控制型。

圖5 LCL型并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/p>

3.1 電壓控制型LCL并網(wǎng)逆變器原理及功能

電壓控制型LCL并網(wǎng)逆變器大多采取輸出電流直接反饋控制的方法，但無(wú)法保證其電流正弦質(zhì)量，逆變器輸出電流易受電網(wǎng)諧波電壓影響而產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。近年來(lái)，電壓控制型LCL并網(wǎng)逆變器主要以虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)為主，通過(guò)逆變器數(shù)學(xué)模型模擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械方程，使其對(duì)外呈現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)的外特性，以增加逆變器阻尼和慣性，由于其控制技術(shù)尚不成熟，示范工程推廣應(yīng)用甚少。安康地區(qū)分布式電源并網(wǎng)主要采用電流控制型LCL并網(wǎng)逆變器，因此，研究重點(diǎn)主要圍繞電流控制型LCL并網(wǎng)逆變器展開(kāi)。

3.2 電流控制型LCL并網(wǎng)逆變器原理及功能

電流控制型LCL并網(wǎng)逆變器一般會(huì)選擇并網(wǎng)電流作為閉環(huán)被控量，逆變器輸出表現(xiàn)為電流源，功率因數(shù)接近于1。將并網(wǎng)電流作為閉環(huán)被控量，引入濾波電容電壓形成雙閉環(huán)控制，雙閉環(huán)控制中根據(jù)引入濾波電容電壓與否，又可將電流控制型LCL并網(wǎng)逆變器分為兩大類(lèi)型：直接電流控制型和間接電流控制型。

直接電流控制型逆變器大多采用雙閉環(huán)控制，以并網(wǎng)電流作為外環(huán)控制量，選取濾波電感電流或電容電流作為內(nèi)環(huán)控制量，以增加逆變器阻尼，該控制方法可完成單位功率因數(shù)并網(wǎng)，但對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)管器件應(yīng)力要求較高。

雙閉環(huán)直接電流控制技術(shù)成熟，據(jù)統(tǒng)計(jì)，安康分布式光伏電站項(xiàng)目中90%并網(wǎng)逆變器都采用該方法。間接電流雙閉環(huán)控制方法也可分為兩類(lèi)：①為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓間無(wú)相差控制，以并網(wǎng)電流峰值作為外環(huán)控制量，內(nèi)環(huán)則采用LCL濾波電容電壓，形成雙閉環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流間接控制；②以LCL濾波電容電壓作為外環(huán)控制量，內(nèi)環(huán)控制量采用逆變器側(cè)電感電流，以?xún)?yōu)化并網(wǎng)逆變器動(dòng)態(tài)性能。

LCL型并網(wǎng)逆變器雖工程化應(yīng)用較多，但LCL濾波器本身屬于三階系統(tǒng)，自身固有諧振尖峰問(wèn)題。就如何抑制諧振尖峰，國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者已做了許多研究工作，主要可分為兩大類(lèi)：有源阻尼法和無(wú)源阻尼法。有源阻尼法主要采取控制策略起到抑制諧振尖峰的目的，較為經(jīng)濟(jì)有效；而無(wú)源阻尼法主要是通過(guò)硬件電路增加電阻阻尼，此法不僅會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本且會(huì)額外增加并網(wǎng)逆變器功率損耗，故該法在實(shí)際工程應(yīng)用中常被有源阻尼法所取代。

?4 結(jié)論

本文首先介紹了新能源發(fā)展趨勢(shì)及新能源并網(wǎng)的重大意義，以安康電網(wǎng)為研究對(duì)象，就分布式光伏發(fā)電技術(shù)存在的功率跟蹤控制、電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控、繼電保護(hù)技術(shù)、電能質(zhì)量管理等四個(gè)方面的問(wèn)題進(jìn)行了探討，并對(duì)目前分布式發(fā)電所用并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)進(jìn)行了綜述，對(duì)分布式光伏電站項(xiàng)目建設(shè)起到一定指導(dǎo)作用。

本文編自2021年第10期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“安康分布式電源并網(wǎng)關(guān)鍵問(wèn)題研究”，作者為姚建雙、賈軍 等。