從分布式光伏電站與配電網之間的相互影響——談逆變器技術的創新發展方向

今天，中國社會各界，從政策制定者到市場從業者都達成了一個共識，不斷提高可再生能源，包括光伏，風能以及生物質能發電等新能源分布式電站的滲透率。利用分布式發電的優點，充足開發利用各種可用的分散存在的能源，提高能源的利用效率，才能真正達到保護環境，節能減排的目的。

傳統的配電系統被設計成僅具有分配電能到末端用戶的功能，設計形式以垂直連接方案為主，其特點是聚集發電，分散消耗，不同的電網控制區域之間互聯能力有限。將來在中國，分布式能源的滲透率會大幅提高，這是推動電網控制模式從中央控制到分布式多層控制，逐步改變的一個緊要因素。隨著電力市場的自由化程度不斷加大和光伏技術的繼續發展，建設大型電站需要面臨巨大的經濟壓力，遠不如建設小型分布式光伏電站來得劃算。

分布式光伏能源在電力供應上的質量保證和其安全性，對于那些強烈依靠化石能源做為電力供應而且電力基礎傳輸設施老化的國家具有很強的吸引力。分布式技術的不斷成熟，從1kW到10MW容量的電站同低壓電網相連，進入電網為客戶提供電力，分布式能源需要被整合進電網而不是簡單的連接到電網上。

將分布式光伏電站納入電網規劃帶來的好處如下：

短期效益：減少電力傳送和分配所萌生的運輸損耗，提高用電高峰時間電網的服務質量和繼續性，減少溫室氣體排放。

中長期效益：延緩將來電網擴容的投資，減少為滿足用電高峰期的負載要求而增加的巨型額外發電設備。分布式光伏電站一般要求部署在電力消耗點，例如城市區域，同時光伏組件也可以成為公眾光伏知識普及教育的工具，也可以喚醒公眾的環保意識，號召大家接納和使用清潔能源。

分布式能源通常接入中壓或低壓配電系統，并會對配電系統萌生廣泛而深遠的影響。從技術觀點來看，對于分布式光伏電站融合入電網，逆變器是控制兩者之間的相互影響的關鍵。為了讓分布式光伏電站與當地電網系統更好的融合，更好的協調分布式光伏電站與配電網之間的相互影響，比如控制能源質量與保證系統與電網的安全，處理這些問題的核心就是光伏逆變器。

本文從兩個方面進行分解。一、分布式光伏電站對配電網的影響，目前存在的技術障礙；二、配電網對分布式光伏電站的影響。而處理兩者相互影響所引發的技術問題的關鍵是逆變器，通過對互動影響的探討，勾勒出出將來逆變器技術創新與發展的方向。

I. 分布式光伏電站對配電網的影響

作者從以下幾個方面討論了分布式光伏電站對配電網的影響，包括電力工業中幾個常見問題，電壓，電流，功率。以及在處理這些問題上，逆變器是要怎么樣發揮作用的。

逆變器控制電壓波動

在傳統的配電網系統設計中，電能是最高壓的時候輸送，低壓時消耗。隨著分布式能源滲透率的提高，功率流會變的更加復雜，低壓配電系統在分布式光伏電站運行的影響下，不良的過壓情況可能會出現。

配電系統工作人員有義務非得為電網客戶保證電能質量。在配電網中由于荷載變化造成電壓水平變化是個相對常見的事情，技術規范會給出一個規定值的可接受超出范圍。舉例說明，在國內，市政低壓電網的電壓變化在額定值的上下10%變化，通常被認為是可以接受的。通常從分布式光伏電站輸入的電能相比于接入點的額定電壓，電壓會相對國家標準升高2～5%。而且一般說來，電網還有個約定俗成的原則，分布式光伏電站的發電量不能超過低壓網的33%，中壓網的50%，這樣設計的目的也是為了避免電網的電壓波動。

德國學者Rutschmann的研究聲明，當大規模的分布式光伏電站被接入電壓控制的配電網線路時，由于反向功率流的存在終端客戶的電壓會增高。電壓升高的值由分布式光伏電站的容量和負載的比例所決定。目前由于國內分布式光伏電站興建的規模很小，尚無相關電壓升高問題的報道。Rutschmann在德國的研究聲明這類現象都發生在農村電網地區，其原由是農村用戶負載過小，因此安裝在城市地區的分布式光伏電站發生此類問題的概率極低。同時由于目前逆變器的設計中，都加入了過壓保護的功能，當電壓一旦達到上限，逆變器就自動切換為電壓控制器，所以也有效的避免了此類事故的發生。

一般來說，合理的策略是嚴格控制客戶終端的負載與對應分布式光伏電站功率之間的比值，避免出現較大的不對稱。

另一方面，因為分布式光伏電站的輸出功率受太陽輻射量的影響具有一定的波動性，輸出功率的波動性關聯會造成配電網線路的電壓的波動，尤其是在那些負載較低的線路上。通過對安裝有分布式光伏電站的住宅小區配電網進行數值模擬的研究發現，輸出功率變化的減緩可以有效降低電壓的變化。而控制分布式光伏電站輸出功率變化的速率，正是逆變器的功用之一，也就是說，可以通過逆變器的控制設計，來防止分布式光伏電站對配電網造成的電壓波動。

諧波和間諧波電流

一般來說, 理想的交流電應是純正弦波形，但因加工生活中電網系統的輸出阻抗及非線性負載等原由，經常導致電源波形失真。中國電壓基礎頻率是50Hz。將失真的交流非正弦信號經傅立葉轉換分解后，可將其電壓組成分析為除了基頻(50Hz)外，倍頻(100Hz, 150Hz，…...)成份的線性組合。其倍頻的成份就稱為諧波：harmonic。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1） 稱為諧波次數。電網中有時也存在非整數倍諧波，稱為非諧波（Non-harmonics）或間諧波。

諧波實際上是一種干擾量，諧波電流會萌生大量倍頻的電污染，使電網受到污染。諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的加工、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、萌生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現雜亂。對于電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會萌生嚴重干擾。間諧波的影響和危害等同整數次諧波電壓的影響和危害。

當許多逆變器在同一個低壓電網中運行時，盡管每個單獨的逆變器都滿足電氣設計規范，但是它們同時運行形成的諧波電流可能會萌生超過規范規定的諧波電壓。尤其是當電網的阻抗融洽振頻率發生變化時，多逆變器綜合萌生的諧波電流危害最容易顯現，此時電流控制的電子元件的解決能力會大幅度減弱，而同時大量出現的非正弦波就不能得到充足析決。

逆變器對低壓電網可能萌生諧波電流危害的特點歸納如下：

在強網絡中，逆變器并不是諧波電流危害的主要來源，主要來源依然是電網的一些非線性負載。但是在電網的阻抗融洽振頻率發生猛然改變時，逆變器對電網會造成諧波電流危害。

在弱網絡中，接入電網逆變器數量的增加會筆直加大諧波電流的萌生幾率。

來自逆變器的直流電

對于分布式光伏電站，直流電流的監控是非常必要的。直流電對電網設備的影響主要聚集在配電變壓器，剩余電流裝置（RCD），變流器，（有功）電度表，金屬結構和電纜，其中最顯著的影響被發今朝剩余電流裝置（RCD）和變流器上，主要表現為諧波失真，損耗，發熱和噪音。

目前很多逆變器使用變壓器，內在地抑制任何直流電的出現。而無變壓器的逆變器卻具有很大的技術和經濟上的優點，例如：更高的效率和更少的重量，占地小，成本低，因而日益受到業界的重視。現代脈寬調制技術使得五變壓器的逆變器的輸出中可以抑制直流電流的因素。然而，當一個正負極不平衡存在于電網電壓波形，這種情況等同于偶數階諧波。而這種不平衡引發的諧波失真會影響脈寬調制控制的逆變器的運行，尤其是當逆變器與電網零交織點的電壓波形同步時。

逆變器萌生直流電危害的特點總結如下：

使用脈寬調制技術的逆變器可以減少直流電流的出現，而且不需要兼顧協調動態行為和動態效率。

單相電流型逆變器也不會萌生顯著的直流電流分量，即使是當電網電壓的偶數階諧波存在的時候。

目前尚無任何研究聲明已安裝分布式光伏電站的配電網中與直流電相關的干擾是由分布式光伏電站本身引起的。

接地故障與漏電電流

分布式光伏系統暴露在室外的氣象條件下，光伏系統的電流與大地意外連接，導致絕緣失效，這種情況稱為接地故障，在整個光伏系統25年的服務期內，這種現象是有一定概率發生的。即使是一個好的設計，接地故障仍舊會發生，發生的位置最可能是在連接盒、開關或者逆變器等處，發生的原由可能是由于電子元件或者材料的損壞與老化。雖然近年來，專門的技術規范、更好的設計和性能更好的電子元件，這些改進因素在不斷提高光伏系統的可靠性，也同時大幅降低接地故障發生的可能性。然而隨著建筑光伏一體化（BIPV）設計的大量出現，因為BIPV中大量的導線存在于建筑物中，這大大增加了接地故障發生的可能性。盡管漏電保護器可以為光伏系統及工作人員提供最大的保護，但是這個議題依然值得持續關注與研究。

另一個需要考慮的是電容可能萌生漏電電流的影響，這里的電容是指以下幾個方面：在光伏系統中直流和交流部分的電容，光伏組件和支架系統的接地電容，逆變器中抗電磁干擾的濾波器電容。當交流電壓分量在這些電容中起作用時，有可能使得地線帶電。以無變壓作用的逆變器為例，當交流電壓分量作用于逆變器中濾波器的電容時，電容會萌生漏電電流，而漏電電流會流入地線，在正常情況下，地線中是沒有電流的。

接地故障與漏電電流危害的特點總結如下：

光伏系統中的接觸電壓，尤其是，逆變器的拓撲結構對漏電電流有最大的影響。目前尚未發現漏電電流與氣象條件，例如，太陽輻射，濕度，大氣壓，風速這些條件間有分明的關聯。另外大量研究也聲明，使用鋁邊框的組件比無邊框組件，當反向接觸的時候，漏電電流發生率高出50%，而正向接觸則無區別。

當一個光伏系統具有多個逆變器的時候，地線電流的勢能會造成一個問題區域，如果恰在此時，地線被破壞，就會在問題區域萌生危險。

電網短路容量

配電網的短路故障保護是通過過流繼電器和熔斷器等保護裝置實現的。通常來說分布式光伏電站不會顯著增加配電網一側的短路故障率。

原由如下：

1.光伏陣列的短路電流屬于自限型的，典型的不超過額定最大功率電流的10%～20%。

2.逆變器正常安裝的是欠壓繼電器。

3.使用在分布式電站中的逆變器大多數是電流控制，當從電網萌生干擾時，此類逆變器屬于過流限制保護狀態。

對于高滲透率的配電網，當具有某些特定條件時，短路故障較容易發生。例如：位于具有高阻抗的較長的配電線路的末端，或者當配電線路處于長時間過載的時候都容易發生短路故障。大多數光伏系統不但不能測試到故障的發生，而且還會提供短路電流中的一大部分，同時也阻止了故障測試。有大量研究證明，使用于分布式電源的現代脈寬調制逆變器對于短路故障電流的貢獻很小。

正確的策略是，在電網，分布式光伏電站與客戶三個不同界面分別設置三個不同水平的短路故障保護。

非計劃性孤島現象

電網中斷供電時，各個光伏并網系統仍在運行，并且與本地負載連接處于獨立運行狀態，這種現象被稱為孤島效應。盡管今朝的光伏逆變器普遍采用了預測孤島現象和切斷電路的設計，但依然無法完全避免在多個逆變器并聯的分布式光伏系統中，在多個逆變器相互影響的特殊情況下，出現無法檢測到孤島現象的問題。

功率值與荷載容量值

分布式光伏電站的功率值由加工電能的經濟價值所決定，包括以下幾個部分：發電效率；給定的電站位置與負載之間的距離即運輸成本；在某些特定時段內的電能產出量（比如峰時）；以及產出的平衡，就是負載與加工電能之間的匹配。

傳統地，由于太陽能本身內在不可控的因素，光伏尚不能作為電網運行管理體系中，一種穩定的峰時供電來源。但是在夏季熱浪襲來之時也是用電高峰浪潮的到來，這意味著電網進入最緊張的時刻，恰恰在溫度最高的時候，一般都是太陽輻射最強的時候，分布式光伏電站可以達到它最大輸出功率的60～80%。這一點可以用來處理峰時到來時，局部用電的高要求與整個電網的無能力這一矛盾。

另一個有趣的概念是有效負載容量（effective load-carryingcapacity, ELCC），這一概念反映的是發電機有效滿足現有負載的能力。對于分布式光伏電站來說，ELCC代表的是它為電網提供的電能占當時電網負載所需電能（也就是電網的荷載容量值）的百分比。

2002～2003年間全美國的荷載數據和基于每小時的輻射量所做的分布式光伏電站的發電量模擬研究結果為：假設前提是分布式光伏電站的滲透率為10～20%，全美國分布式光伏電站的均勻ELCC值在35～55%之間。從這個結果可以推導得到一個簡單的結論，建設基礎電網容量為10～20%的分布式光伏電站，可以處理35～55%的用電問題。

美國紐約市2004年的研究聲明，在城市中一年最熱的時候，城市用電最高峰可以達到每小時19度。發電量模擬研究聲明，將紐約市分布式光伏電站滲透率設定為10%，可以使得這個數字下降為每小時4.5度。

研究聲明，分布式光伏電站滲透率的提高會大大緩解峰時電網局部供電能力不足的問題。

研究同時指出：將來的趨勢是分布式光伏發電與能源管控相結合，這會使得能源消費變得更為經濟，更為理性。舉例如下：空調使用可以采用太陽輻射智能控制，光伏智能溫控中心會依據當時的太陽輻射量和用電量對空調溫度進行實時調控。

逆變器為電網管控所增加的附加價值

隨著分布式光伏電站滲透率的不斷提高，使用脈寬調制技術的逆變器會大量被使用，它不但發揮著直流變交流的傳統功能，同時還為配電網帶來很多的附加利益。

減少電壓諧波

可以有效提高電能的質量。逆變器運行時，相當于一個有源濾波器在工作，可以有效減少電網中的電壓諧波。

無功功率控制

當逆變器與負載相連接，逆變器不但能為負責提供有功功率，同時還能萌生或吸收一部分無功功率，因此分布式光伏電站使用的脈寬調整技術的逆變器可以補償所在配電網無功功率的缺少或超出部分，并對電壓調控具有良好的效果。

功率因子管控和對稱相位控制

當電網電壓水平達到臨界高位，不但可以進行無功功率控制，還可以繼續提供有功功率，并且避免輸電線路上的電壓進一步升高。另外，三相逆變器可以通過自身提供三相不平衡電流幫助電網相位不平衡電壓回到平衡位。

電網的穩定性和防止運行中的孤島現象的發生

隨著分布式光伏電站滲透率的提高，分布式光伏能源可以作為電網失效或運行效率下降時的緊要后備能源供應，并可以有效控制運行性孤島現象的萌生。

完全開發出逆變器的所有附加價值，就可以對分布式光伏電站能為用戶和電網提供所有服務進行一個重新的評估，同時給出一個新的成本與收益模型。這也勢必推動分布式光伏電站并網的綜合優化設計。

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