林齐磊
上海来有信信息技术有限公司 上海 200050
摘要：在分布式并网系统越发普遍的情况下，大部分光伏电站都将光伏建筑一体化作为首要任务，这必然会导致配电网受到直接冲击，如果不及时采取措施，必然会导致各种问题越发严峻。基于此，本文以光伏建筑一体化为背景，直接阐明短路电流对配电网的影响，继而以芜湖市联振新能源有限公司2.68MW屋顶分布式光伏项目为基础，提出其中的关键基础，最后在分析高渗透率分布式光伏系统拓扑结构的同时，指明其未来的发展方向。
关键词：光伏建筑一体化；并网发电系统；配电网关键技术
引言：虽然光伏建筑一体化是在近几年才开始快速发展，但2020年我国就曾提出有关于高密度光伏建筑的相关研究，并直接在中长期规划中将其作为主要目标之一。实际上光伏建筑一体化是在2015年，才开始被社会各界所关注，在光伏电站的建设规模不断推展后，相关人士发现光伏电站中的容量与占比有所提高，长期如此，不利于光伏电站的发展趋势，因此，大部分光伏电站开始将光伏建筑一体化作为发展目标。
1短路电流对配电网的影响
传统的配电网络以煤炭和水力发电为主，而光伏和风电等清洁能源发电量很少。基础结构如下图所示：
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图1：传统没电网基础结构图
在连接光伏能源装置时，需要从太阳能节点提供一个短路电流大的短路电流电源，这就会直接影响整个光伏故障信号传输系统的网络位置，但通常光伏配电故障，不是短路电流的直接原因，大的短路电流给整个光伏发电系统的电网带来很大的变化。可以看出，短路时刻输出电流功率的峰值与光伏逆变器自身的储能、供电模块以及光伏输出短路控制器的性能密切相关。
而分布式能源对配电网短路电流能够造成以下几种影响：（1）电能影响，风力发电和光伏水力发电受外界天气变化的影响普遍均匀，具有温度间歇性和温度波动大的特点，一般需要配备大型高压逆变器、发电设备和大量的直流电源及电子检测设备，这些都会产生一定数量的静电谐波和直流波分量。谐波电流直接注入整个电力系统，直接造成整个电网的电压畸变，影响整个电网的传输质量。造成电网计量电表不准确，增加电网负荷，也可能直接导致整个电力系统的继电保护和自动装置的误操作，影响整个电力系统的正常运行和安全。（2）监控影响，目前的配电网为无源放射状网络，在信息采集、开关操作和能源调度方面相对简单，其实施的监测、控制和高度均由供电部门统一执行。这个过程由于新能源的获取而变得复杂，尤其有必要对新能源获取后可能出现的“孤岛”现象进行监测和预防。如果在孤岛上进行重合闸运行，线路会再次跳闸，负荷供需可能不平衡，严重损害电能质量，降低配电网的可靠性。
2相关研究介绍
为了确定光伏建筑一体化并网发电系统及配电网关键技术，本文以芜湖市联振新能源有限公司2.68MW屋顶分布式光伏项目为基础，该项目由浙江联盛新能源有限公司投资建设的光伏电站项目，总投资额约1000万元，该项目位于芜湖市常春汽车内饰件屋顶，旨在通过建设屋顶光伏电站为宿州闼闼木业厂区提供更便宜的清洁能源，在此过程应用的关键技术具体如下。
2.1防孤岛保护及反孤岛策略
在安全管理工作更加到位和光伏逆变器系统具有安全孤岛供电功能的实际条件下，光伏并网电源的安全计入并网也不会直接给光伏配电网建设带来安全性的风险。有荷兰知名学者曾经对当地多个具有光伏利用电源的电力配电网的网络孤岛发生情况数据进行了深入分析和综合计算，指出光伏利用电源每年发生电网孤岛的频率可能性大约是10-6~10-5次/年。通过上述数据分析结果可知，住宅区用户接入光伏孤岛电源可能引发非正常光伏孤岛供电现象的发生概率几乎基本为零。
此外，欧盟新的Dispower监测项目，也深入研究了德国系统使用的带波动监测风力电网光伏阻抗电压变化的反馈式孤岛监测策略，对具有频率波动监测功能的光伏电网逆变器和光伏电网阻抗电压变化进行了综合测试。结果表明，两网分别处于低阻抗和高阻抗连续工作状态时，逆变器的连续工作精度相对稳定。如果两网同时处于高阻抗或低阻抗的连续工作状态，光伏功率逆变器检测到的高阻抗的工作精度也会变差。
2.2光伏发电系统与储能系统稳定控制技术
储能管理系统建设作为光伏综合发电应用系统必要的光伏能量存储缓冲组成环节，其重要地位的大和重要性不言而喻。作为基地配电网负荷调峰的主要监控系统，光伏风力发电监控系统本身具有负荷调度监控功能，对加强配地电力网的发电负荷密度控制、频率密度调整工作具有重要指导意义。双向储能逆变器系统作为太阳储能发电系统与光伏储能发电电力系统相互耦合的一个核心电力器件，其主要性能特点决定了整个储能发电系统设备能否实时准确地自动存储或及时补偿储能系统的全部有功或无损失功。由于电源受各种外界环境因素的直接影响，光伏储能发电装置系统的实际输出发电功率并不稳定，因此，王中秋等论文提出了一种采用光伏蓄电池电源作为光伏储能发电装置的具体解决办法方案，思路主要是：将储电蓄能装置控制系统主体的电路直接布置在光伏母线上，通过电路检测所在母线上的电压波动大小后用来对光伏蓄电池电源进行二次充电或者过放电，维持蓄池电源侧和电力负荷侧的平衡，防止电源供电侧随频率波动发生较大波动。
2.3电能质量
我国在《电能质量供电电压允许偏差》中，对不同上网电压以及等级的无电成功有电补偿使用原则分别进行了明确规定，无电有功补偿应尽量坚持做到就地无功补偿，尽可能多地降低电力配送到电网的无电有功补偿潮流。电压负荷等级在10kv以下的公用线路一般允许在一个公用电源变压器上单独设置一个用于进行无线有功功率补偿的高压电容器绕组，以便于保证整个线路满足处于最大过载负荷时的无功补偿电压需求，同时也因此可有效避免最大负荷等级较低时可能发生无功功率线路倒送电的现象。
美国某博士，早在1988年就已经提出了面向用户基于电力工程技术的智能配电控制系统设计概念，其中，其核心思想是充分利用现代电力工程电子技术和电力控制系统技术，实现对配电网和系统内输电质量及供电系统可靠性的有效控制。在国内，对变频谐波系统的总电流畸变和频率相关问题也进行了深入的研究。浙江电力科学研究院对连接到变频系统的220V、400V、10kV电流进行谐波测试。结果分析发现每个系统都可能存在电流畸变和频率过大的异常现象。从理论上角度来看，光伏电网能源发电容量的不断增大必然会在一定很大程度上直接提高光伏电网的电源谐波质量电流，因此，国际上很多专家学者已经提出将光伏能源发电和再生电能电网质量电流调节一起作为电流控制研究对象，并积极探索寻找出上述两者之间的相互关系。
3高渗透率分布式光伏系统拓扑结构
能量渗透率英文全称为：Energy Penetration，主要指的就是在光伏系统能源总负荷中分布式光伏系统能源所需应占的能量比例。高渗透率分布式光伏系统的扩扑结构详情如下图所示：
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图2：高渗透率分布式光伏系统的扩扑结构详情图
该系统结构主要具备以下主要功能，（1）为了保证光伏并网系统运行稳定，储能控制装置和光伏系统阵列组合构成了一个功率范围可自动调节的光伏并网储能控制系统，通过双向光伏变流器自动控制该储能系统的各个有功输出功率，维持系统的有效功率运行平衡，实现光伏并网的稳定。（2）用于保护系统并网控制系统安全，孤岛继电保护和并网继电保护都已经是广泛用于有效保护并网系统安全，其中，继电保护主要采用控制系统网络级和控制单元网络级的两种分级继电保护方式，孤岛继电保护主要分为系统集中式并网孤岛继电保护和系统分散式并网孤岛继电保护。（3）精细过程管理供电系统中的能量，在整个电力供电管理系统中，能量过程管理系统涉及供电系统内部所有的各个环节，属于一个多过程输入、多过程输出的多功能变量过程控制管理系统。该系统拓扑网络结构以一个实现全局局部能量信息管理和多个中心单元局部能量信息管理的"1+N"混合管理模式具体呈现，由MGCC两个中心系统依托内部通信管理网络和各个中央分散测控计量系统一起实现一个全局的局部能量信息管理，该新型拓扑整体结构还具有较强的工作可靠和扩展性。
按照监控系统中不同监控模块的可配置和监控功能进行划分，能量过程管理监控系统主要包括：监控中央计量测控管理系统、监控和计量通信管理网络、分散式的计量网和测控管理系统。光伏风力发电测控系统的分散节点计量控制测控网络系统技术是一种利用计算机信息技术对光伏风力发电测控系统节点中的各测控单元分别计量进行集中统一监视、操作、管理和分散控制的一种计量控制系统技术；节点中央计量测控网络系统将从各分散节点计量测控系统集中获得的计量数据信息进行集中统一分析管理和集中调度，以使整个测控系统性能达到最优；集中监控和管理通信数据网络系统负责MGCC，与各子测控单元间的实时通信数据连接。
4未来发展方向
4.1降低孤岛影响
在光伏发电系统中对于并网功率、电压、并网输出电流等重要参数的检测中，小扰动下的同步检测可能会给检测到数据结果造成很大影响。即使保证正确参数摄动与正确电网电压是同步运行的，也很有可能被认为是因为光伏发电系统的电网电压输出电流功率波动变化迅速而直接地导致光伏配电网的电压、负载和电网输出电流的值不稳定，因此，如何主动地检测孤岛电压，有效地消除光伏发电将成为一个影响电力系统电压稳定亟要解决的大问题。
4.2稳定监测谐波
谐波检测的电流实时性和大小准确性，会直接程度影响通过谐波放大补偿产生电流的实时大小，如果电流实时性和大小准确性分别达到了不到一定要求，不但不能有效通过补偿产生谐波，还有利于可能通过放大产生谐波。此外，多个交流逆变器并联联合运行时还会同时产生较大的多个谐波补偿环流，这一点也是目前传统交流逆变器技术无法有效克服的，因此，要想有效保证多个谐波环流补偿系统电流综合监测的可靠准确性，必须对多个谐波补偿环流进一步深入研究和综合分析，消除其对电力配电网的不良影响。
4.3 强化电能质量
首先，可以考虑采取变频集群管控式的方式，将多个光伏逆变器同时进行变频并联，然后根据系统的各种整体光照运行环境情况分别来做轮投切换相对应的光伏变压器和光伏逆变器，进而有效应对各种光照环境因素对分布式光伏系统能源投入输出系统功率的直接影响；同时通过多个逆变器的变频轮流切换工作也能使整个供电系统完全不受单一多台光伏逆变器日常维修或供电故障的因素影响，并能保证使整个系统各组成部分的系统工作效率达到最优。其次，可以同时结合多个不同大容量光伏机组，为了有效实现多个大容量机组能量相互转换，各种多机组串并联相互协作的解决方案也一直处在技术论证和市场竞争中，有无电源变压器多机隔离、共用电源变压器隔离方案的成功实现，以及多能源电压水平、多重功率化和超大功率化等器件的串并联都已经是目前大容量光伏发电产品的一个核心技术问题。最后，可以考虑拟建一套智能化电网管理系统结构，智能化电网能量供应管理系统结构的主要任务目标也就是通过实现电网能源两侧的自动供需平衡，维护能源配电网的稳定供电能源电压、频率质量稳定在合理的使用区间内，并通过结合能源用户侧负荷所需能源负荷的自动变化等考量因素来对能源供给侧负荷进行自身的适应控制和自动调节。
结束语
综上所述，光伏电站与传统配电网有所不同，但在运行过程容易被多种因素所干扰，稍有不慎，就可能导致运行效率大幅下降。而光伏建筑一体化能够将多种结构相互结合，这样便可将多个逆变器相互集合，从根本解决光伏电站的各种问题，这也是光伏电站未来的发展方向。
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简介：林齐磊；1990.03，男，汉族，安徽省滁州市人，河海大学文天学院，本科学历，水利水电工程专业，从事新能源行业，光伏行业5年，参与多个新能源发电项目建设和管理工作。