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)保的獨特優(yōu)勢備受青睞。其中，太陽能、風能、潮汐能滲透率的逐步提高將極大緩解環(huán)境壓力，光伏、風力發(fā)電技術發(fā)展最為迅猛。與此同時，極大促進了新型設備制造業(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，地理條件得天獨厚，日照采光充盈，本文以安康電網(wǎng)為研究對象，重點探討分布式電源光伏并網(wǎng)存在的系列問題和光伏并網(wǎng)關鍵技術。清潔能源有效并網(wǎng)可對大電網(wǎng)進行有效補充，優(yōu)化能源供給側結構，加快能源互聯(lián)網(wǎng)建設步伐。

1 安康電網(wǎng)簡介

安康電網(wǎng)網(wǎng)架結構是以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。主要擔負安康市九縣一區(qū)及襄渝、陽安、西康三條電氣化鐵路供電使命，與此同時，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、安康水電廠構成。通過330kV金柞雙回及安—喜—洋、香鶴線與陜西主電網(wǎng)聯(lián)絡。

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

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變17座；35kV變電站81座，容量817.65MV?A，其中由安康供電公司運管23座，陜西省地方電力公司下屬各電力公司及用戶運管58座。已投運的330kV輸電線路共計9條612km；110kV在運線路共計100條1930.559km，35kV輸電線路共計154條2108.992km。其中由安康供電公司維護35kV及以上輸電線路共計135條2893km。安康電網(wǎng)基本情況見表1。

表1 安康電網(wǎng)基本情況

為響應國家“十三五”戰(zhàn)略規(guī)劃部署，實現(xiàn)電力清潔替代，大力發(fā)展清潔能源，實現(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，助力精準扶貧，打贏電力革命攻堅戰(zhàn)。安康地區(qū)光伏電站建設基本情況見表2。

表2 安康地區(qū)光伏電站建設基本情況

由表2可知，安康地區(qū)在建光伏電站3站，已投運光伏電站9座，廢止光伏電站15座，由于地理條件限制，光伏上網(wǎng)率較低，僅為33.33%。光伏發(fā)電利用率偏低，形勢依然嚴峻，光伏并網(wǎng)過程中存在的諸多問題仍亟待解決。

?2 安康地區(qū)分布式電源并網(wǎng)存在問題

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DC-DC變換器并入直流母線，風能通過雙向DC-AC變換器共同并入直流母線，構成簡易直流微電網(wǎng)，實現(xiàn)“即插即用”。直流微電網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)建設的重要組成部分，是未來電力系統(tǒng)的一種發(fā)展方向，更是國家“十三五”規(guī)劃實現(xiàn)清潔能源替代的重要途徑。

安康地區(qū)以其特有的地理條件，著重于光伏發(fā)電。為有效消納太陽能，可將分布式電源項目電能消納方式分成三類：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。當直流微電網(wǎng)內(nèi)功率盈余時，可作為電源向大電網(wǎng)輸送功率；當直流微電網(wǎng)內(nèi)功率出現(xiàn)缺額時，可作為負荷從大電網(wǎng)汲取功率，實現(xiàn)并網(wǎng)運行；當直流微電網(wǎng)滿足本地負荷要求時，自發(fā)自用也可工作在孤島模式。光伏發(fā)電運行方式靈活，供電可靠性高，不存在頻率、相位和功率損耗等問題，有利于平衡電力系統(tǒng)的負荷功率。分布式發(fā)電（dis- tributed generation, DG）技術日漸成熟，對新能源并網(wǎng)服務管理提出更高要求。

2.1 功率跟蹤

目前，較為成熟的光伏發(fā)電技術主要采用最大功率點跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）控制技術，以實現(xiàn)太陽能最大化消納利用。光伏發(fā)電單元在日照強度、環(huán)境溫度等外界條件變化的情況下追蹤最大功率點，使光伏發(fā)電單元始終保持在最大功率點輸出，實現(xiàn)太陽能高效利用。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，對光伏電池板安裝選址、采光率有一定挑戰(zhàn)，如何在建設成本與太陽能利用率方面做好評估是研究的重中之重。

2.2 調(diào)度監(jiān)控?

電力系統(tǒng)監(jiān)測的關鍵是實時掌握各變、配電站運行工況和設備數(shù)據(jù)，分布式電源接入調(diào)度結構示意如圖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)新能源風電光伏的接入無疑會增加電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)測范圍，相應對防直流微電網(wǎng)孤島檢測技術的精準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)，風力、光伏電源功率輸出的間歇性會使直流微電網(wǎng)內(nèi)部功率產(chǎn)生波動，進而造成直流母線電壓不穩(wěn)定，一旦直流母線電壓波動范圍超過±5%就會造成直流微電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰，影響大電網(wǎng)安全可靠運行及新能源利用率。

圖3 分布式電源接入調(diào)度結構示意圖

2.3 繼電保護

相較于傳統(tǒng)交流大電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)的研究起步相對較晚，與之相對應的直流繼電保護技術尚不成熟，直流繼電保護設備昂貴，參數(shù)整定較為困難。光伏發(fā)電并網(wǎng)后故障特點、電氣量都會隨之變化，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配電網(wǎng)繼電保護的靈敏性、選擇性都會產(chǎn)生嚴重影響。

安康轄區(qū)內(nèi)多采用傳統(tǒng)電流三段式保護的單端供電干線式配電網(wǎng)，分布式發(fā)電單元的接入使測量阻抗增大，繼電保護范圍縮小，易引起繼電保護系統(tǒng)誤動和拒動。須研發(fā)配套的直流繼電保護措施、故障檢測識別技術及防孤島保護，以便在直流微電網(wǎng)發(fā)生故障時，快速識別故障點并切除并網(wǎng)模式，實現(xiàn)直流微電網(wǎng)孤島運行，保證區(qū)域用戶供電的連續(xù)性和可靠性。如何建設更加堅強可靠的直流微電網(wǎng)，對直流繼電保護技術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)電的隨機性和間歇性會造成電網(wǎng)功率波動，影響電能質(zhì)量。為有效將光伏太陽能接入大電網(wǎng)，通常還須憑借并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)電能轉換，將光伏發(fā)出的直流電轉換成交流電，此過程中由于并網(wǎng)逆變器高頻電力電子器件的高速導通與關斷會產(chǎn)生大量諧波，造成諧波污染，使電壓、電流三相不對稱，產(chǎn)生畸變，影響用戶側電壓、電流質(zhì)量，如安康高新科技城市光伏發(fā)電項目投運后，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用戶側電能質(zhì)量起著至關重要的作用。

另外，直流微電網(wǎng)頻繁離/并網(wǎng)無縫切換也會對大電網(wǎng)造成一定沖擊，如何實現(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

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換方面發(fā)揮著至關重要的作用，并網(wǎng)逆變器控制性能的優(yōu)劣是影響光伏利用率的關鍵，故此節(jié)著重探討目前國內(nèi)外并網(wǎng)逆變器主要控制技術。從逆變器輸出端濾波結構來看，LCL型并網(wǎng)逆變器以其優(yōu)越的濾波性能而被廣泛應用，其拓撲結構如圖5所示。按照LCL型并網(wǎng)逆變器輸出端控制對象來分，LCL型并網(wǎng)逆變器主要可分為兩大類：電流控制型和電壓控制型。

圖5 LCL型并網(wǎng)逆變器拓撲

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)生嚴重畸變。近年來，電壓控制型LCL并網(wǎng)逆變器主要以虛擬同步發(fā)電機技術為主，通過逆變器數(shù)學模型模擬同步發(fā)電機的機械方程，使其對外呈現(xiàn)同步發(fā)電機的外特性，以增加逆變器阻尼和慣性，由于其控制技術尚不成熟，示范工程推廣應用甚少。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，研究重點主要圍繞電流控制型LCL并網(wǎng)逆變器展開。

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)，但對逆變器開關管器件應力要求較高。

雙閉環(huán)直接電流控制技術成熟，據(jù)統(tǒng)計，安康分布式光伏電站項目中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：①為實現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓間無相差控制，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)實現(xiàn)對并網(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電感電流，以優(yōu)化并網(wǎng)逆變器動態(tài)性能。

LCL型并網(wǎng)逆變器雖工程化應用較多，但LCL濾波器本身屬于三階系統(tǒng)，自身固有諧振尖峰問題。就如何抑制諧振尖峰，國內(nèi)外廣大學者已做了許多研究工作，主要可分為兩大類：有源阻尼法和無源阻尼法。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)濟有效；而無源阻尼法主要是通過硬件電路增加電阻阻尼，此法不僅會增加經(jīng)濟成本且會額外增加并網(wǎng)逆變器功率損耗，故該法在實際工程應用中常被有源阻尼法所取代。

?4 結論

本文首先介紹了新能源發(fā)展趨勢及新能源并網(wǎng)的重大意義，以安康電網(wǎng)為研究對象，就分布式光伏發(fā)電技術存在的功率跟蹤控制、電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控、繼電保護技術、電能質(zhì)量管理等四個方面的問題進行了探討，并對目前分布式發(fā)電所用并網(wǎng)逆變器控制技術進行了綜述，對分布式光伏電站項目建設起到一定指導作用。

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