分布式光伏电站对电网稳定性的影响研究

分布式光伏电站对电网稳定性的影响研究

金湘瑜 陆昕妍

海宁茂隆微电网技术有限公司

浙江芯能光伏科技股份有限公司

摘要：分布式光伏电站作为可再生能源的重要组成部分，在中国的发展迅速，累计装机容量持续增长。这类电站通过在用户附近直接将太阳能转换为电能，显著提高电网的灵活性与适应性，减少电力传输损失，并且降低碳排放。同时，分布式光伏电站能够提升电网的分布式发展，增加系统稳定性。然而，其间歇性和不可预测性也带来电网频率和电压波动等问题，需要通过动态电压支撑技术、需求侧管理及储能技术等措施进行有效管理。

关键词：分布式光伏电站；电网稳定性；电网适应性

引言：分布式光伏电站在中国的发展，近年来取得显著成就。2022年，中国分布式光伏累计装机容量达到15762万千瓦，占全国光伏总装机的40.15%。同年，新增装机容量为5019万千瓦，显示出强劲的增长势头。华东地区以江苏、浙江、安徽、山东为主，累计装机容量占比高达55.16%。政策上，国家自2017年起推行分布式发电市场化交易，尽管存在一些挑战，但分布式光伏发展仍然迅速。2023年，户用分布式光伏累计装机容量突破1亿千瓦，农村地区户用分布式光伏安装户数超过500万户，有效投资超过5000亿元。预计农村地区光伏屋顶面积有巨大开发潜力。分布式光伏作为可再生能源的重要组成部分，对中国乃至全球能源结构转型具有重要意义。

一、分布式光伏电站的定义与特点

分布式光伏电站是近年来在中国迅速发展的新型能源设施。这类电站通常指利用分散式资源，装机规模较小，布置在用户附近的发电系统。它们一般接入低于35千伏或更低电压等级的电网。分布式光伏电站特指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的系统。这种发电方式具有显著的能源、环保和经济效益，是优质绿色能源之一。在中国平均日照条件下，安装1千瓦光伏发电系统，一年可发出1200度电，减少煤炭使用约400千克，减少二氧化碳排放约1吨[1]。分布式光伏发电系统不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，还能解决电力在升压及长途运输中的损耗问题。分布式光伏发电系统的特点包括系统相对独立，可自行控制，避免大规模停电事故，安全性高。它们能弥补大电网稳定性不足，成为集中供电不可或缺的重要组成部分。此外，分布式光伏发电系统能对区域电力的质量和性能进行实时监控，非常适合农村、牧区、山区，以及发展中的大、中、小城市或商业区的居民供电。输配电损耗低，无需建配电站，降低或避免附加的输配电成本。启停速度快，调峰性能好。分布式光伏发电系统的典型应用场景包括国家能源局综合司2021年6月下发的《关于报送整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》，指出试点党政机关建筑屋顶总面积光伏可安装比例不低于50%，学校、医院等不低于40%，工商业分布式地不低于30%，农村居民屋顶不低于20%[2]。这些应用场景展示了分布式光伏发电系统在中国的广泛应用和发展潜力。

二、分布式光伏电站对电网稳定性的正面影响

（一）提高电网的灵活性与适应性

分布式光伏电站能显著提升电网的灵活性与适应性，这主要得益于其在能源生成和分配方面的独特优势（图1）。分布式光伏电站的接入，使得电网能够更加灵活地响应电力需求的波动，尤其在峰值消费时段。这种灵活性源于分布式光伏系统能在不同地理位置分散安装，从而在本地直接产生和消费电力，减少了对中央电网的依赖和负担。电网通过增加分布式光伏电站，能够在多个小型发电点分散风险，这与传统的集中式大型发电站相比，提供了更高的安全保障和稳定性。例如，若某一区域的电站出现故障，其他分布式电站可以继续供电，减少了整个电网的停电风险。此外，这种电站的部署还促使电网在布局上更为合理，能更有效地管理电力资源，避免因远距离输电而造成的能量损失。随着分布式光伏电站的增多，电网可以更加精确地调整供电量，对抗电力需求的突然变化。这是因为分布式光伏可以迅速启动或调节其发电量，相比传统电源更加灵敏和快速。在供电不足或过剩的情况下，能迅速作出反应，实现供需平衡。分布式光伏电站还支持电网通过采用高级的监控和数据分析技术，实现对电力质量和供应状态的实时监控。这种监控不仅提高了电网的运行效率，也优化了电力分配，减少了维护成本和运行风险[3]。

图1：分布式光伏电站对电网稳定性的正面影响重点导图

（二）促进电网的分布式发展

分布式光伏电站在促进电网分布式发展方面发挥着重要作用。这种电站的广泛部署有助于实现电力系统的去中心化，从而提高整个电网的灵活性和效率。传统的集中式电网因其大型发电设施远离消费中心，常常导致长距离输电和高额的输电损失。而分布式光伏电站通过在消费地点附近生成电力，直接将电力输送到需要的地方，极大地减少了输电距离和能量损耗。随着技术的进步和成本的下降，分布式光伏电站的经济效益更加明显，这促使更多的用户投资光伏发电，尤其是在城市、乡村和偏远地区的屋顶上。这种自发自用，余电上网的模式，不仅提升了能源的利用效率，也增加了电网的能源多样性。这样的多样化可以增强电网对不同能源来源的适应能力，从而提高系统的整体稳定性。此外，分布式光伏电站能够为电网提供辅助服务，如频率调控和电压支持，这对于维护电网的稳定运行至关重要。在面对传统电源不能覆盖的地区或突发事故时，分布式光伏电站可以快速响应，恢复供电，增强电网的韧性。分布式光伏电站的增多也推动了智能电网技术的发展。智能电网能够通过高度的信息化，实现对电网运行状态的实时监测和管理。分布式光伏系统的数据收集和分析，使得电网运营商能够更准确地预测电力需求，合理调配资源，实现更有效的电网管理。

（三）降低碳排放与环境友好

分布式光伏电站通过直接利用太阳能发电，显著降低了碳排放，展现了其环境友好的特性。与依赖化石燃料的传统发电方式相比，光伏发电不产生任何直接的空气污染物或温室气体排放，是一种真正的绿色能源解决方案。太阳能作为一种可再生资源，其开发和利用过程中的碳足迹极低，有助于减轻对环境的压力，并对抗全球气候变暖。在传统电网中，大量依赖化石燃料的发电站，尤其是煤电站，是全球碳排放的主要来源之一。随着分布式光伏电站的广泛部署，可以逐步替代这些高碳能源，从根本上改变能源结构，减少整个电网的碳排放量。通过在居民区、工业区和商业区广泛安装光伏系统，不仅可以在本地消耗产生的电力，减少输电过程中的能量损失，也可以降低对传统电网的依赖，从而减少了由于电力生产和输电过程中产生的环境污染。分布式光伏系统的普及还促进了环保意识的增强。社区和企业通过安装光伏板，直观地看到能源的来源和使用效果，这种可见性强化了公众的环保意识和参与感。随着技术的进步和成本的降低，更多的家庭和企业能够承担起安装光伏系统的费用，从而加入到低碳生活的行列中。

三、分布式光伏电站对电网稳定性的负面影响及其解决方案

（一）电压波动与电压不稳定问题

分布式光伏电站的接入带来了诸多益处，然而也引发了电压波动与电压不稳定的问题。这主要是因为光伏发电的间歇性和不确定性，特别是在多云或雨天，太阳辐射的变化导致电压水平波动，影响电网的稳定运行。此类问题不仅对电网运行造成挑战，也影响了电力用户的用电质量。针对这一问题，动态电压支撑技术成为了有效的解决方案。这种技术利用先进的电力电子设备，如动态无功功率补偿器（D-STATCOM）和灵活交流输电系统（FACTS），在电网中动态调整无功功率，从而稳定电压水平。通过快速响应电网的无功需求，动态电压支撑技术能够及时补偿因光伏发电波动引起的电压变化，确保电压保持在一个稳定的范围内。这种技术的应用不仅限于单一的设备，还可以在电网的多个关键节点安装多个设备，形成一个协调控制的网络。通过这种方式，可以在整个电网范围内有效管理电压水平，特别是在光伏发电高度集成的区域。此外，现代电力系统中还经常使用先进的预测工具和实时监控系统，这些工具可以预测光伏发电的输出变化，为电压支撑设备的调控提供数据支持[4]。

（二）频率波动问题

分布式光伏电站虽带来清洁能源，但其间歇性和不可预测性可能导致电网频率波动。这种波动若未妥善管理，可能会影响电网的稳定性及电力设备的正常运行。面对这一挑战，需求侧管理与储能技术成为解决频率波动的有效手段。需求侧管理涉及对电力消费行为的调整，通过激励或直接控制措施，引导消费者在特定时段内增减用电量，以此来平衡电网负荷。例如，通过实施峰谷电价政策，鼓励用户在电力供应充足时使用电力，而在供电紧张时减少用电。这种策略不仅优化了电力资源的分配，也有助于缓解由于光伏发电波动带来的频率不稳定问题。与此同时，储能技术提供了另一种解决方案。电池储能系统能够在电力生成过剩时储存能量，并在需求高峰或发电不足时释放能量。这种能量的快速释放和吸收能力使得储能系统成为维护电网频率稳定的关键工具。储能技术的应用不仅限于化学电池，还包括抽水蓄能、压缩空气储能等多种形式，这些技术均能在需要时迅速响应电网的调节需求。通过整合需求侧管理和储能技术，电网运营商能更有效地管理电网负荷和频率稳定。在电网规模较大或光伏渗透率较高的情况下，这种整合尤为关键。它不仅能优化电力资源的使用，提高能源效率，还能减轻环境压力，促进可持续发展。

（三）电网保护与控制问题

随着分布式光伏电站的大规模接入，电网保护与控制面临新的挑战。传统电网保护系统设计基于集中式发电的稳定和可预测输出，而分布式光伏发电的不稳定性和不可预测性增加了电网运行的复杂性。为应对这些挑战，智能电网技术与先进控制策略的应用成为关键。智能电网技术通过实时数据收集、处理和分析，提高了对电网状态的监控能力。这种技术包括高级计量基础设施（AMI）、自动化配电系统和增强的通信技术。通过实时监控电网的运行状况，智能电网可以快速识别并响应光伏发电的波动和其他潜在的电网问题，如过载和故障，从而实现更加精确和及时的电网保护和控制。先进控制策略，例如自适应保护和远程控制系统，进一步增强了电网的稳定性和可靠性。自适应保护系统能够根据电网的实时运行条件自动调整保护设定，如断路器的触发时间和保护继电器的灵敏度，确保在光伏发电波动引起的异常情况下依然能够有效保护电网。远程控制系统则允许运维人员在控制中心远程监控和操作电网设备，提高了电网操作的灵活性和响应速度。此外，智能电网中的高级分析工具和大数据应用也为电网保护提供了支持。这些工具可以预测电网负载和发电变化，评估潜在的风险，并提出相应的调整策略[5]。这种基于预测的控制策略有助于电网运营商更好地安排电网的运行和维护，减少意外停电的发生。

（四）电网调度与管理问题

随着分布式光伏电站的大量部署，电网调度与管理面临新的挑战。这些挑战源于分布式光伏的不连续性和不可预测性，导致电网调度更加复杂。为了有效应对这些问题，集成能源系统和虚拟电厂的概念应运而生，为电网提供了新的管理策略。集成能源系统通过优化电力、热能和其他能源载体的综合使用，实现能源的高效配合和利用。这种系统能够跨多种能源形式进行调节和控制，从而更灵活地响应电力供需变化。例如，当太阳能发电量减少时，系统可以增加其他能源形式的输入，保证能源供应的连续性和稳定性。这种多能源的集成运用不仅提高了能源使用效率，也降低了对单一能源依赖所带来的风险。虚拟电厂则采用先进的信息通信技术将分散的能源资源，如风电、光伏、小型水电以及储能设备等，通过网络连接起来，统一调度管理。虚拟电厂可以视为一个复合的电力供应商，能够在电力市场上进行交易，实现对分布式电源的最优化运用。通过虚拟电厂，电网不仅可以有效管理分散的能源资源，还可以提高对电力需求波动的响应速度和灵活性。通过实时数据的收集与分析，虚拟电厂能够预测电力需求并调整电力供应，优化发电计划和调度策略。这种预测和调整机制使得电网能够有效地管理大量分布式光伏发电所带来的不确定性，减少因电力不平衡导致的负面影响。

四、结论

在中国，分布式光伏电站通过利用太阳能直接产生电力，有效提高了电力系统的灵活性和效率。这种发电方式不仅减少了传统能源的依赖和碳排放，而且通过分散式布局，减轻了中央电网的负担，提高了电力分配的效率。不过，分布式光伏的间歇性带来的电压和频率波动问题，需要采用高级的监控和数据分析技术进行管理。此外，分布式光伏电站的大规模接入对电网的保护与控制系统提出了新的要求，促进了智能电网技术的发展，从而加强了电网的整体韧性和稳定性。

参考文献：

[1]李申玲.大规模分布式光伏发电对电力系统的影响探讨[J].中文科技期刊数据库（引文版）工程技术,2022(1):10.

[2]梁波,王旭东,冯延坤.分布式光伏发电对电网的影响及应对措施[J].2022(12):135.

[3]张前,唐剑,通霏.分布式光伏电站并网对配电网影响及接入方式分析[J].电力设备管理,2023(2):25.

[4]高智慧.分布式光伏发电接入配电网的选址定容优化研究[J],2022(1):12.

[5]张建功,马阳阳.分布式电源光伏发电对低压电网的影响及路径研究[J].通信电源技术,2023,40(11):78-80.