各國的分布式電源，尤其是以太陽能光伏形式為主的發電單元正在迅猛發展。德國70%以上的風電和光伏是通過35kV以下配電網并網，例如屋頂光伏已經增長到10GW以上的安裝量。雖然政府補貼按月下調，但由于電價飛漲，這一趨勢未見衰退。統計顯示，美國已經達到每四分鐘就有一個光伏系統被安裝的程度，屋頂分布式在其中的貢獻功不可沒。日本在過去的一年由于政策支撐和市場模式設計失敗，屋頂租賃等新興分布式模式未達到預期效果。日本地方政府力爭在今年改進中介方式，提高成交量，東京都將要求發電運營商就租金以外的收益方式進行提案，例如太陽能發電可用作應急儲備電源等。中國的分布式光伏在2013年更加大踏步前進，共有15個支持政策相繼出臺，從國務院、發改委、能源局到各部委。伴隨著支持政策，分布式安裝預期不斷攀升。“十二五”規劃的35GW光伏發電容量中，有20GW將為分布式發電。

從技術角度，即使是在新能源法EEG已經出臺近14年的德國，分布式光伏并網還是在給TSO和DSO們帶來不小的困難和“額外工作”，900家電力系統運營商中只有10%號稱可以讓光伏大規模的分布式接入（大規模接入的定義：光伏電源安裝量大于平均負荷值），并穩定運行其網絡。筆者就曾經有過給德國配電網運營商（DSO）提供光伏電站并網優化方案的經驗，在這一過程中開發商、設備商和電網運營商之間的并網技術博弈可見一斑。分布式光伏具體會對電網和用戶造成哪些影響，以下將有詳細的總結。

對配網局部電壓穩定的影響。中國早期建設的10kV配電線路多數是單輻射狀分布供電，系統安全性較低。在城區配電網絡建設與改造中逐漸考慮建立環網供電、開環運行的模式。在各種配網結構中，靜態和動態電壓的變化都會對線路保護、系統運行安全造成影響。穩態運行狀態下，電壓理論上沿傳輸線潮流方向逐漸降低。分布式光伏接入后，由于傳輸功率的波動和分布式負荷的特性，使傳輸線各負荷節點處的電壓偏高或偏低，導致電壓偏差超過安全運行的技術指標。圖1中描述了分布式光伏接入配電網對于局部電壓影響的原理，在大規模分布式光伏接入后，配電網局部節點存在靜態電壓偏移的問題。配網中尤其是低壓網絡對電壓變化比較敏感，若想抑制這種影響，需要在中低壓變化器選型中使用可控型變壓器。

圖一：分布式系統接入對配電網局部電壓的影響

對電網頻率穩定性的影響。德國大規模發展分布式光伏的經驗教訓告訴我們，小出力照樣會引起電力系統頻率穩定性問題。如前文所述，當德國分布式，尤其是屋頂光伏安裝容量達到3GW的水平后，德國具備的備用電源即所謂的一次調頻將不能滿足分布式光伏電源同時切出的出力損失。原因在于，德國中壓并網導則生效之前，舊的小型光伏逆變器設計參數中，當電網頻率超過50.2Hz即會直接脫網而不參與電網系統服務，即不對電力系統故障情況下做出貢獻。在其他光伏安裝量較多的國家，強調并網電源的頻率安全運行范圍和發生頻率過限后的脫網時間也逐漸在并網導則中體現。

對故障中短路電流的貢獻。傳統的同步機具有提供短路電流的能力，在與電網提供的短路電流疊加后可以確保線路保護在1~2個周波時間斷開。然而，光伏逆變器由于能量密度有限，其中電力電子元件過流能力限制，并不能提供較高的短路電流。通過實驗和動態仿真，一般認為光伏逆變器的短路電流只比額定電流大25%以內。即使在國際相關標準中，也只要求逆變器提供1倍額定的短路電流。這導致在大規模接入分布式光伏的情況下，傳輸線發生短路故障時，由于光伏逆變器短路電流能力不足，線路上的故障無法被檢測并且使保護響應。尤其是在傳統的三段式保護中，瞬時電流速斷保護可能會不能被識別。根據光伏電站并網分析經驗，并網點的短路電流主要由接入的主網提供，并網點連接的網絡是否“堅強”整體決定了分布式的短路能力。光伏發電站貢獻短路電流造成中低壓設備的改造問題，如對電流保護、中壓開關和電流互感器等元器件的重新選型。因此，光伏發電系統的短路電流貢獻應當在配電系統規劃、分布式系統設計中被充分考慮。

對電能質量的影響。諧波主要是指電流諧波，由光伏逆變器的電力電子元件引起，一般情況下只有通過測試分析才可以識別。閃變主要指電壓的快速波動引起用電端可人為感知的效應，光伏發電系統中也是由同時快速投切的并網逆變器造成的。如果分布式光伏逆變器出廠測試不達標，較差的電能質量最壞情況下會對附近發電系統、敏感用電設備、信號傳輸造成破壞和干擾。分布式光伏產生的諧波和閃變對電網和負荷的影響，除了以上提及的因素外，還依賴于并網點的短路容量和同一中壓升壓變下并網的分布式電源總量。太陽能光伏電站的電能質量應當滿足相關國家和地方并網標準，有關電流諧波和電壓閃變指標應當有具體量化。圖二即為按照德標分析的分布式光伏電站案例，可以看到低次諧波和中間諧波均有不同程度的超標，此案例電站需要進行重新測試或電能質量優化。

圖二：分布式光伏電站諧波計算和德標要求分析

分布式光伏對電能質量的影響還體現在快速電壓波動和閃變上。由于分布式光伏的出力由光照決定，并且并網型的光伏逆變器由可快速關斷的電力電子元件控制，這可能會造成局部配電線路的電壓波動和閃變，若加上負荷動態變化，將會引起更嚴重的結果。

對功率因數和無功配置的要求。配電網接入的光伏發電單元的功率因數應具備符合電網要求范圍內可調的能力，并且按照標準要求配置一定的無功功率。否則將給電網的建設帶來巨大的投資和電網損耗，比如配置短期使用但是數量級巨大的電網無功將是一項投資巨大的工程。由于逆變器的靜態無功能力是與控制策略，如是否無功優先控制和過載能力的設計相關，光伏逆變器靜態無功能力的充分應用，對于設備投資和電網安全起著重要作用。我國許多大型光伏和風電場都基本都要求功率因數要求在0.95（超前-滯后），不過對于逆變器本身的無功調節能力和過載能力未充分利用，從而造成加裝靜態無功補償裝置，增加不必要的動態響應故障和重復投資的問題。這里不排除有些電站加裝無功補償裝置是為了優化電壓指標，諧波和減小損耗方面的考慮。然而，由于光伏發電系統多數采用無功電壓控制，并使無功與有功控制解耦，配電網可等效為加入電容進行無功電壓補償。但隨著電容的加裝，可能會同配電網的電感系統形成自然諧振。

直流分量注入的影響。逆變器作為理想交流電源輸出的電壓應為正弦波，不含有直流分量。實際應用中，對于采用脈寬調制技術的逆變器，由于基準正弦波的直流分量、控制電路中運算放大器的零漂、開關器件的設計偏差以及驅動脈沖分配和死區時間的不對稱等原因，輸出電流都會含有直流分量。逆變器的輸出電流含有直流分量將對電網產生以下影響：1.在帶隔離變壓器的逆變器系統中，如果直流分量超過一定值，就會造成隔離變壓器飽和，導致系統過流保護，甚至損壞功率器件。2.在不帶隔離變壓器的逆變器系統中（10kW以下小型光伏系統），直流分量將直接對負載供電。對于非線性負載，直流分量會造成電流的嚴重不對稱，損壞負載。3.直流分量不僅給電源系統本身和用電設備帶來不良影響，還會對并網電流的諧波產生放大效應，從而產生電能質量問題。增加電網電纜的腐蝕；導致較高的瞬時電流峰值，可能燒毀熔斷器，引起斷電。國際上目前對直流分量上限規定基本一致，中國、美國、英國等的相關并網標準規定直流分量不允許超過每相電流額定值的0.5%。

對未來智能配電網規劃、設計的影響。隨著國網對智能電網發展的規劃，適用于中國國情的智能電網系統將會建成，作為整個電網總資產40-50%的配電網新規劃、新設計也勢在必行。傳統配電網的利用率較低，據統計，配電網網損占整個電網網損的80%以上。隨著新能源，尤其是分布式光伏的接入，智能配電網將面臨以下新的挑戰：1.大量中低壓配電網接入的分布式能源將徹底改變傳統配電系統單向潮流的特點，數以萬記的分布式光伏需要系統配備新的保護方案、電壓控制策略和檢測儀表以滿足雙向潮流等產生的問題；2.隨著智能電網概念的深入，需求側管理（Demand response）將對傳統配電網提出技術方面的新要求，傳統的發輸配用環節將在這一概念下逐漸在配用側逐漸深入延伸；3.在智能配電網中，數字化技術，如實時監控、資產管理和決策分析等方面將逐漸取代傳統的以模擬技術為基礎的配電網絡，這就對配電網的供電可靠性、電能質量、自動化的設計和規劃提出了更高級的要求。4.分布式光伏的大量接入加大了負荷預測難度，改變了既有的負荷增長模式，也使配電網的管理變得更為復雜。

本文作者長期從事國際新能源入網評估、方案設計和新能源電站建模仿真等工作。基于自我開發和國際流行的系統仿真軟件對大規模新能源接入和分布式并網進行評估和優化，以滿足各國規定的系統接入電網要求，提高發電質量，并提出改善方案。在配電網規劃方面，應用相應仿真工具對配電網進行智能規劃和區域負荷預測分析。范征，北京艾能萬德新能源技術咨詢公司總經理，從事新能源并網、配電網規劃、新能源城市規劃和電力軟件研發等工作。