从分布式光伏电站与配电网之间的相互影响：谈逆变器技术的创新发展方向2

II.配电网对分布式光伏电站的影响

下面，作者介绍一下配电网的故障对分布式光伏电站所造成的影响，以及分布式光伏电站对电网的一个反馈。

电压跌落与电压骤升
电压跌落（又可称dips）是指在某一时刻电压的幅值突然偏离正常工作范围，经很短的一段时间后又恢复到正常水平的现象。电压跌落的根本原因是流经系统的电流突然升高，通常是两种情况：短路电流或者大负载的切换（例如，异步电机的启动）。目前，多数国家的技术标准都用跌落的幅值和持续的时间作为描述电压跌落的特征量，但对幅值大小和持续时间的界定范围还未形成统一的标准。以欧标为例，电压下降范围在10～99%之间，持续时间在10ms到1min之间的都定义为电压跌落。电压跌落和短路断路同为电力系统中最严重的电能质量干扰，严重时可以导致设备失效，它们也是衡量一个电网供电质量的基本指标。

电压骤升是指电压暂时性上升了额定电压的10～80%，持续时间为10ms到1min。这个时间通常与电力系统故障的条件相关联，例如单相接地故障会暂时性引起电压骤升。一般来说，对于接地的电力系统来说，电压骤升发生的几率小于电压骤降。

电网的电压骤降对分布式光伏电站会产生影响，反过来，分布式光伏电站会同样引起电网运行的扰动。比如，在低电平，一个装机容量规模较大的分布式光伏电站由于电网的扰动突然与整个电网断开，紧接着这种突然断开会反过来影响电网的稳定性。由此可以判断，合适的分布式电站安装策略是单个电站装机容量规模小，但电站的数量多，分布广泛。

低电平的电网扰动引起分布式光伏电站的断开，突然的断开又反过来导致电网扰动会迅速传导到更大区域内，然后再接着引起分布式光伏电站输出功率的锐减。这一现象说明，随着分布式光伏电站渗透率的提高，“电网出现故障，第一时间与电网断开”这一设计理念不再适合于分布式光伏电站。这就要求分布式光伏电站具有类似风力发电控制系统所要求的低电压穿越的功能。

谐波和间谐波电压
电压扰动是公共配电网中存在的主要电能质量问题。而由电网中非线性荷载引发的电压谐波是引发电压扰动的主要原因。间谐波往往由较大的电压波动或冲击性非线性负荷所引起，如各种变频调速装置等为间谐波波源。

逆变器对于电压的谐波和间谐波都是非常敏感的，尤其是逆变器进行电能转换阶段，电网电压出现电压和频率出现波动的时候。欧洲的研究人员证明，电压谐波和间谐波的叠加会对逆变器产生很多危害和严重的影响，但是这一点在中国大多数逆变器厂家的设计中并未引起足够重视。

III.逆变器的未来研发方向
今天，中国的逆变器制造业取得了长足的进步，产品质量不断提升，在国际逆变器市场也争取到了一席之地。但是目前还处于模仿制造阶段，缺少自主技术创新。从业者都清楚，有原创的技术创新，中国企业才会有国际市场份额，才会有民族品牌的崛起。

下面，作者提出几个逆变器技术创新突破的方向，供国内逆变器厂家参考。

逆变器控制配电网的电压波动
在并网点处，分布式光伏电站引起电压骤升，限制了电能并网的能力，尽管很多解决办法被提出来解决电压波动的问题，比如过电压保护等。但是通过逆变器来控制电压是一种最经济，最方便的方式。

欧洲相关研究表明，弱电网中使用的逆变器，未来的一个趋势就是整合电压调控功能，这一点也会体现在今后IEC的技术标准中。由于光伏电站自身运行变化（比如突然的阴天）所引起的电压变化，事实上不会影响电网的电压，因为这种光伏电站自身的电压变化在速度上是非常缓慢的，而且如果光伏电站的输出功率是面对一个较大的地理范围，这种变化对配电网电压的影响更加小。所以逆变器的功能应该更多的是调控电网并网点处配电网一侧的电压。

逆变器的防谐波电流
按照IEC61000系列标准设计的逆变器，由其引发的谐波电流问题可以忽略不计。光伏系统引发的直流插入问题，目前也未发现对电网运行产生影响。对于单相16A的大型逆变器，目前国内尚无专属的设计规范，但是这一类大型逆变器也会大量应用于分布式光伏电站中。而单相16A的大型逆变器是有可能引发电流谐波的问题，这一点需要重视。

逆变器提高短路容量
在使用地下电缆网络的城市地区，来自于光伏系统的电流与整个网络的短路容量相比是非常小的，在故障排除时，不会产生反作用。

但是当具有高渗透率的分布式光伏电站，在具有高阻抗的线路末端一旦发生故障，光伏系统的电流可能会影响故障检测与故障排除。在今后的设计中，逆变器被要求按设计规定，提供短期过载电流，一般来说是额定电流的300%，与电网保护装置相协调来帮助故障排除。

逆变器的“低电压穿越”
电压的突升与突降会引发逆变器保护功能的操作跳闸。这种灵敏度会增大过载条件下电网的不稳定性，尤其是对于装机容量较大的分布式光伏电站所在的电网区域，这一问题会更加突出。

随着中国分布式光伏电站的渗透率越来越高，对逆变器的各项技术要求也会不断提高，尤其是会要求应用于分布式光伏电站的逆变器具有“故障穿越”的功能，类似于应用于风电分布式技术中的“低电压穿越”。

逆变器抵抗电磁感应压力
目前，根据欧洲关于负载与发电量季节性波动强烈的分布式发电（包括风力发电与光伏发电）的研究表明，使用具有低电压穿越功能的逆变器，可以用较低的成本大幅度的降低分布式电站与其相联的当地电网的运行风险。但是同时必须指出的是，逆变器执行低电压穿越功能，其电子元件的寿命会大幅降低，这主要是由于电磁感应压力所造成的。

这也为中国光伏逆变器企业出了一个科研课题，设计和生产可以抵抗电磁感应压力的电子元件。

逆变器对电网事故的免疫力
逆变器需要对电压的谐波和间谐波具有很强的免疫力，目前的脉宽调制逆变器，对电压谐波并不敏感，但是对于电压间谐波非常敏感。因此未来逆变器一个重要的研究方向是，要求逆变器对电压间谐波同样具有较强的免疫力，而且要着重研究，逆变器如何预防，谐波与间谐波叠加造成的伤害。

在作者同国内几家著名的逆变器生产商的售后技术支持人员的交谈中得知，部分厂家有防谐波危害设计，但是所有的品牌的逆变器对如何预防电压谐波和间谐波叠加这种危害仍是个空白。

逆变器的削峰填谷
逆变器结合用电需求侧管理（Demand Side Management）开创了一种可能性，将电网用户变为一个积极的电能消费者，也是电能管理者。从我国近年来来的电力持续负荷统计来看，全国95%以上的高峰负荷年累计持续时间只有十几到几十个小时，其他时间电力供应是相对充足的，很显然采用增加调峰发电装机的方法来满足这部分高峰负荷很不经济。

因为光伏发电的高峰基本和居民白天用电高峰的时间轨迹相吻合，如果采用分布式光伏电站结合需求侧管理的方法削减这部分高峰负荷，则可以大大缓解电力供需紧张的压力。这又为逆变器制造企业提了一个新的方向，结合用电需求侧管理（Demand Side Management），将逆变器变身为电力智能管理中心。

结语
截至2014年5月，欧洲大约安装了4个多GW的分布式电站，其中80%是分布式光伏电站，在分布式电站设计与建设方面积累了相当丰富的经验，技术方面已经非常成熟。中国的分布式能源，尤其是分布式光伏电站的建设刚刚起步，尚缺乏各方面的经验。

目前中国关于分布式光伏电站的建设标准，运行时的控制设置，与电网并网的具体要求等，国内尚缺乏一个完整的技术标准体系，各个省甚至各个地区都有不同的要求，这大大制约了一次性集中解决分布式光伏电站与电网互动中的一些问题的可能性。分布式光伏电站技术标准化体系的建立，可以大大促进光伏发电技术与电网更好的融合。

而且有一些问题，是和当地具体条件相关联的。比如地下电缆网络的铺设，又如农村电网中广泛使用的具有较高电感性阻抗的高架线路，这些都可能会影响分布式光伏电站与电网的互动。

现在应用在分布式光伏电站中的逆变器，不单单是将直流电转换为交流电，这样一个简单的功能。它还提供了很多的附加功能：比如，与电网的管理相协调，提升电能质量；结合储能设备，提高电网的稳定性；避免运行孤岛现象以及削峰填谷。未来对于逆变器的设计要求，要求逆变器对于这些电网的故障具有很强的免疫性；要保证分布式光伏电站的输出功率保量，也要对电能质量保质。

逆变器的第一级目标是保质保量的为电网提高太阳能转换来的电能，第二级目标就是增加其对电网运行可靠性的可调控性，同时逆变器要有能力对电网的很多事故具有免疫性。

逆变器未来一个重要的发展方向就是沟通分布式光伏电站与电网，同时对两侧进行多样控制操作，包括电网产生的电压波动，电流谐波等。这要求逆变器整合电压控制技术，电流控制的可靠性控制算法，既要有短路容量的提升，也要有可靠性标准的孤岛检测。积极整合分布式光伏电站和电网，将用电需求侧管理于光伏逆变器技术做结合，将逆变器打造为智能电力管理中心，这将是未来的发展方向之一。

这一系列逆变器技术研发，后面要跟上的是国家专门针对逆变器的技术规范的及时出台。同时电力管理部门和政策制定部门，要着手将逆变器的调控功能纳入到电网调控体系中来。让逆变器技术和光伏技术一起引领中国一场从化石能源到可再生新能源，从集中供电到分布式的技术革命。

后言-写给中国逆变器行业企业管理层的话
未来20年，当分布式能源的渗透率超过10～20%，这一具有特殊意义的值后，未来配电系统将变成一种功率交换媒体，即它能收集电力并传送和分配它们；换而言之，将来它可能不是一个‘配电系统’而是一个‘电力交换系统(Power delivery system)’。

当配电系统出现这样一个革命性的变化，对整个世界来说，这是一场能源管理与消费方式的革命，没有任何一个国家可以置身浪潮之外。作者本人把它称之为第二次能源革命，19世纪以来化石能源主导的年代是第一次能源革命的产物，整个世界使用这一体系长达200年左右。”第二次能源革命“会对未来电网的基础设施建设产生一个深远的影响，也就是未来国家基础建设投资的一个很大比例是电网改造工程，这样一个电网改造工程会再次拉动中国的能源相关类企业与电力系统配套产业出现一个井喷式的发展。

分布式发电具有分散、随机变动等特点，大量的分布式电源的接入，将对配电系统的安全稳定运行产生极大的影响。逆变器是提高未来配电网运行可靠性的关键一环。

用电需求侧管理结合逆变器将会以”智能电表+逆变器+监控系统“的整个智能电力管控系统的形式走入千家万户，替代今天的家用电表，成为未来主流的电能管理系统。这是一条清晰的更新换代路线，电能计数器，从单向电表到双向电表，双向电表到智能电表，智能电表到智能电力监控系统。

光伏逆变器是整个分布式光伏发电的核心技术环节，可以说它是分布式光伏发电的灵魂。今天中国90%的光伏逆变器制造设计企业，仍然用孤立的眼光把逆变器视为一个独立的系统，局限于光伏系统之内，而没有把逆变器的功能拓展到电网可靠性管控上面。充分利用逆变器的控制功能，并将其整合到电网管理框架中，这样可以将逆变器产业的经济效益挖掘到最大，让中国的光伏逆变器制造业，做大做强。当然想让市场做大，企业做强，一个专门具有针对性的专门应用于分布式光伏发电中的逆变器行业技术标准是必不可少的。

中国企业仍然只是处于，在对西方的技术进行学习和模仿阶段，这不是因为中国逆变器企业的工程技术人员的技术水平处于学习和模仿阶段，缺乏创新力，而是企业管理者和相关技术人员的技术前瞻与技术视野有相当大的局限性，也就是说我们看不到那么，也就没有创新的思维。

中国企业的发展规划大多是：”活5年，做10年，赚到钱就走，或转型或退隐“。管理者对企业生命周期信心的不足，也导致了在技术前瞻性，创新性方面的严重缺失。试想一个人觉得自己只有 5年的生命，会想5年以后的事情吗？中国企业总是习惯于，西方国家先科技创新后，然后亦步亦趋的模仿，然后所有人都说”中国企业缺乏创造力“。这真的冤枉了很多技术人员，希望企业决策者和管理者却把企业发展计划的时间跨度拉长，从五年到十年，从十年到五十年。

只有看的到未来，才会为未来规划，并试着掌握未来。

中国人过去是依靠家族传承，对个体而言，没有来世，只有今生。虽然个体的生命是短暂的，但是企业本身是可以传承的。一个企业可以传承的不单是产品，更是文化与精神，乔布斯的儿子没去掌控苹果，但是乔布斯的伟大名字与苹果公司一起被传颂。
（来源：《光能》杂志，作者：广东保威新能源有限公司徐强）