大型并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目接入系統(tǒng)的分析研究

劉東斌

（金川集團(tuán)股份有限公司規(guī)劃發(fā)展部，甘肅 金昌 737100）

并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)是加快我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，開(kāi)創(chuàng)未來(lái)經(jīng)濟(jì)科技發(fā)展方向的重要措施。金川集團(tuán)股份有限公司十分重視可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用，分期規(guī)劃建設(shè)了200MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目。200MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目屬于大型光伏項(xiàng)目，如何既好又快的建設(shè)新型能源項(xiàng)目，保證系統(tǒng)和光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行，解決面臨的技術(shù)難題，是相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該積極投入討論的課題。

1 200MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成及主接線(xiàn)方案

200MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括多晶硅太陽(yáng)能電池、光伏陣列防雷匯流箱、直流防雷配電柜、500kW光伏并網(wǎng)逆變器（無(wú)隔離變壓器）、0.27/35kV（1000kVA）升壓變壓器、高壓配電裝置、環(huán)境監(jiān)測(cè)及監(jiān)控裝置、系統(tǒng)的防雷及接地裝置等。采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方案，將系統(tǒng)分成200個(gè)并網(wǎng)發(fā)電單元，合計(jì) 40個(gè)聯(lián)合單元組合后經(jīng)二次升壓至110kV升壓站后，分回路送出至電網(wǎng)。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)接入模式、規(guī)劃設(shè)計(jì)要求及接入方案的選擇

2.1 接入模式

200MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用不可調(diào)度式并網(wǎng)發(fā)電模式，相比于可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，減少了儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。對(duì)于發(fā)電量的增加和減少，完全由電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)一平衡管理。

2.2 并網(wǎng)接入系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)要求

1）接入容量

合理地確定接入電網(wǎng)的機(jī)組容量能夠保證光伏發(fā)電的可靠性和安全性。并網(wǎng)接入容量對(duì)系統(tǒng)總負(fù)荷具有一定比例，比例越高，系統(tǒng)備用容量要求越高，否則將會(huì)影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)光伏運(yùn)行特性及系統(tǒng)調(diào)峰的要求，并網(wǎng)接入容量一般按系統(tǒng)總負(fù)荷的30%以下考慮為宜。常規(guī)電源接入容量在考慮系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，按系統(tǒng)總?cè)萘康?%～10%選取考慮。

2）接入電壓等級(jí)

大型并網(wǎng)光伏電站電壓等級(jí)主要根據(jù)并網(wǎng)容量、電網(wǎng)接納能力、系統(tǒng)配置來(lái)考慮。送入容量越大，要求接入的電壓等級(jí)就越高。一般要求，200kW以下的機(jī)組接入400V電網(wǎng)，200～6000kW的機(jī)組以10kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，單機(jī)容量100～200MW的機(jī)組，一般宜接入110～220kV電壓電網(wǎng)。

200MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)分期規(guī)劃總裝機(jī)容量200MW，初步考慮按110kV電壓等級(jí)接入，同時(shí)根據(jù)對(duì)公網(wǎng)的保護(hù)隔離需求，也可以考慮按用戶(hù)330kV變電站的接入。

3）電能質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及要求

根據(jù)《光伏電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》的要求，并網(wǎng)光伏發(fā)電站電能指標(biāo)主要有諧波和波形畸變的限值要求、直流分量、頻率允許偏差范圍、公共連接點(diǎn)的電壓偏差限值、電壓不平衡度的數(shù)值、電壓波動(dòng)和閃變的具體要求，還提出了各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。

同時(shí)，規(guī)定了有功功率控制、最大變化率、起動(dòng)和停機(jī)的要求；規(guī)定了無(wú)功容量及無(wú)功電源、運(yùn)行電壓及調(diào)節(jié)、運(yùn)行測(cè)試及通信、信號(hào)的要求等。在《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》中，規(guī)定了并網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行異常及故障時(shí)的并網(wǎng)保護(hù)，主要有過(guò)、欠電壓、過(guò)欠頻率、防孤島效應(yīng)、恢復(fù)并網(wǎng)時(shí)間要求、防雷接地、短路保護(hù)、隔離和開(kāi)關(guān)設(shè)置、逆向功率保護(hù)等措施。還提出了絕緣、耐壓、接地、隔離等安全防護(hù)要求。

上述電能質(zhì)量及保護(hù)的規(guī)定，為光伏制造廠(chǎng)家、設(shè)計(jì)單位、并網(wǎng)管理單位、電站運(yùn)行單位提供了共同遵循的依據(jù)。

4）并網(wǎng)管理措施及要求

并網(wǎng)調(diào)度管理單位根據(jù)國(guó)網(wǎng)要求，為保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，除了對(duì)電能質(zhì)量和保護(hù)進(jìn)行了具體規(guī)定外，還提出了具體措施，也為設(shè)計(jì)單位提供了設(shè)計(jì)參考，為運(yùn)行單位提供了應(yīng)遵循的原則。一般有：

（1）新建光伏電站在升壓站接入系統(tǒng)應(yīng)應(yīng)具備提供實(shí)時(shí)信息的條件。主要包括并網(wǎng)狀態(tài)、光照數(shù)據(jù)（輻照度、空氣溫度等）、逆變器運(yùn)行信息（有功、無(wú)功、電流等）、逆變器狀態(tài)信息、無(wú)功補(bǔ)償裝置信息、并網(wǎng)點(diǎn)的頻率電壓信息、升壓站潮流信息及關(guān)口點(diǎn)電能信息。

（2）光伏電站應(yīng)在升壓站安裝故障錄波儀，記錄故障前10s到故障后60s的情況，按電網(wǎng)要求配備至省調(diào)和所屬地調(diào)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸通道。

（3）光伏電站起動(dòng)送電前須提供光伏電站運(yùn)行特性的測(cè)試報(bào)告。測(cè)試應(yīng)包含以下內(nèi)容：光伏電站有功功率控制能力、無(wú)功/電壓控制能力、電能質(zhì)量、低電壓耐受能力、相關(guān)涉網(wǎng)保護(hù)、運(yùn)行特性及省調(diào)要求的其他并網(wǎng)調(diào)試項(xiàng)目。

（4）光伏電站應(yīng)參與地區(qū)電網(wǎng)無(wú)功平衡及電壓調(diào)整，保證并網(wǎng)點(diǎn)電壓，滿(mǎn)足電壓控制曲線(xiàn)。

（5）光伏電站應(yīng)定期每日提交次日光伏發(fā)電功率申報(bào)曲線(xiàn)，由省調(diào)根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況，編制光伏電站次日計(jì)劃曲線(xiàn)?？梢愿鶕?jù)太陽(yáng)輻照度變化情況，當(dāng)波動(dòng)范圍超過(guò)計(jì)劃值的±20%及以上時(shí)，必須提前申請(qǐng)修改計(jì)劃曲線(xiàn)。

（6）光伏電站根據(jù)上級(jí)調(diào)度確定相應(yīng)運(yùn)行模式。主要有：最大出力模式、恒出力模式、無(wú)約束模式、聯(lián)絡(luò)線(xiàn)調(diào)整模式。調(diào)度根據(jù)光伏電站相關(guān)送出潮流約束情況，下達(dá)光伏發(fā)電出力曲線(xiàn)。

（7）光伏電站應(yīng)配置有功功率控制系統(tǒng)，具備有功功率調(diào)節(jié)能力，接收并自動(dòng)執(zhí)行省調(diào)發(fā)送的有功功率控制信號(hào)，確保光伏電站有功功率值符合給定值。光伏電站應(yīng)具有限制輸出功率變化率的能力。 在電網(wǎng)緊急情況下，光伏電站應(yīng)能快速自動(dòng)切除部分逆變器乃至整個(gè)光伏電站。

（8）光伏電站須安裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償容量應(yīng)滿(mǎn)足要求。功率因數(shù)應(yīng)能夠在-0.98～+0.98范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。光伏電站在其無(wú)功輸出范圍內(nèi)，能夠根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平，調(diào)節(jié)光伏電站的無(wú)功功率、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備投入量以及調(diào)整變壓器的變比，具備參與電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的能力。

（9）光伏電站應(yīng)配置電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的光伏電站電能質(zhì)量，符合國(guó)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)規(guī)定，并按照調(diào)度要求上傳有關(guān)信息。

（10）光伏電站還應(yīng)具備常規(guī)變電站的一般功能，如遠(yuǎn)方操作功能、頻率表等。

2.3 接入系統(tǒng)方案的選擇

1）電網(wǎng)特點(diǎn)

金昌電網(wǎng)有330kV金昌變電站3座；110kV變電站11座，總計(jì)容量達(dá)到3000MW，形成了主要以金昌變、雙灣變、東大灘變等3座330kV變電所互為備用為主干網(wǎng)絡(luò)的供電系統(tǒng)。其中110kV電網(wǎng)作為高壓配電網(wǎng)主供電網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)上級(jí)電網(wǎng)和電源的分布，形成了以永昌電廠(chǎng)、金昌變、雙灣變、東大灘變及寧變?yōu)楣╇婋娫吹墓╇娋W(wǎng)絡(luò)。

2）系統(tǒng)接入方案的規(guī)劃選擇

電源接入規(guī)劃內(nèi)容主要包括根據(jù)電力負(fù)荷預(yù)測(cè)分析、電網(wǎng)電源規(guī)劃情況，經(jīng)過(guò)電力電量平衡，及潮流計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算、短路電流計(jì)算、無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算等電氣計(jì)算，最終確定系統(tǒng)接入方案。

受光伏項(xiàng)目所處的位置、上網(wǎng)半徑內(nèi)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)有電壓等級(jí)的配置等因素的影響，規(guī)劃設(shè)計(jì)從傳輸效率、電網(wǎng)資源、技術(shù)要求、就地平衡消納情況考慮，分別提出從雙灣變、東大灘變、寧變的110kV間隔接入和從雙灣變、東大灘變的330kV間隔接入的方案。初步考慮了110kV和330kV兩種接入方式合計(jì)5個(gè)方案。最終的確定，由電網(wǎng)公司綜合各方面因素考慮。

3 影響并網(wǎng)接入系統(tǒng)的要素分析

1）并網(wǎng)逆變器輸出電能品質(zhì)的影響

光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電主要核心是光伏組件和逆變器，電能品質(zhì)的變化產(chǎn)生及調(diào)節(jié)與傳統(tǒng)電源完全不同，具有逆變器諧波和抗過(guò)流能力差的缺點(diǎn)，存在潛在污染的可能性。

因此，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)使用的并網(wǎng)光伏逆變器必須具有高品質(zhì)的電能輸出。目前，太陽(yáng)能光伏逆變器都配置有高性能濾波電路，使得并網(wǎng)光伏逆變器交流輸出的電能質(zhì)量初步滿(mǎn)足公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量的各項(xiàng)要求。

對(duì)于并網(wǎng)光伏電站輸出的電能品質(zhì)，電網(wǎng)運(yùn)行管理單位也采取了不同的控制管理措施，主要包括光伏電站配置要求、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和手段，以及保護(hù)、切除、隔離措施等。

2）并網(wǎng)光伏發(fā)電的運(yùn)行特性影響

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，通常在實(shí)測(cè)天氣條件下，理想模型的光伏發(fā)電出力特性是：考慮夜間，出力分布＜10%占大部分；不考慮夜間，出力范圍很廣，從40%～90%峰值出力的概率在10%以上。最大出力時(shí)間集中在12:00－15:00。

這種運(yùn)行特性，導(dǎo)致并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由于光資源特性而產(chǎn)生的不規(guī)律性、間歇性、波動(dòng)性以及發(fā)電設(shè)備逆變器諧波及抗過(guò)流能力差、光伏電池暫態(tài)無(wú)慣性等特點(diǎn)，也決定了光伏發(fā)電出力特性的特殊性。

因此，并網(wǎng)光伏發(fā)電的起伏波動(dòng)，一方面對(duì)負(fù)荷用戶(hù)存在擾動(dòng)的可能；另一方面，電網(wǎng)配置要考慮實(shí)時(shí)進(jìn)行負(fù)荷平衡，配備必要的備用容量。

3）光伏電站容量的大小對(duì)系統(tǒng)的影響

并網(wǎng)光伏發(fā)電容量（即并網(wǎng)光伏最大出力與系統(tǒng)最大負(fù)荷的比值）的增加，給電網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行、安全和穩(wěn)定帶來(lái)新的難題。

具體表現(xiàn)在對(duì)傳輸電網(wǎng)規(guī)劃電網(wǎng)冗余度、大范圍的資源配置能力、遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)、電網(wǎng)控制技術(shù)的影響，對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃中的配電網(wǎng)容載比、配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)及保護(hù)、計(jì)量、通信、自動(dòng)化的二次系統(tǒng)的規(guī)劃，對(duì)電源規(guī)劃中的常規(guī)電源的建設(shè)規(guī)模、調(diào)峰電源需求、常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力都存在相當(dāng)程度的影響。

金昌電網(wǎng)供電能力達(dá)到3000MW，最大負(fù)荷達(dá)到920MW。按20%計(jì)算，系統(tǒng)滿(mǎn)足200MWp并網(wǎng)光伏的能力。

4）對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)峰的影響

根據(jù)相關(guān)研究資料表明，當(dāng)光伏最大出力容量占系統(tǒng)最大負(fù)荷比例小于10%時(shí)，接入后等效最大峰谷差達(dá)到20%，光伏電站對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰影響較小。當(dāng)光伏最大出力容量占系統(tǒng)最大負(fù)荷比例達(dá)到50%時(shí)，接入后等效最大峰谷差達(dá)到62.3%，常規(guī)火電機(jī)組不能隨意起停，當(dāng)達(dá)到50%時(shí)，系統(tǒng)調(diào)峰能力將不能滿(mǎn)足要求。

5）對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響

并網(wǎng)光伏發(fā)電具有光伏電池電磁暫態(tài)無(wú)慣性的特點(diǎn)，不具備傳統(tǒng)電源的穩(wěn)定特性，在發(fā)生電網(wǎng)異常時(shí)，出現(xiàn)短路故障、失電和過(guò)流時(shí)即從網(wǎng)上切除，進(jìn)一步影響系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)，降低了系統(tǒng)的可靠性。

6）出現(xiàn)短路及低電壓時(shí)光伏組件的保護(hù)功能對(duì)系統(tǒng)的影響。

由于具有“在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，停止輸出，斷開(kāi)與電網(wǎng)的聯(lián)系”的特點(diǎn)，不能考慮作為應(yīng)急電源，對(duì)于大型光伏電站集中接入，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，還有可能產(chǎn)生故障堆積效應(yīng)，擴(kuò)大故障范圍。這就與常規(guī)的系統(tǒng)安全自動(dòng)穩(wěn)定裝置的配置帶來(lái)難題，對(duì)相應(yīng)的系統(tǒng)穩(wěn)定措施要專(zhuān)項(xiàng)考慮。

4 光伏發(fā)電并網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)及建議

1）光伏發(fā)電系統(tǒng)的配置與檢測(cè)功能必須完備，并達(dá)到相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2）系統(tǒng)自動(dòng)穩(wěn)定裝置應(yīng)根據(jù)光伏特性相應(yīng)設(shè)置，調(diào)壓、調(diào)頻、調(diào)功、自動(dòng)電源投入、自動(dòng)按頻率減負(fù)荷、自動(dòng)重合閘等功能均與傳統(tǒng)意義的設(shè)置有所區(qū)別，光伏元件的選擇及控制功能的配置必須具備相應(yīng)的條件。

3）系統(tǒng)的接口處理包括了逆變器參數(shù)監(jiān)控與通信、光伏電站升壓變參數(shù)的監(jiān)控與通信、系統(tǒng)接入升壓變的監(jiān)控與通信。在這三級(jí)接口處理中，要考慮分層、分類(lèi)、分區(qū)的處理方式，既要保證光伏電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，也要保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，尤其對(duì)于大型光伏電站的切除，要考慮逐級(jí)切除措施。

4）對(duì)于目前光伏電站本體發(fā)展快、配套電網(wǎng)配置跟不上的現(xiàn)狀，可以充分考慮分期、分批、多接點(diǎn)接入，應(yīng)盡量避免大型光伏電站集中接入電網(wǎng)的方式。

5）對(duì)光伏電站的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)意義的發(fā)電不同，要全面考慮采用新技術(shù)。在檢測(cè)項(xiàng)目上，不僅考慮被動(dòng)測(cè)量電壓幅值、頻率沖擊、諧波、相位跳變，還要考慮主動(dòng)改變系統(tǒng)輸出功率及負(fù)載、主動(dòng)改變頻率漂移措施等。重點(diǎn)落實(shí)影響光伏電站與電網(wǎng)運(yùn)行的電壓電流控制技術(shù)、負(fù)載啟動(dòng)性能及快速響應(yīng)、系統(tǒng)各種保護(hù)功能等關(guān)鍵技術(shù)。目前，光伏控制領(lǐng)域提出了智能控制、微電網(wǎng)的概念，全面落實(shí)各項(xiàng)控制措施將是全行業(yè)努力的方向。

6）盡快加速系統(tǒng)光伏配套備用容量的建設(shè)。當(dāng)前，包括金川集團(tuán)200MWp規(guī)劃項(xiàng)目在內(nèi)，金昌市報(bào)送光伏發(fā)電項(xiàng)目合計(jì)870MWp，但金昌市總體負(fù)荷按2011年統(tǒng)計(jì)為920MW，近期內(nèi)全面建設(shè)所規(guī)劃的容量，對(duì)電網(wǎng)安全是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。由于光伏出力的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)配備的旋轉(zhuǎn)備用容量需要大幅配套。應(yīng)該考慮，在系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃的前提下，就地平衡，合理配置資源，降低遠(yuǎn)距離輸送，并集中社會(huì)優(yōu)勢(shì)資源，加快配套備用容量的建設(shè)，為光伏發(fā)電的穩(wěn)定性創(chuàng)造良好條件。

7）利用甘肅風(fēng)光能源的優(yōu)勢(shì)，加快配套輸送電網(wǎng)建設(shè)，盡快形成電力外送的格局。金昌地區(qū)地處西部，日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)能資源豐富，地域開(kāi)闊平坦，年平均輻射總量在6156MJ/m2，具備利用戈壁荒灘建設(shè)大型光伏電站的優(yōu)越條件。但電網(wǎng)外送條件還不具備大批建設(shè)光伏電站的條件。目前，青海、內(nèi)蒙、寧夏均提出百萬(wàn)千瓦光伏規(guī)劃。根據(jù)國(guó)家可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，至2030年光伏發(fā)電比例在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占主要比例。甘肅省在這經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型跨越的關(guān)鍵時(shí)刻，應(yīng)該充分利用這個(gè)契機(jī)，加快電網(wǎng)輸出建設(shè)將是一個(gè)明智的選擇。

5 結(jié)論

光伏發(fā)電作為國(guó)家倡導(dǎo)的新能源項(xiàng)目，在西部地區(qū)得到了迅猛發(fā)展，成為眾多企業(yè)轉(zhuǎn)型跨越發(fā)展的最新投資領(lǐng)域。然而，光伏發(fā)電項(xiàng)目的飛速發(fā)展又受到接入電網(wǎng)眾多技術(shù)條件的限制。一方面電網(wǎng)配套建設(shè)不足；另一方面，電網(wǎng)對(duì)接入的光伏發(fā)電也存在諸多要求。通過(guò)對(duì)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)接入系統(tǒng)的初步分析與研究，可以為相關(guān)投資企業(yè)提供一個(gè)借鑒。

[1]GBZ19964《光伏電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》.

[2]GB/T19939-2005《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》.

[3]電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院編.電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:中國(guó)電力出版社, 2005:46-353.