光伏發(fā)電并網(wǎng)對東莞電網(wǎng)的影響及對策研究

摘 要：主要介紹東莞電網(wǎng)光伏發(fā)電并網(wǎng)現(xiàn)狀，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的形式及運行特點，研究光伏發(fā)電并網(wǎng)對東莞電網(wǎng)的影響，并對光伏發(fā)電并網(wǎng)運行對電網(wǎng)帶來的風(fēng)險進(jìn)行評價，提出相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；微電網(wǎng)；孤島效應(yīng)；最大功率跟蹤

引言

太陽能是可再生資源，它資源豐富，即可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境沒有污染，光伏發(fā)電是對太陽能的一種有效利用形式，為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)[1]，我國出臺了大量扶持政策促進(jìn)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)。將光伏發(fā)電系統(tǒng)接入到大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，與大電網(wǎng)互為支撐，是提高光伏發(fā)電規(guī)模的重要技術(shù)出路[2]。面臨大量光伏發(fā)電設(shè)備并網(wǎng)大電網(wǎng)運行的需求，除了在經(jīng)濟(jì)政策和法規(guī)方面需進(jìn)一步完善外，在技術(shù)層面能否解決好光伏發(fā)電系統(tǒng)接入大電網(wǎng)后兩部分均能安全高效運行這一重大問題，也是決定光伏發(fā)電能夠大規(guī)模進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。

1 東莞光伏發(fā)電并網(wǎng)的現(xiàn)狀

近年來，隨著東莞產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級，大批先進(jìn)制造業(yè)企業(yè)進(jìn)入東莞，加上東莞市政府出臺了一系列光伏產(chǎn)業(yè)扶持政策，東莞光伏發(fā)電有了長足的發(fā)展。截至2012年10月份，已經(jīng)并網(wǎng)及將要并網(wǎng)的光伏發(fā)電裝機容量超過14MW。

2 光伏發(fā)電的特點及分類

2.1 光伏發(fā)電的特點

通常光伏系統(tǒng)由光伏電池方陣、蓄電池、控制器、直流監(jiān)測匯流器、逆變器和交流配電柜等設(shè)備組成，光伏電池方陣負(fù)通過“光生伏特效應(yīng)”將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成工頻交流電。

與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比較，光伏發(fā)電的特點有：（1）受光照、溫度等因素的影響，輸出功率變化較快[3]；輸入側(cè)的一次能源功率不能主動在技術(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控，只能被動跟蹤當(dāng)時光照條件下的最大功率點；（2）光伏電池方陣輸出的電能為直流電，不能直接介入公網(wǎng)，必須通過逆變器轉(zhuǎn)換成工頻交流電。

2.2 光伏發(fā)電的并網(wǎng)形式

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的基本必要條件是，逆變器輸出之正弦波電流的頻率和相位與電網(wǎng)電壓的頻率和相位相同，目前光伏發(fā)電主要有發(fā)電側(cè)并網(wǎng)和用戶側(cè)并網(wǎng)兩種形式。

發(fā)電側(cè)并網(wǎng)是指光伏電站所產(chǎn)生的電能通過升壓變電站、中高壓輸電線路直接輸送至公用電網(wǎng)，再由通過配電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配給用戶。發(fā)電側(cè)并網(wǎng)適用于大型光伏電站并網(wǎng)，通常離負(fù)荷點比較遠(yuǎn)，荒漠光伏電站采用這種方式并網(wǎng)。

用戶側(cè)并網(wǎng)光伏電站是所發(fā)的電能直接就地分配給用戶使用，電力盈缺部分通過大電網(wǎng)來調(diào)節(jié)，與大電網(wǎng)之間的電力交換可能是雙向的，用戶側(cè)并網(wǎng)適于小規(guī)模用戶自備光伏電站，通常城區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用這種方式，特別是與建筑結(jié)合的光伏系統(tǒng)。側(cè)并網(wǎng)又分為可逆流系統(tǒng)及不可逆流系統(tǒng)兩種?？赡媪飨到y(tǒng)一般適用于小型分布式并網(wǎng)系統(tǒng)或自發(fā)自用的場合，多余或不足的電力通過電網(wǎng)調(diào)節(jié)；不可逆流系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能只能用于自用，不能上網(wǎng)，該系統(tǒng)具有并網(wǎng)但不上網(wǎng)的特點。

3 光伏發(fā)電并網(wǎng)對東莞電網(wǎng)的影響

光伏發(fā)電的運行特性與傳統(tǒng)發(fā)電廠具有很大的差異，其大規(guī)模并網(wǎng)必將給東莞電網(wǎng)帶來深刻的影響。

3.1 對電網(wǎng)調(diào)度運行的影響

光伏電站出力隨機性強，運行控制困難：光伏電站出力收光照的影響具有明顯的波動性和隨機性，當(dāng)光伏發(fā)電并網(wǎng)達(dá)到一定規(guī)模后，輻照強度短期波動和周期性變化將引起線路電壓、潮流超限，斷面交換功率的控制難度加大。因光伏電站自身無旋轉(zhuǎn)慣性環(huán)節(jié)，有功功率階躍性變化，使電網(wǎng)短期負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確性降低，增加了傳統(tǒng)發(fā)電和運行計劃的難度，需要增加電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用容量來保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

3.2 對電網(wǎng)安全及電能質(zhì)量的影響

已經(jīng)并網(wǎng)的光伏電站與主網(wǎng)非計劃解列可能帶來孤島運行問題。孤島效應(yīng)使電壓及頻率失去控制，孤島系統(tǒng)中的電壓和頻率將發(fā)生較大的波動，對電網(wǎng)和用戶設(shè)備造成損害。孤島效應(yīng)可能導(dǎo)致故障不能清除，干擾電網(wǎng)正常供電系統(tǒng)的恢復(fù)，使得一些被認(rèn)為已經(jīng)與所有電源斷開的線路帶電，給線路維護(hù)人員帶來點擊的危險。與電網(wǎng)非計劃解列的光伏電站重新并網(wǎng)時，存在非同期合閘，損壞斷路器的危險。

3.3 光伏發(fā)電并網(wǎng)對配電線路保護(hù)的影響

東莞低壓配電網(wǎng)為單電源放射狀結(jié)構(gòu)，采用三段式電流保護(hù)，不具備方向性。這種保護(hù)方式在現(xiàn)有的輻射型配電網(wǎng)上，能夠有效地保護(hù)全部線路。但是，在配電網(wǎng)中接入分布式電源后，其注入功率會使繼電保護(hù)范圍縮小，不能可靠地保護(hù)整體線路，甚至在其他并聯(lián)分支故障時，引起保護(hù)誤動作。

3.4 電力電子器件帶來的電能質(zhì)量問題

光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器采用高頻開關(guān)電子器件，易產(chǎn)生諧波。光伏電池陣列輸出的功率與環(huán)境因素密切相關(guān)，光伏電池的伏-安特性呈非線性，需要MPPT（最大功率點跟蹤）控制器找到光伏陣列在確定日照和溫度條件下輸出最大功率時對應(yīng)的工作電壓，以適應(yīng)環(huán)境的變化，輸出功率不確定性易造成電網(wǎng)電壓波動、閃變。

3.5 光伏發(fā)電并網(wǎng)使運行監(jiān)測的范圍大大延伸

電網(wǎng)調(diào)度運行必須隨時關(guān)注發(fā)電系統(tǒng)的運行工況，大量光伏發(fā)電系統(tǒng)通過中低壓配電網(wǎng)接入，使電網(wǎng)運行實時監(jiān)測的范圍需要有很大延伸；光伏發(fā)電作為新的發(fā)電模式，實時監(jiān)測的信息類型與傳統(tǒng)發(fā)電模式有所區(qū)別，必須對原有的電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展、升級。

3.6 光伏并網(wǎng)發(fā)電對配電網(wǎng)的規(guī)劃提出了新的要求

當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)將由原來單一電能分配的角色轉(zhuǎn)變?yōu)榧娔苁占?、電能傳輸和電能分配于一體的新型電力交換系統(tǒng)，使傳統(tǒng)的電力需求預(yù)測模型不再使用。在配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計中，需要考慮光伏電站并網(wǎng)的數(shù)量、規(guī)模，驗證各區(qū)域光伏電站并網(wǎng)的合適容量，考慮在極短情況下電網(wǎng)是否有足夠的備用容量保持電網(wǎng)的穩(wěn)定。

4 對策

光伏發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)運行必將稱為東莞電網(wǎng)未來的發(fā)展趨勢，在研究光伏發(fā)電并網(wǎng)對東莞電網(wǎng)影響的條件下，必須提前在技術(shù)層面提出應(yīng)對光伏發(fā)電并網(wǎng)的對策[4]。

4.1 研究光伏并網(wǎng)發(fā)電的運行控制理論與技術(shù)

建立精確的光伏發(fā)電的動態(tài)模型，是對光伏發(fā)電運行特性研究的前提。通過研究光伏電池的輸出特性，建立融合天氣數(shù)據(jù)的動態(tài)模型，分析不同運行條件下光伏發(fā)電的運行規(guī)律，提高光伏發(fā)電功率預(yù)測的準(zhǔn)確性，研究針對光伏發(fā)電特點的電網(wǎng)運行控制理論，為在不確定性因素較多的情況下制定切實可行的發(fā)電和運行計劃提供保障。

4.2 研發(fā)支撐光伏發(fā)電并網(wǎng)的監(jiān)測、保護(hù)與控制裝備

4.2.1 研究光伏發(fā)電對配電網(wǎng)中短路電流大小、流向及分布的影響，以及含光伏電源的配電網(wǎng)保護(hù)與控制技術(shù)，以保證故障的快速、可靠切除[5]。

4.2.2 光伏發(fā)電存在較大的不確定性，呈階躍性變化，諧波污染可能給所接入系統(tǒng)的用戶帶來電能質(zhì)量問題，需要研究新型的電能質(zhì)量綜合監(jiān)控技術(shù)及提高電能質(zhì)量的新星裝備。

4.2.3 光伏發(fā)電并網(wǎng)使配電系統(tǒng)的實時監(jiān)控趨于復(fù)雜化，電網(wǎng)運行需要監(jiān)測的信息類型和范圍增加，需要研發(fā)新型的配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。

4.3 健全光伏發(fā)電接入公共電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

為了保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，引導(dǎo)光伏發(fā)電有序地接入大電網(wǎng)，必須在國家現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)框架下根據(jù)東莞電網(wǎng)自身的提點，健全光伏發(fā)電接入公共電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

4.4 研究與應(yīng)用新型配電系統(tǒng)的規(guī)劃理論與方法

建立適應(yīng)光伏發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)電力需求預(yù)測模型，研究光伏發(fā)電電源的優(yōu)化配置，包括選址和容量，研究光伏發(fā)電輸出控制方式、接入位置和并網(wǎng)方式，研究其對電網(wǎng)諧波和電壓波動與閃變的影響等，從規(guī)劃層面保證配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保性和電能質(zhì)量的綜合優(yōu)化。

5 結(jié)束語

5.1 隨著國家對光伏產(chǎn)業(yè)的支持力度進(jìn)一步加大，光伏發(fā)電并網(wǎng)將迎來高峰期，大規(guī)模的光伏發(fā)電并網(wǎng)對東莞電網(wǎng)的影響與風(fēng)險評價工作將全面展開。

5.2 針對光伏發(fā)電并網(wǎng)對東莞電網(wǎng)的影響，必須盡快開展相關(guān)領(lǐng)域的研究工作，研究制定并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，運行規(guī)程，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

5.3 在光伏并網(wǎng)發(fā)電的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)還不完善的情況下，東莞供電局對并入東莞電網(wǎng)的光伏電站采取“用戶側(cè)并網(wǎng)，自發(fā)自用”，“只監(jiān)視、不調(diào)度”的原則，光伏發(fā)電項目在設(shè)計階段需要考慮光伏電站的容量占峰值負(fù)荷的比例，防止電能向公共電網(wǎng)倒送。

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