光伏電站運行中存在的問題及對策

張雪榮

摘要：本文探討了光伏電站運行中存在的問題及對策。

關(guān)鍵詞：光伏電站電網(wǎng)運行

太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對的安全性、相對的廣泛性和免維護性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟性等優(yōu)點。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一種在國內(nèi)新興的發(fā)電項目，具有安全可靠、無噪聲、清潔能源以及資源豐富、沒有地域界線、建設(shè)周期短等特點而成為人們關(guān)注的熱點之一，它的應(yīng)用將大幅降低溫室氣體的排放，減少人類對化石燃料的依賴，有效降低環(huán)境污染，與傳統(tǒng)化石能源相比較具有明顯的環(huán)境效益。

1太陽能光伏發(fā)電站的主要構(gòu)件和工作原理

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，其關(guān)鍵元件是太陽能電池板。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，將一定數(shù)量的光伏組件組成串，通過直流匯流箱多串匯集，經(jīng)逆變器逆變與升壓變壓器升壓后，變成符合電網(wǎng)頻率和電壓等級要求的電源。即由一定數(shù)量的光伏組件→直流匯流箱→直流柜→逆變器→升壓變壓器的組合體構(gòu)成一個光伏發(fā)電單元，由一個或多個光伏發(fā)電單元的組合體就構(gòu)成一個光伏發(fā)電站。（如右圖）

在公網(wǎng)正常運行的情況下，光伏電站通過逆變器中的防孤島裝置對公網(wǎng)的電壓、頻率、相位、功率因數(shù)等進行不斷檢測，當(dāng)檢測到逆變器工作時的電壓、頻率與系統(tǒng)電網(wǎng)相一致，且功率因數(shù)又達到設(shè)定的要求值時，逆變器自動與系統(tǒng)并網(wǎng)運行，否則，逆變器會一直處于監(jiān)測過程中。

2光伏電站運行對電網(wǎng)的影響

光伏發(fā)電站作為可再生能源發(fā)電的重要組成部分，具有波動性和間歇性的特點，運行中的光伏電站易使電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染、電壓波動和閃變。

首先，光伏發(fā)電站并網(wǎng)運行會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。逆變器的防孤島保護采用被動檢測（檢測系統(tǒng)電壓、頻率）與主動移頻，不斷地對系統(tǒng)電壓、頻率進行擾動，在判斷是否孤島運行的同時，也使逆變器產(chǎn)生了諧波污染；另外光伏電站在將直流電能經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波交流電能的過程中會產(chǎn)生高次諧波，特別是逆變器輸出輕載時，諧波會明顯變大，在10%額定出力以下時，電流總諧波畸變率甚至?xí)_到20%以上。因此，在太陽能光伏發(fā)電站實際并網(wǎng)時需對其諧波電壓（電流）進行測量，檢測是否滿足國家標(biāo)準的相關(guān)規(guī)定，如不滿足，則需采取加裝濾波裝置等相應(yīng)措施，以避免對公網(wǎng)的電能質(zhì)量造成污染。

其次，光伏發(fā)電站易造成電網(wǎng)的電壓閃變。電站的啟動和停運與氣候條件等因素有關(guān)，其不確定性是造成電網(wǎng)電壓閃變的重要原因之一；同時，若光伏發(fā)電站輸出電壓突然變化，系統(tǒng)和反饋環(huán)節(jié)的電壓控制設(shè)備相互影響也容易直接或間接引起電壓閃變。

最后是對系統(tǒng)電壓的影響。光伏發(fā)電站的電壓波動可能是由于出力變化或者電氣系統(tǒng)引起，若大量光伏電站接入到配網(wǎng)的終端或饋線末端，由于存在反向的潮流，電站電流通過饋線阻抗產(chǎn)生的壓降將使沿饋線的各負荷節(jié)點處電壓被抬高，導(dǎo)致一些負荷節(jié)點的電壓越限。另外，光伏發(fā)電站輸出電流的變化也會引起電壓波動，當(dāng)光伏發(fā)電站容量較大時，將會加劇電壓的波動，可能引起電壓、無功調(diào)節(jié)裝置的頻繁動作，加大配電網(wǎng)電壓的調(diào)整難度。

3運行前期存在的問題及對策

太陽能光伏發(fā)電站的并網(wǎng)運行目前在國內(nèi)屬于新興事物，是大勢所趨。雖然光伏企業(yè)及電力部門都在積極探索中，但因缺乏經(jīng)驗及參考資料有限等原因，雙方配合起來還是困難重重。首先，光伏企業(yè)讓非電力專業(yè)的廠家來安裝調(diào)試專業(yè)監(jiān)控信號，專業(yè)術(shù)語溝通困難，造成遠動信息對接不規(guī)范；其次光伏企業(yè)電工屬臨時招聘，業(yè)務(wù)技能有限且水平參差不齊，造成操作管理困難；再次光伏企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)對電力行業(yè)標(biāo)準了解甚少，安裝設(shè)備不達標(biāo)、不規(guī)范，建站前期與電力企業(yè)缺乏溝通，工程草草了事后又急于驗收送電，結(jié)果適得其反，造成一項工程重復(fù)驗收、多次改動的被動局面，給雙方的人力、物力、財力都造成了不必要的浪費。目前偃師電網(wǎng)除已經(jīng)并網(wǎng)運行的阿特斯15個接入點30兆瓦光伏發(fā)電站外，方孔光伏電站的11個接入點20兆瓦分布式光伏發(fā)電項目也正在緊鑼密鼓進行中，并網(wǎng)運行已指日可待。為此我們及時總結(jié)經(jīng)驗，吸取教訓(xùn)，組織有關(guān)人員編寫了分布式光伏電站新設(shè)備并網(wǎng)的管理規(guī)定，以此規(guī)范光伏電站的并網(wǎng)運行，保證與之并網(wǎng)的公網(wǎng)安全；另一方面也給新建的光伏電站提供參考，使其在建設(shè)過程中盡量規(guī)范，少走彎路。

4運行中出現(xiàn)的問題及對策

太陽能光伏電站本身是依靠太陽光照進行發(fā)電，天氣的陰晴、太陽光照時間的長短、光照紫外線的強弱及所處環(huán)境對太陽能板的污染程度等都對光伏電站的發(fā)電量影響很大。因前期運行的阿特斯光伏電站沒有設(shè)計儲能設(shè)備，所發(fā)電量即發(fā)即用，一天中產(chǎn)生的負荷曲線、功率因數(shù)等也隨日出日落而變化明顯，這對安全、可靠、穩(wěn)定運行的電力系統(tǒng)來說無疑是一個致命的弱點。

公司調(diào)度管轄范圍內(nèi)的30MW分布式光伏發(fā)電項目，目前已并網(wǎng)運行15個發(fā)電站，分別通過10kV#1英岳線、2英岳線、2潘谷線、岳后線上網(wǎng)。其中一條10kV#1英岳線上光伏發(fā)電站的接入點就有10個之多，但接入容量僅10.75MW，屬于典型的接入點多面廣容量小的接線方式，給上網(wǎng)線路的安全、穩(wěn)定、可靠運行帶來了一定的負作用，直接導(dǎo)致線路工作時倒閘操作量大，停、送電時間延長，檢修維護麻煩以及線路跳閘時故障點查找困難等諸多問題，同時也給調(diào)控值班員平時的工作增加了難度。

按照國家標(biāo)準光伏電站均配置有防孤島保護。在公網(wǎng)突然失電時，防孤島保護將在2s內(nèi)動作將逆變器停運。由于阿特斯光伏電站目前并網(wǎng)運行的逆變器多達56臺，逆變器防孤島保護采用被動檢測與主動移頻相結(jié)合的檢測方法，理論上任何單臺運行的逆變器在公網(wǎng)斷電時均能立即并可靠動作將逆變器停止運行，但多臺逆變器并列運行時的防孤島保護動作可靠性問題目前在行業(yè)內(nèi)尚無成熟結(jié)論。

實際運行中，我們曾對接入點較少的2潘谷線做過防孤島保護的可靠性測試。斷開2潘谷1開關(guān)后發(fā)現(xiàn)2潘谷線上所帶光伏電站的電壓、電流、有功、無功等數(shù)據(jù)仍呈動態(tài)變化，且變化時間超過3分鐘，3分鐘后光伏電站遠動中斷，因此無法確定2潘谷線孤網(wǎng)運行的具體時間。

由于并列運行的多臺逆變器防孤島保護在一定條件下存在死區(qū)（逆變器型號不同時情況更嚴重），在上網(wǎng)線路斷電時極易造成孤網(wǎng)運行。投入重合閘的10kV或35kV并網(wǎng)線路在發(fā)生瞬時故障時，由于10kV和35kV開關(guān)均不具備檢同期能力，又極易造成非同期合閘，這將直接威脅開關(guān)、線路和主變的安全。

另外光伏電站的運行值班人員全部是從社會上臨時招聘，業(yè)務(wù)技能參差不齊且能力有限，這就造成對調(diào)度指令的理解和執(zhí)行均存在較大難度。

同時，光伏發(fā)電站并網(wǎng)的逆變器易產(chǎn)生高次諧波、三相電流不平衡等問題。通過對阿特斯光伏電站并網(wǎng)運行一段時間的觀察，發(fā)現(xiàn)天氣越晴朗，電壓波動越小，霧霾天氣對公網(wǎng)變電站的母線電壓波動峰值及頻率均影響較大。具體如下：

①公網(wǎng)變電站10kV母線電壓波動與所帶的光伏電站并網(wǎng)容量有關(guān)，容量越大，母線電壓波動越嚴重。②公網(wǎng)變電站10kV母線電壓波動與天氣密切相關(guān)，在高輻照度情況下，光伏電站并網(wǎng)時電壓波動甚微，在低輻照度情況下，光伏電站并網(wǎng)時會出現(xiàn)電壓波動，而且輻照度越低，電壓波動越嚴重。③公網(wǎng)變電站10kV消弧線圈投入后，未能抑制該10kV母線電壓波動情況，說明該情況為線性諧振的可能性不大，是否與公網(wǎng)變電站10kV系統(tǒng)其他設(shè)備共同作用形成鐵磁諧振或參數(shù)諧振還有待于思考。

針對運行中存在的問題，我們先后多次組織公司和光伏企業(yè)有關(guān)人員一起進行討論、分析，并最終形成了行之有效的解決問題的辦法。

①由于1英岳線上接入點太多，每次工作時都提前與有關(guān)部室及配電所溝通，采取集中人力、物力共同操作的方法，盡量縮短操作時間。②針對光伏電站的孤島運行問題，要求新建的伊濱區(qū)方孔光伏電站接入同一變電站的逆變器盡量采用統(tǒng)一型號；單條線路的光伏接入點應(yīng)盡可能的減少；接入點開關(guān)應(yīng)具備遠方操作功能且遙信功能準確可靠，保證在公網(wǎng)斷電的情況下能夠遠方操作。③對非同期合閘問題，我們制訂了《光伏電站運行管理辦法》，明確接有光伏電站的上網(wǎng)線路兩端重合閘退出運行，以解決非同期合閘問題。④針對光伏電站人員素質(zhì)參差不齊問題，我們有針對性地對光伏電站值班員進行了專項培訓(xùn)，并隨時解答他們提出的問題。⑤為了解決上網(wǎng)變電站母線電壓波動問題，我們與阿特斯光伏電站的有關(guān)技術(shù)人員進行了多次溝通，最終確定在每個逆變器上加裝濾波器，使其在檢測系統(tǒng)電壓和頻率的同時，濾波裝置能先將檢測到的不符合電網(wǎng)運行要求的高次諧波濾掉，再進行直流變交流的轉(zhuǎn)換，從而達到濾高次、通標(biāo)準諧波的目的。

經(jīng)過一段時間的運行觀察和調(diào)整，目前已經(jīng)并網(wǎng)運行的15個光伏電站全部運行平穩(wěn)、可靠，公網(wǎng)變電站的母線電壓也基本保持在合格范圍內(nèi)，達到了預(yù)期的效果。

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