分析大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響

（國網(wǎng)山東濟(jì)南市歷城區(qū)供電公司，山東濟(jì)南，250100）

分析大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響

李 娟

（國網(wǎng)山東濟(jì)南市歷城區(qū)供電公司，山東濟(jì)南，250100）

本文從大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)的內(nèi)涵和建模兩個(gè)方面對大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)進(jìn)行了闡述，著重分析了大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響，從而為我國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

大規(guī)模；光伏發(fā)電入網(wǎng)；電力系統(tǒng)；影響

0 前言

近年來，全球的經(jīng)濟(jì)面臨著資源與環(huán)境的雙重壓力，世界各國也不斷加大對發(fā)展新型能源的重視程度。尤其是在電力產(chǎn)業(yè)中，傳統(tǒng)的發(fā)電方式以火力發(fā)電和水利發(fā)電為主，這就使得煤炭資源日益枯竭，加上逐漸嚴(yán)峻的水資源污染現(xiàn)狀，如何改變傳統(tǒng)的高耗能發(fā)電方式是電力企業(yè)高度關(guān)注的研究方向。

1 大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)的概述

在光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展中，其在電力系統(tǒng)中的比例呈現(xiàn)直線上升的趨勢，從某種程度上講，光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的整體規(guī)劃、調(diào)度以及控制等方面都產(chǎn)生了一定的影響，因而也逐漸引起了人們的高度關(guān)注。

1.1 大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)的內(nèi)涵

自光伏發(fā)電應(yīng)用以來，其發(fā)電總量以每年20%以上的速度持續(xù)增長，尤其是在國外的一些發(fā)達(dá)國家，紛紛制定了光伏發(fā)電政策和相關(guān)規(guī)劃，加大了光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，并促使其由偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電朝著城市生活用電的方向前進(jìn)。就光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀來說，發(fā)展最為迅速的是光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，其應(yīng)用原理如下：光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)主要依據(jù)光伏電池方陣而形成電流，并通過將電流送入到并網(wǎng)變壓器和逆變器進(jìn)行運(yùn)行后便直接輸送至公共電力系統(tǒng)中，因而省略了蓄電池的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，降低了能量損失，減少了投入成本，也使得占地空間更小，防止蓄電池發(fā)生污染現(xiàn)象。與此同時(shí)，光伏發(fā)電還具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)能夠根據(jù)負(fù)荷量對供電量進(jìn)行調(diào)節(jié)，擁有很強(qiáng)的影響；光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部并沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此不容易被損壞，維護(hù)起來也很方便，非常適用于無人看守的區(qū)域；還有就是光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的操作性很靈活，具有較強(qiáng)的災(zāi)害適應(yīng)能力，與此同時(shí)還可以平衡電網(wǎng)機(jī)組之間的負(fù)荷量，降低線路中的不必要損耗。此外，當(dāng)前大規(guī)模光伏發(fā)電也采用入網(wǎng)的形式，但由于其內(nèi)部的逆變器離散動(dòng)作，加上發(fā)電過程具有間隙性，就會(huì)使得在輸送電網(wǎng)功率的過程中影響整個(gè)電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，進(jìn)而給電能的質(zhì)量帶來一定的波動(dòng)，總之，要想確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，就需要對大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)問題進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的解決辦法。

1.2 大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)的建模

基于以上所述，光伏發(fā)電并網(wǎng)在應(yīng)用過程中具有很大的優(yōu)勢，但與此同時(shí)，受到光伏電池的隨動(dòng)性、逆變器的離散型等缺點(diǎn)的影響，光伏發(fā)電入網(wǎng)會(huì)引發(fā)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定等相關(guān)問題，因而就需要分析光伏發(fā)電入網(wǎng)系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的影響。下面，首先將對大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)的四種建模進(jìn)行簡單介紹。一是光伏電池以及其陣列模型。這個(gè)模型是在單二極管模型的基礎(chǔ)上建立的，并通過基爾霍夫原理構(gòu)建了光伏等效電路，簡化了理論的公式，最終得到了數(shù)學(xué)表達(dá)式，而這個(gè)表達(dá)式非常適用于計(jì)算工程問題。此外，光伏陣列的模型則可以以光伏電池模型為依據(jù)，根據(jù)光伏電池之間的串聯(lián)或并聯(lián)關(guān)系而得到。二是換流器以及內(nèi)環(huán)控制模型。其中，換流器的結(jié)構(gòu)分為內(nèi)環(huán)與外環(huán)的雙環(huán)控制，外環(huán)主要控制輸入的電壓，并為內(nèi)環(huán)提供控制的參考電流，從而確定光伏發(fā)電的最終入網(wǎng)戰(zhàn)略；而內(nèi)環(huán)則是按照外環(huán)生成的參考電流進(jìn)行輸入，之后通過控制環(huán)節(jié)以及換流器來達(dá)到電流入網(wǎng)的目的。三是光伏發(fā)電的動(dòng)態(tài)模型。一般來說，在建立動(dòng)態(tài)模型的過程中，要構(gòu)建多個(gè)光伏發(fā)電的狀態(tài)方程，并將其組成方程組，與逆變器和MPPT控制中轉(zhuǎn)變的狀態(tài)方程進(jìn)行聯(lián)立，最終實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的建立。四是光伏發(fā)電系統(tǒng)模型。也就是基于光伏發(fā)電的動(dòng)態(tài)模型原理來建立系統(tǒng)仿真平臺(tái)，并運(yùn)用大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)的仿真手段來完成對入網(wǎng)過程的控制，最終成為發(fā)電站建模的重要功能模塊。

2 大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響

當(dāng)前，在大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)的發(fā)展過程中，也存在著一些制約因素，具體如下：

2.1 大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)對系統(tǒng)無功電壓特性的影響

一般來說，大規(guī)模光伏發(fā)電的位置大多數(shù)在海拔比較高、擁有長時(shí)間日照的荒漠戈壁地區(qū)，這些地區(qū)的人口數(shù)量非常少，而且需求的電量也比較低，這就使電力系統(tǒng)的負(fù)荷水平比較低，光伏發(fā)電入網(wǎng)的區(qū)域也不會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)短路現(xiàn)象。但在傳輸光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能時(shí)，由于距離較遠(yuǎn)，往往需要借助于高壓輸電網(wǎng)，這時(shí)就會(huì)影響整個(gè)電力系統(tǒng)的無功平衡性，最終導(dǎo)致輸送線路中的母線電壓產(chǎn)生大幅度的波動(dòng)狀況。與此同時(shí)，這些地方的實(shí)際電網(wǎng)電壓的支撐能力很微弱，因而會(huì)使電壓出現(xiàn)不穩(wěn)的情況，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)降低配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。

2.2 大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)對功角穩(wěn)定性的影響

當(dāng)前，大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)之后，系統(tǒng)就可能產(chǎn)生隨機(jī)波動(dòng)或無轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)中原有的通道傳輸功率和潮流分布，與此同時(shí)，也減小了電網(wǎng)的等效慣量，最終導(dǎo)致功角穩(wěn)定性的變化，其中，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式等實(shí)際情況決定著功角穩(wěn)定性變化的方向和大小[4]。此外，當(dāng)大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)后還會(huì)引發(fā)電力系統(tǒng)產(chǎn)生脫網(wǎng)的問題，特別是當(dāng)完成集中化與規(guī)模化后，其對于電網(wǎng)的影響力會(huì)更加強(qiáng)大。通常情況下，功角失去穩(wěn)定性主要在于振蕩型的失調(diào)，而且入網(wǎng)的逆變器會(huì)進(jìn)行不同的控制策略，進(jìn)而使得電網(wǎng)的阻尼發(fā)生改變。

2.3 大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響

目前，在大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)過程中，其實(shí)質(zhì)就是擴(kuò)充原有電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)，加上光伏發(fā)電機(jī)組的數(shù)量和規(guī)模都不相同，因而導(dǎo)致電力系統(tǒng)的電網(wǎng)構(gòu)架發(fā)生了變化，最終就會(huì)使電網(wǎng)失去對潮流分布的有效控制，并引致電壓質(zhì)量的降低。與此同時(shí)，隨著人們生活水平的提高，用戶終端電子器械的數(shù)量持續(xù)增加，用電量也呈現(xiàn)日益上升的趨勢，進(jìn)而為電力系統(tǒng)帶來了許多負(fù)擔(dān)，甚至?xí)斐晒夥廴粳F(xiàn)象。

2.4 大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)對有功頻率特性的影響

光伏發(fā)電的特性有很多，例如波動(dòng)性、電源的靜止、入網(wǎng)后的無轉(zhuǎn)動(dòng)慣性以及頻繁的脫網(wǎng)現(xiàn)象等，因此，一旦電網(wǎng)中接入大規(guī)模的光伏發(fā)電后，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的狀況，從而從根本上影響著整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，光伏發(fā)電會(huì)帶來大量的隨機(jī)波動(dòng)，不僅沖擊著電網(wǎng)的整體平衡，還會(huì)使其發(fā)生一次或二次調(diào)頻，甚至還會(huì)對電力系統(tǒng)的有功頻率特性產(chǎn)生影響。此外，一旦接入大規(guī)模光伏發(fā)電之后，還需要及時(shí)的對電力系統(tǒng)優(yōu)化措施進(jìn)行調(diào)整，加上由于電源是靜止的這一特性，如果光伏發(fā)電的規(guī)模過大，電源就會(huì)呈現(xiàn)明顯不足的現(xiàn)象，因而為了不斷滿足光伏發(fā)電的需求，就要對電源進(jìn)行更換，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成光伏發(fā)電入網(wǎng)系統(tǒng)的功率過大，最終導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，進(jìn)而采取維護(hù)系統(tǒng)的操作。

2.5 大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)對小擾動(dòng)穩(wěn)定性的影響

就大規(guī)模光伏發(fā)電的入網(wǎng)過程來說，由于在這個(gè)過程中沒有機(jī)械和電磁量失衡的動(dòng)力問題，但從另一方面講，卻存在著小擾動(dòng)穩(wěn)定性的現(xiàn)象，從而不利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。據(jù)分析可得，系統(tǒng)的功率會(huì)受到光伏發(fā)電的影響，因此，電力系統(tǒng)的運(yùn)行出現(xiàn)了不穩(wěn)定的問題，且這些現(xiàn)象發(fā)生于電力系統(tǒng)中的最大功率出，這主要是由于系統(tǒng)的直流側(cè)電吸收了不平衡的規(guī)律，最終減小了電容的儲(chǔ)存能力。

2.6 大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)對配電系統(tǒng)保護(hù)的影響

在電力系統(tǒng)接入大規(guī)模光伏電源之后，會(huì)對配電系統(tǒng)的繼電保護(hù)產(chǎn)生一定的影響，主要如下：首先，當(dāng)前的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)多為復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因而當(dāng)大規(guī)模光伏電源接入后，產(chǎn)生故障電流，所以影響原有的配電系統(tǒng)保護(hù)功能，或是引發(fā)保護(hù)裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)；其次，由于變壓器具有不同的接入方式，并且逆變器也會(huì)產(chǎn)生接地回路，一旦產(chǎn)生單相接地故障，就可能增加未短路相的對地電壓，從而使繼電保護(hù)的動(dòng)作發(fā)生改變；再者，在一些敏感的光伏發(fā)電入網(wǎng)系統(tǒng)中，變壓器需要對低壓穿越、三相不平衡等問題進(jìn)行保護(hù)；最后，大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)會(huì)影響對配電系統(tǒng)中的線路三相一次重合閘的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

綜上所述，光伏發(fā)電是一種清潔的發(fā)電方式，從某種程度上講，能夠緩解我國日益緊張的能源問題，從而促進(jìn)供電企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前，在大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)的過程中會(huì)對電力系統(tǒng)的無功特性、功角穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量等造成一些不確定的影響，并危害著大規(guī)模光伏發(fā)電機(jī)組的平穩(wěn)有效運(yùn)行。鑒于此，為了更好的發(fā)揮光伏發(fā)電能源的作用，在大規(guī)模光伏發(fā)電入網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用中要進(jìn)行慎重的考慮，并進(jìn)一步研究其對電力系統(tǒng)的各種印象，消除一切制約光伏發(fā)電入網(wǎng)的問題，進(jìn)而不斷提高我國的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)電力事業(yè)的穩(wěn)步前進(jìn)。

[1] 李石頭，王小川.芻議大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響[J].河南科技, 2014，9（20）：48-50.

[2] 陽水財(cái).淺析大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響[J].科技與創(chuàng)新, 2015，12（4）：121-123.

Analysis of large scale photovoltaic power generation network impact on power system

Li Juan
(in Shandong District of Ji'nan city power supply company, Shandong Ji'nan,250100)

In this paper,from two aspects of the connotation and modeling of large-scale photovoltaic power network of large-scale photovoltaic power network are described, focuses on the analysis of the large-scale photovoltaic power generation network influence on the power system, so as to lay a solid foundation for development of the PV industry in our country.

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