光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響研究

張亮

摘 要：光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是目前太陽能利用的主要形式，也是目前應(yīng)對能源短缺和節(jié)能環(huán)保的重要手段。該文在介紹光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)類型和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)在電壓穩(wěn)定和安全等方面的影響，并探討包括最大功率點(diǎn)追蹤、優(yōu)化逆變器結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，并提出相應(yīng)的對策。

關(guān)鍵詞：光伏 并網(wǎng) 電網(wǎng) 影響 對策

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0009-03

隨著社會的快速發(fā)展，能源危機(jī)和全球環(huán)境問題成為目前全球嚴(yán)重的發(fā)展問題，為了維持社會發(fā)展的可持續(xù)性，太陽能作為清潔可再生能源，就成為目前傳統(tǒng)能源日益短缺的社會重要的替代能源，并具有低廉、可持續(xù)、環(huán)保節(jié)能特點(diǎn)，有著巨大的優(yōu)勢；光伏發(fā)電也已經(jīng)成為目前城市電網(wǎng)供電系統(tǒng)不可或缺的補(bǔ)充和替代。據(jù)統(tǒng)計，目前光伏發(fā)電量在總發(fā)電量中的比重正在快速增長，并占據(jù)越來越重要的地位。

但由于在大容量光伏發(fā)電站運(yùn)行特征、控制策略以及光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)之后對總電網(wǎng)的影響和應(yīng)對策略方面的研究不是特別深入，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展受到了一定的阻礙，這其中光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響是一個亟需解決的問題。該文將在介紹光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后對電網(wǎng)的影響進(jìn)行闡述和探討。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分類和特點(diǎn)

1.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分類

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按照系統(tǒng)的規(guī)模和擊中程度，可分為分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)：

分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)也稱之為戶用型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其主要特征是與用戶建筑物結(jié)合形成屋頂式光伏系統(tǒng)，將太陽能電池放置于建筑物頂部，將白天不用的電量通過逆變器售給電力公司，當(dāng)需要用電時在向電力公司購回。

而集中式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是一種光伏發(fā)電站系統(tǒng)，即在光照資源充足的地區(qū)集中建立光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)，集中發(fā)電并直接匯入電網(wǎng)；這種類型的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)受到地域限制，不能夠最大限度地利用太陽能。

另外，按照并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型，可將光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)分為3種類型：單級式并網(wǎng)系統(tǒng)、兩級式并網(wǎng)系統(tǒng)和3級式并網(wǎng)系統(tǒng)；這3種類型分別以一個功率變換環(huán)節(jié)，DC/AC逆變環(huán)節(jié)和3個或3個以上功率變換環(huán)節(jié)為特點(diǎn)。

1.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)

由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是基于半導(dǎo)體的光生伏打效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，然后通過逆變器將光伏電池陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為符合要求的交流電，并通過變壓器接入電網(wǎng)[6]。

由于受到白天夜晚，以及不同天氣、地域以及時間的影響，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有不同于普通火電、水電發(fā)電系統(tǒng)的獨(dú)特性：

1.2.1 隨機(jī)波動性

由于發(fā)電系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度、天氣條件以及太陽能光照強(qiáng)度等因素的影響，使得光伏發(fā)電具有明顯的隨機(jī)波動性，隨著光照條件、強(qiáng)度以及天氣的變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率呈隨機(jī)波動的特點(diǎn)。

1.2.2 純有功功率性

目前將光伏發(fā)電的輸出電并網(wǎng)至電網(wǎng)的主要方法是逆變器，其控制方式是輸入電壓源，輸出電流源，即電壓源電流控制方式；這種方式通過控制輸出電流跟蹤網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行并網(wǎng)。輸出功率因數(shù)近1，幾乎為純有功功率輸出。

1.2.3 孤島保護(hù)負(fù)荷相關(guān)性

孤島效應(yīng)可以通過抗孤島設(shè)備監(jiān)測出來，目前的發(fā)電現(xiàn)狀，光伏發(fā)電容量在電網(wǎng)中比重較小，監(jiān)測準(zhǔn)確度較高，但隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，光伏發(fā)電容量也在逐步提高，這就使得孤島效應(yīng)監(jiān)測的時間增長，有可能和失敗而導(dǎo)致電網(wǎng)故障。

同時，由于分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和集中式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)類型的不同，其有著各自獨(dú)特性：對于分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其接入電網(wǎng)一般為低壓配電網(wǎng)（0.4 kV），由于其戶用式分布，所以還可以與風(fēng)能發(fā)電等新能源一起形成微網(wǎng)并接入電網(wǎng)；而對于集中式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，由于其發(fā)電站式集中分布，所以可以更容易的進(jìn)行電壓和無功調(diào)節(jié)，因而更容易接入電網(wǎng)，接入電網(wǎng)以高壓（10 kV）為主，但也是由于集中分布于遠(yuǎn)離城市的光照充足的區(qū)域，使得輸電距離更遠(yuǎn)，容易形成干擾，并使得電路老化和損耗，二次設(shè)備成本較高。

2 光伏并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響及對策

2.1 影響

由于光伏發(fā)電的原理和特點(diǎn)使得其必然與傳統(tǒng)電網(wǎng)有著很大差異，這種差異是光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的主要因素，該文將針對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)討論其并網(wǎng)后對電網(wǎng)的影響。

2.1.1 隨機(jī)波動—— 電網(wǎng)系統(tǒng)電壓

由于光伏發(fā)電輸出幾乎為純有功功率，因此并網(wǎng)后光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)只會對電網(wǎng)的有功網(wǎng)絡(luò)有積極的影響，而對網(wǎng)絡(luò)的無功分布不會產(chǎn)生影響；另外，光伏發(fā)電的實(shí)際輸出功率受自然環(huán)境的影響，白天和夜晚不同，晴天和陰天不同，高原地區(qū)和平原地區(qū)不同，更會發(fā)生輸出功率突變的情況，這種隨機(jī)波動必然會影響電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性和電網(wǎng)系統(tǒng)的潮流穩(wěn)定性。

這一點(diǎn)對于分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，由于分散分布，系統(tǒng)的復(fù)雜性就相應(yīng)提高，并會影響配電網(wǎng)的潮流方向；而對于集中式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，由于其地域偏遠(yuǎn)，輸電線路長，則需要進(jìn)行升壓處理，這就需要二次設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，另外還需要進(jìn)行無功調(diào)節(jié)使得純有功功率具有一定的無功調(diào)節(jié)能力。

2.1.2 直流逆變—— 諧波污染

由于光伏發(fā)電是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能輸出直流電，為了并入電網(wǎng)則需要通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率、相位相同的正弦波電流，然后并入電網(wǎng)；在逆變過程中會產(chǎn)生大量的諧波，而引起在并網(wǎng)過程中相位鎖定變換困難、破壞功率平衡以及增加損耗，這稱之為諧波污染。

2.1.3 孤島效應(yīng)問題

孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在并入電網(wǎng)后極易發(fā)生的一種現(xiàn)象，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍繼續(xù)向電網(wǎng)供電，使得電力系統(tǒng)自身無法掌握，這種效應(yīng)稱之為孤島效應(yīng)。孤島效應(yīng)會對用戶、配電網(wǎng)等造成嚴(yán)重的損害，包括對人身安全的危害、用電設(shè)備的危害、重新并網(wǎng)相位不同步等。

2.1.4 其他影響

除了上述與光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的自身特點(diǎn)相關(guān)的影響之外，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)還會產(chǎn)生其他的影響：（1）對電網(wǎng)可靠性影響；（2）對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響；（3）對并網(wǎng)變壓器的影響；（4）對配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的影響等。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)和對策

對于以上光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后對電網(wǎng)系統(tǒng)影響，一些并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和對策的應(yīng)用將會減少光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響，使之更有效地補(bǔ)充和支持電網(wǎng)系統(tǒng)。

2.2.1 關(guān)鍵技術(shù)

為了消除光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響，包括最大功率跟蹤技術(shù)、孤島檢測技術(shù)、井網(wǎng)逆變器控制技術(shù)以及逆變器結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展對光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行提供了保障。

由于光伏陣列輸出功率受到環(huán)境的影響較大，只有在某一個輸出電壓時系統(tǒng)輸出功率才會最大，最大功率跟蹤方法即是跟蹤最大功率點(diǎn)，通過定電壓跟蹤法、擾動觀察法和電導(dǎo)增量法等最大功率點(diǎn)跟蹤算法進(jìn)行跟蹤，使得光伏陣列可以持續(xù)獲得最大輸出功率。

而孤島檢測技術(shù)是防止孤島現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵技術(shù)，防止系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)而對電網(wǎng)和用戶造成嚴(yán)重危害，保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定和人員的人身安全。目前通用的孤島檢測技術(shù)分為主動式和被動式兩種，主動式監(jiān)測是通過控制逆變器主動制造正常監(jiān)測不到的擾動，當(dāng)發(fā)生故障時，擾動快速增加并被檢測出來；而被動式監(jiān)測技術(shù)是監(jiān)測逆變器電壓、相位、頻率在故障時的波動從而監(jiān)測孤島效應(yīng)。

另外隨著處理器技術(shù)的發(fā)展，對電網(wǎng)整體跟蹤已經(jīng)成為電網(wǎng)穩(wěn)定控制的關(guān)鍵技術(shù)，利用微處理器技術(shù)，對數(shù)字信號進(jìn)行處理，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等時時監(jiān)測和控制整個電網(wǎng)。

優(yōu)化逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括主從連接結(jié)構(gòu)、隊列連接結(jié)構(gòu)等，擴(kuò)展多個逆變器，提高逆變器效率進(jìn)而提高整個系統(tǒng)的效率。

2.2.2 對策

為了使光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)更加穩(wěn)定安全的并入到電網(wǎng)中，為電網(wǎng)系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的補(bǔ)充和后備，需要從多方面研究對策和技術(shù)。

要加強(qiáng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真實(shí)驗研究。要基于目前典型的實(shí)際案例，對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究實(shí)驗和驗證環(huán)境，利用先進(jìn)的仿真技術(shù)，結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)，搭建仿真實(shí)驗環(huán)境，進(jìn)行建模研究、仿真對比，在設(shè)計階段進(jìn)行優(yōu)化。

另外要加強(qiáng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)互相作用的機(jī)理研究，兩者之間復(fù)雜的相互作用對并網(wǎng)的穩(wěn)定性有著特別的影響，要揭示出兩者作用的本質(zhì)，發(fā)展理論；在此基礎(chǔ)上，大力發(fā)展和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新技術(shù)，開發(fā)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)行控制理論技術(shù)和裝備。

建立健全光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范是系統(tǒng)安全設(shè)計和運(yùn)行的保障。

3 結(jié)語

能源短缺和節(jié)能環(huán)保的問題促使光伏發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)并入公共電網(wǎng)也是勢在必行。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)分為分布式和集中式兩種類型，且具有隨機(jī)波動性、純有功功率輸出、孤島效應(yīng)等特點(diǎn)，同時這些特點(diǎn)也會相應(yīng)對電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓、功率平衡、孤島保護(hù)以及系統(tǒng)安全等方面產(chǎn)生影響，甚至造成嚴(yán)重的系統(tǒng)、設(shè)備甚至人身安全問題。針對這樣的影響和問題，需要在建立健全相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的情況下，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論的研究，結(jié)合先進(jìn)關(guān)鍵性技術(shù)，保障光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的穩(wěn)定和安全，充分發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢，保證社會的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 王長貴.并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)綜述（上）[J].太陽能，2008（2）：14-17.