大容量光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及對(duì)并網(wǎng)的影響

光伏發(fā)電主要是利用并網(wǎng)逆變器將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變成可以滿足電網(wǎng)使用的交流電并入到公共電網(wǎng)中。本文以光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)作為主要研究目標(biāo)，對(duì)光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，然后對(duì)大容量光伏發(fā)電對(duì)并網(wǎng)的影響進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】大容量 光伏發(fā)電 光伏電站 光伏設(shè)備

當(dāng)前，我國(guó)大多數(shù)的大型并網(wǎng)光伏還處于試運(yùn)行階段，還沒有統(tǒng)一的接入標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的規(guī)范化生產(chǎn)以及光伏電站的規(guī)范化管理都有一定的影響。另外，由于光伏電站的規(guī)劃建設(shè)沒有充分考慮對(duì)電網(wǎng)交互產(chǎn)生的影響，大容量光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性也有了更高的要求。大容量光伏電站在運(yùn)行過程中需要認(rèn)真分析光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性造成的影響，為了促進(jìn)大容量并網(wǎng)光伏發(fā)電的開展，除了要升級(jí)逆變器以外，還要更加深入的研究大容量光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性、安全性造成的影響。

1 大容量光伏并發(fā)發(fā)電的基本原理及特點(diǎn)

1.1 發(fā)電的基本原理

太陽能光伏發(fā)電是以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)，通過使用太陽能電池板對(duì)光子產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行吸收和利用達(dá)到發(fā)電的目的。太陽能光伏陣列產(chǎn)生的直流電利用電子轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)換成可以滿足電網(wǎng)使用的交流電后直接利用變壓器接入到電網(wǎng)中。而大容量光伏電站一般都達(dá)到了兆瓦級(jí)別，通過利用集群控制方案來實(shí)現(xiàn)逆變器并聯(lián)運(yùn)行，并利用特定的中央控制中心對(duì)光伏電站的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行指揮和寫作，運(yùn)行情況不同，變壓器和逆變器的投運(yùn)方案也不一致，可以有效解決日照率比較低的情況下變換效率問題，提升系統(tǒng)的可靠性，如圖1所示。大容量光伏發(fā)電集群控制方案是使用多個(gè)逆變器共用光伏陣列直流母線排，根據(jù)光照情況，投入相應(yīng)數(shù)量的逆變器，進(jìn)而解決日照率低時(shí)變換效率方面的問題，而且由于逆變器是替換工作的，當(dāng)某臺(tái)逆變器進(jìn)行檢修或者出現(xiàn)故障后不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響。

1.2 大容量光伏發(fā)電的特點(diǎn)

太陽能作為可再生資源，受太陽光照、環(huán)境溫度、天氣因素的影響，太陽能光伏發(fā)電具有比較大的波動(dòng)性，光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器容易產(chǎn)生三相電流不平衡、諧波、輸出功率不確定性等，很容易導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)閃變或波動(dòng)，因此要為電網(wǎng)配置相應(yīng)的質(zhì)量治理裝置。另外，電網(wǎng)質(zhì)量不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致電壓隆起、電壓凹陷等情況，這些情況也會(huì)對(duì)變換器的正常運(yùn)行造成影響。大量光伏電源連入到電網(wǎng)后，需要安裝保護(hù)裝置和自動(dòng)化裝置，而對(duì)于光伏電源造成的非常孤島問題需要按照反孤島保護(hù)設(shè)備。

集中式和分布式作為大容量光伏并網(wǎng)的主要發(fā)展方向，其中分布式太陽能光伏電站主要是就近對(duì)用戶的相關(guān)問題進(jìn)行解決，并利用并網(wǎng)達(dá)到供電差額的外送和補(bǔ)償，可以降低電路損耗。通過微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的有效連接，在運(yùn)行條件下可以單獨(dú)運(yùn)行，但是這種方式配電網(wǎng)潮流方向會(huì)隨時(shí)變化，逆潮流會(huì)使所有的保護(hù)都重新進(jìn)行設(shè)定，無功調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)難度增加，對(duì)通訊和二次設(shè)備也有了更高的要求，系統(tǒng)也更加的復(fù)雜化。

而集中式光伏電站主要是對(duì)一些比較穩(wěn)定的太陽能資源進(jìn)行利用，將產(chǎn)生的電能連入到高壓輸系統(tǒng)并進(jìn)行遠(yuǎn)距離負(fù)荷的供應(yīng)。光伏電站的控制靈活性和穩(wěn)定性好，更容易調(diào)整電網(wǎng)頻率，運(yùn)行過程中不需要燃煤運(yùn)輸、水源等資源，具有比較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，運(yùn)行成本低，擴(kuò)容方便；但是這種方式需要依靠長(zhǎng)距離的輸電線路送入到電網(wǎng)中會(huì)出現(xiàn)電壓跌落、電能損耗、無功補(bǔ)償?shù)葐栴}。同時(shí)由于大容量光伏電站需要利用多個(gè)變換裝置進(jìn)行組合后實(shí)現(xiàn)的，需要統(tǒng)一對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，對(duì)技術(shù)要求比較高。

2 大容量光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大容量光伏設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)

電網(wǎng)和光伏電站主要是利用逆變器聯(lián)通的，因此要求逆變器具有可拓展通信功能、可以對(duì)無功和有功進(jìn)行控制、可以降低有功變化率、實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償?shù)?，技術(shù)上要求逆變器具電壓等級(jí)更高、單體容量更大、電能輸出質(zhì)量更穩(wěn)定、抗干擾能力更強(qiáng)，并具有可以達(dá)到智能電網(wǎng)要求的網(wǎng)源互動(dòng)技術(shù)。在進(jìn)行并網(wǎng)控制的過程中需要電網(wǎng)電壓信號(hào)鎖定技術(shù)更加的精確、快速，可以防止大功率并網(wǎng)時(shí)不對(duì)稱運(yùn)行情況下和電壓采樣波動(dòng)情況下精確鎖相。孤島檢測(cè)技術(shù)要求具有更好的抗干擾能力。集中式光伏電站要在變換器控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，孤島指令和檢測(cè)利用輸變電系統(tǒng)級(jí)別能量進(jìn)行管理實(shí)現(xiàn)；分布式光伏電站要通過控制達(dá)到孤島檢測(cè)的目的，利用基于配電網(wǎng)的能力管理系統(tǒng)來發(fā)出低電壓穿越信號(hào)指令。

另外，大容量多級(jí)協(xié)作對(duì)群控技術(shù)依賴程度比較高，同時(shí)需要解決大面積組件增加、群控硬件成本增加、MPPT并聯(lián)所產(chǎn)生的額外串并聯(lián)損耗問題；對(duì)分布式系統(tǒng)進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)度時(shí)還需要在管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)作、實(shí)時(shí)通信。

2.2 光伏電站關(guān)鍵技術(shù)

一般情況下，在有功輸出方面要求光伏并網(wǎng)發(fā)電可以發(fā)出更多的電能，因此如何實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤是一項(xiàng)比較重要的技術(shù)。由于最大功率點(diǎn)跟蹤對(duì)跟蹤的準(zhǔn)確性、快速性和穩(wěn)定性要求比較高，常用的電導(dǎo)增量法、干擾觀測(cè)法、恒定電壓法等還無法實(shí)現(xiàn)有功輸出的可調(diào)節(jié)性，有功調(diào)節(jié)技術(shù)必須要利用儲(chǔ)能設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。但是由于儲(chǔ)能設(shè)備容量比較小，并且價(jià)格昂貴，不能做到實(shí)時(shí)補(bǔ)償，儲(chǔ)能作用也受到了比較大的影響。此外，由于儲(chǔ)能需要花費(fèi)時(shí)間，無法達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)哪康?，在一定程度上?duì)儲(chǔ)能作用造成了限制。

光伏發(fā)電和風(fēng)電接入一樣，當(dāng)光伏裝機(jī)容量增加后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會(huì)受到影響。實(shí)踐證明，當(dāng)系統(tǒng)因短路導(dǎo)致電壓跌落后，可再生能源發(fā)電機(jī)會(huì)持續(xù)和電網(wǎng)連接，可以幫助電網(wǎng)恢復(fù)，而將一個(gè)Buck電路接入到變換器直流母排，可以對(duì)功率進(jìn)行消耗并防止直流母排電壓過大。如果直流母排電壓變大，光伏陣列出力會(huì)隨之降低，可以更好的實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

3 大容量光伏發(fā)電對(duì)并網(wǎng)的影響

3.1 對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成的影響

（1）光伏電站電壓控制可以幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電壓；

（2）光伏發(fā)電提供的系統(tǒng)慣量比較小，而系統(tǒng)慣量的減少程度會(huì)對(duì)高比重光伏的穩(wěn)定性造成影響；

（3）接納方式方面，停運(yùn)常規(guī)機(jī)組的危險(xiǎn)性更大，大機(jī)組的停運(yùn)會(huì)使系統(tǒng)慣量減少并進(jìn)一步破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了提高系統(tǒng)協(xié)作靈活性需要常規(guī)機(jī)組增設(shè)旋轉(zhuǎn)備用。

（4）低壓電穿越功能會(huì)改善電網(wǎng)回復(fù)特性；

（5）光伏有助于調(diào)節(jié)系統(tǒng)向上偏移；

因此，接入大容量光伏發(fā)電的電網(wǎng)要嚴(yán)格按照規(guī)定要求進(jìn)行運(yùn)行，并充分利用發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)、天氣預(yù)報(bào)技術(shù)以及能源調(diào)度平臺(tái)對(duì)運(yùn)行進(jìn)行控制，如圖2所示。

3.2 對(duì)配電網(wǎng)造成的影響

（1）電壓調(diào)節(jié)的影響。光伏滲透率達(dá)到一定值后出力特征會(huì)產(chǎn)生變化，饋線潮流也會(huì)隨之產(chǎn)生變化，甚至還會(huì)有一些逆潮流進(jìn)入到輸電網(wǎng)中會(huì)對(duì)饋線電壓調(diào)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行造成影響。而出現(xiàn)潮流到送的情況是變電站和光伏電源之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓降的變化，此時(shí)可以通過對(duì)變壓器的調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)后修正。

（2）保護(hù)整定和短路電流。光伏逆變器主要是用于控制電流源的，如果有短路故障出現(xiàn)需要立即切除保護(hù)逆變器，所以常規(guī)機(jī)組逆變器短路電流并不會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。二次保護(hù)整定主要是因?yàn)楹妥儔浩鬟B接的逆變器會(huì)產(chǎn)生接地回路，另外潮流的變化對(duì)導(dǎo)致電壓分布發(fā)生變化，對(duì)零序電流造成影響。

（3）產(chǎn)生接地電源，由于變壓器連接的方法不同，變壓器和逆變器之間有可能會(huì)產(chǎn)生接地回路，會(huì)對(duì)零序電流造成影響。此外，當(dāng)單相接地出現(xiàn)故障后會(huì)導(dǎo)致末短路相的對(duì)地電壓。

4 結(jié)論

綜上所述，大容量光伏發(fā)電接入要求具有無功和有功的輸出作用并可以在電網(wǎng)出現(xiàn)異常后發(fā)揮支撐的效果。在光伏發(fā)電方面，為了提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性需要接入高效率、大容量、高可靠性的光伏設(shè)備，只有這樣才可以創(chuàng)造更高效的綠色能源。

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作者簡(jiǎn)介

要金磊（1984-），男，北京市人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)為北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司工程師。從事光伏系統(tǒng)集成工作。

作者單位

北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司 北京市 100083