論述我國的大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的重大影響

劉啟明

武漢工程大學(xué)湖北武漢430000

論述我國的大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的重大影響

劉啟明

武漢工程大學(xué)湖北武漢430000

現(xiàn)如今，充分利用可再生能源已經(jīng)是全世界人民達(dá)成的共同意識(shí)，由于環(huán)境的不斷惡化，人們不斷加深對能源安全的擔(dān)憂，大規(guī)模的可再生能源作為新型的電力系統(tǒng)，在全球范圍內(nèi)的發(fā)展速度逐漸加快，例如太陽能和風(fēng)能等，該趨勢的產(chǎn)生凸顯出電力系統(tǒng)的深層次影響，各個(gè)國家在能源研究中投入了極大的經(jīng)歷，所以本文主要論述了我國的大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的重大影響，以提出進(jìn)一步的研究內(nèi)容以供參考。

光伏發(fā)電；電力系統(tǒng)；影響

引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們對化石能源和能源安全等方面加大了關(guān)注力度，由于環(huán)境的不斷惡化導(dǎo)致人們對清潔能源和可再生能源的需求逐漸增加，大多數(shù)國家都致力于開發(fā)利用太陽能和風(fēng)力發(fā)電，大規(guī)模的展開決策和規(guī)劃，促使著電力系統(tǒng)的新時(shí)代來臨，將新能源發(fā)電作為今后發(fā)展的標(biāo)志所在。在電力線同當(dāng)中，光伏發(fā)電在裝機(jī)容量之中占據(jù)的比例較大，人們的關(guān)注點(diǎn)都在于電力系統(tǒng)的規(guī)劃和仿真方面，以及調(diào)度控制方面的影響，目前的光伏發(fā)電具有兩種方式并存的格局：其一是規(guī)?；姆稚㈤_發(fā)，低壓接入和就地消納；其二是集中大規(guī)模的開發(fā)，中高壓接入和高壓遠(yuǎn)距離外送消納。這兩種方式的出發(fā)點(diǎn)都是從電力系統(tǒng)的角度，從深度和廣度角度考慮都有極強(qiáng)的影響，都是國內(nèi)外對光伏發(fā)電的主要研究方向。

一、光伏發(fā)電的概念以及工作原理

（一）光伏發(fā)電的概念

光伏發(fā)電主要就是指借助半導(dǎo)體發(fā)展技術(shù)，將光生伏特效應(yīng)中的自然光轉(zhuǎn)化為電能，這種新型的技術(shù)中主要是由太陽電池板、控制器和逆變器這三個(gè)組成部分結(jié)合而成，光伏發(fā)電利用了電池串聯(lián)的原理，將上述的三種材料連接在一起，組成太陽電池組，在后期可以通過功率控制器等器械進(jìn)行光能的轉(zhuǎn)化，最終組合而成光伏發(fā)電設(shè)備。

（二）光伏發(fā)電的工作原理

其主要的工作原理就是借助半導(dǎo)體光電效應(yīng)，對光能進(jìn)行一種轉(zhuǎn)換，最終成為電能，在光伏發(fā)電裝置當(dāng)中，半導(dǎo)體是由硅原子和硼原子這兩個(gè)主要部分組合而成，由于這兩種原子都具備了電子吸附功能，在光能的轉(zhuǎn)化中起著較強(qiáng)的作用，半導(dǎo)體能夠借助這兩種原子將太陽光中的正電荷例子進(jìn)行吸附，利用光波和光能量轉(zhuǎn)換成為電能，電流就由此形成?，F(xiàn)如今我國大規(guī)模光伏發(fā)電裝置都利用到了多硅晶，其中蘊(yùn)含著硅原子和硼原子這兩大元素，還融合了些許磷元素，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中結(jié)合了燃燒板，能夠有效幫助其穩(wěn)定發(fā)展，促使我國的電力企業(yè)可持續(xù)化。

（三）光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)

作為新型的發(fā)電手法之一，光伏發(fā)電與傳統(tǒng)的發(fā)電手法相比具有一定的優(yōu)勢，首先光伏發(fā)電中利用到了新能源，由太陽光來產(chǎn)能，所以不容易出現(xiàn)能源枯竭的情況，能夠?yàn)槿祟惖奈磥戆l(fā)展提供充足的發(fā)展動(dòng)力來源；其次光伏發(fā)電借助的是物理原理，通過光伏特效應(yīng)發(fā)電能夠有效的保護(hù)社會(huì)環(huán)境；最后光伏發(fā)電的應(yīng)用原理就是借助太陽光，太陽光是能源的根源，通過太陽光的能源轉(zhuǎn)化，才能產(chǎn)生新能源，有效的保障了能源的產(chǎn)生質(zhì)量。在我國的電力企業(yè)當(dāng)中，對光伏發(fā)電的應(yīng)用較為廣泛，主要的原因就是光伏發(fā)電具有傳統(tǒng)發(fā)電所不具備的優(yōu)勢，在產(chǎn)能和應(yīng)用中都能夠促使我國電力事業(yè)的快速發(fā)展。

二、大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模

（一）光伏電池及其陣列建模

單二級管模型作為光伏電池的等效電路基礎(chǔ)，要想科學(xué)的建立完成就需要建立在KCL的基礎(chǔ)上，將相關(guān)的光伏電池?cái)?shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)出來，所以相關(guān)的工作人員可以通過電池的提供商來獲取相關(guān)的技術(shù)參數(shù)值，例如在使用過程中可能出現(xiàn)的短路電流和最大功率電流以及電壓等，通過上述的數(shù)據(jù)來獲取關(guān)于大規(guī)模光伏系統(tǒng)的模型表達(dá)式，并且可以借用光伏電池模型和串并聯(lián)組合，得出光伏列陣集成模型，但是在形成光伏電池及其列陣模型之中仍然存在著較多問題，例如光伏組件間的差異和逆變器某型出現(xiàn)問題等。

（二）換流器以及內(nèi)環(huán)控制模型

作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組件之一，換流器的主要作用就是直接影響到光伏發(fā)電單位的暫態(tài)，并且作用于其他并網(wǎng)，但是在現(xiàn)如今的換流器運(yùn)用中，都是借助內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)控制方式，從該方式的內(nèi)環(huán)為出發(fā)點(diǎn)，主要圍繞著電流輸入展開，而外環(huán)控制生成的電流參考值是重要的基準(zhǔn)，二者相結(jié)合通過換流器將電流納入輸電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。此外，外環(huán)控制的主要輸入就是電壓，與外環(huán)控制相關(guān)的各個(gè)控制環(huán)節(jié)都需要電壓輸入，并且生成內(nèi)環(huán)控制的電力參考值，最為直接的影響就是換流器的并網(wǎng)策略，或者換流器的外特征等。

在設(shè)計(jì)換流器以及內(nèi)外裝置的時(shí)候，工作人員通常會(huì)利用解耦控制策略進(jìn)行解耦處理，涉及到換流器機(jī)電暫態(tài)某型下的電壓和電流等，最終將信息融入到內(nèi)環(huán)控制過程當(dāng)中。為了保證模型的應(yīng)用更加合理，相關(guān)工作人員需要不斷的簡化換流器以及內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)，針對外環(huán)控制某型而言，工作人員的設(shè)定就需要按照電網(wǎng)系統(tǒng)的要求進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的換流器并網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)。

（三）光伏發(fā)電動(dòng)態(tài)模型

在電力系統(tǒng)中的工作人員構(gòu)建大規(guī)模光電發(fā)電系統(tǒng)，需要借助方程組法，針對系統(tǒng)中的各個(gè)狀態(tài)性方程進(jìn)行解答，得出聯(lián)合方程組，在方程組的基礎(chǔ)上，能夠建立起大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。

（四）光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)模型是一種穩(wěn)態(tài)模型，利用逆變器接入電網(wǎng)，相關(guān)的工作人員在該過程中對PV節(jié)點(diǎn)和PI節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行測算，與此同時(shí)還可以構(gòu)建變壓器問題模型的方程以及其他問題模型方程等。總而言之大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中需要控制多個(gè)模型，相關(guān)的工作人員要對光伏陣列和換流器的組合方式進(jìn)行著重考慮，綜合考慮變壓器的參數(shù)等，對全過程的仿真模型的深入研究后，進(jìn)行并網(wǎng)分析工作。

三、大規(guī)模光伏接入對系統(tǒng)特性的影響

（一）對有功頻率特性的影響

光伏發(fā)電具有五種特性：

（1）外出力的隨機(jī)波動(dòng)性；

（2）電源能夠利用換流器并網(wǎng)來達(dá)到無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，是無旋轉(zhuǎn)的靜止元件；

（3）是在低電壓穿越期間，具有有功動(dòng)態(tài)特性和無功動(dòng)態(tài)特性；

（4）需要考慮到電力電子等設(shè)備元件的安全性特點(diǎn)，由于電源抗擾動(dòng)較差，較低的過負(fù)荷能力十分容易導(dǎo)致脫網(wǎng)；

（5）是通過逆變器并網(wǎng)具備有功解耦控制能力和無功解耦控制能力和四象限控制能力。

只有具備以上五種特性，才能夠促使大規(guī)模光伏接入系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)/暫態(tài)特性發(fā)生一定的變化，最后對系統(tǒng)的運(yùn)行和規(guī)劃有所影響。沖擊系統(tǒng)有功平衡主要是光伏電力大幅、頻繁的隨機(jī)波動(dòng)性造成的，但是也可能造成一定的風(fēng)險(xiǎn)，例如在系統(tǒng)的一次調(diào)頻運(yùn)行和二次調(diào)頻運(yùn)行中，系統(tǒng)具備的特性和有功經(jīng)濟(jì)調(diào)度運(yùn)行特征所受的影響較大，十分容易產(chǎn)生頻率質(zhì)量越限的風(fēng)險(xiǎn)問題。光伏接入后悔產(chǎn)生一定的變化，系統(tǒng)備用優(yōu)化策略就是將這一變化對與常規(guī)機(jī)組等其他多類型電源的有功頻率協(xié)調(diào)控制提出了適應(yīng)性的需求，包括有調(diào)頻參數(shù)整定等。并且作為一種非旋轉(zhuǎn)靜止元件，光伏電源隨著接入規(guī)模的不斷增加擴(kuò)大，使得常規(guī)電源被替換，促使了系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下降，系統(tǒng)的應(yīng)對功率缺額受到了直接的影響，還影響到了系統(tǒng)的功率波動(dòng)能力，不斷惡化使得極端工況產(chǎn)生了較大的變化，頻率跌落速率和深度都是頻率急劇變化的表現(xiàn)，還有可能影響到低頻減載和高頻切機(jī)等，作為需要高度重視的嚴(yán)重運(yùn)行問題，需要得到工作人員的重視。

（二）對無功電壓特性的影響

在我國的戈壁、荒漠等地區(qū)，由于受到當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷水平的影響，大規(guī)模光伏集中接入到該類地區(qū)，由于地區(qū)內(nèi)的電網(wǎng)短路容量相對于其他地區(qū)而言較小，大量光伏電力要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離外送，都要利用到高壓輸電網(wǎng)，在近區(qū)電網(wǎng)和長輸電通道的穿越之中，若是產(chǎn)生了隨機(jī)波動(dòng)的有功出力，就可能對電網(wǎng)的無功平衡特性造成直接的影響，促使沿途中的母線電壓波動(dòng)幅度逐漸增加。但是在目前的光伏電源中的并網(wǎng)運(yùn)行情況而言，無功電壓的支撐能力相對較小，所以無法保證電壓穩(wěn)定，增加了失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，甚至發(fā)生電壓質(zhì)量越限的情況。光伏分散在接入配電網(wǎng)的過程中具有規(guī)模化的特性，既可能影響到既有的輻射狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，還能夠改變單電源結(jié)構(gòu)，將單電源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p電源結(jié)構(gòu)，或是轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，電網(wǎng)潮流分布大小和方向都可能影響到配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，尤其是在控制過程中，復(fù)雜的電網(wǎng)潮流更難控制，其中主要涉及到光伏接入位置、規(guī)模和出力等。

（三）對功角穩(wěn)定性的影響

作為靜止元件中的一種，光伏電源自身并沒有加入到功角震蕩的過程中，所以并不需要考慮到功角穩(wěn)定問題，但是光伏電源的特性決定了當(dāng)出現(xiàn)大規(guī)模光伏接入時(shí)，原有的電網(wǎng)潮流分布情況和通道傳輸公路情況將直接受到改變，還影響到了系統(tǒng)的等效慣量。并且在機(jī)器故障穿越期間，光伏和常規(guī)機(jī)組之間存在一定的差異性，光伏具有動(dòng)態(tài)支撐性能，所以光伏接入之后就會(huì)產(chǎn)生一定的變化，受到電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的影響，電網(wǎng)功角穩(wěn)定性出現(xiàn)了變化，而光伏電源控制技術(shù)、光伏并網(wǎng)位置和光伏并網(wǎng)規(guī)模這三者都受到了電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的直接影響。光伏接入后對電網(wǎng)的功角穩(wěn)定性的影響具有不確定性，有可能改善，也可能惡化功角穩(wěn)定性，所以在具體的運(yùn)用中需要結(jié)合實(shí)際的情況，利用仿真分析來確定最后的光伏接入。光伏并網(wǎng)還受到故障穿越能力的影響，由于先天不足導(dǎo)致故障穿越能力較低，大大增加了脫網(wǎng)問題，而系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到脫網(wǎng)問題的影響更為直接，集中化和規(guī)模化的光伏還存在有許多問題，因此需要根據(jù)實(shí)際的情況，來考慮到并網(wǎng)的合理性以及科學(xué)評估大規(guī)模光伏的脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。例如我國的第一次百萬千瓦級光伏基地，其坐落于青海，在集中接入光伏基地后直接對通道的潮流分布均勻性起作用，光伏電源體現(xiàn)了弱動(dòng)態(tài)支撐性特點(diǎn)，所以綜上所述，光伏基地的集中接入降低了通道傳輸極限，可以借助切除光伏電源的方式，以及光伏電站配置動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)姆绞?，來提高光伏接入的安全性?/p>

震蕩型失穩(wěn)是功角失穩(wěn)中的一種，在此過程中會(huì)出現(xiàn)光伏出力波動(dòng)問題，直接影響到系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)，但是工作人員也要意識(shí)到并網(wǎng)逆變器和常規(guī)機(jī)組之間的差異性，二者中的控制策略差異能夠直接影響到系統(tǒng)的阻力，改變了原有的機(jī)電震蕩模式，還能夠?qū)е滦骂l段范圍的震蕩。在一般情況下，光伏接入對原震蕩穩(wěn)定的影響也需要根據(jù)實(shí)際情況來確定，涉及到接入位置和穿透率大小等。

（四）對小擾動(dòng)穩(wěn)定性的影響

光伏電池存在有電氣運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，在以往的預(yù)測中光伏電池具有動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定問題，但在實(shí)踐中證明其和機(jī)械與電磁量不平衡之間并不存在有關(guān)聯(lián)系，因此在大規(guī)模的光伏并網(wǎng)后，電網(wǎng)的穩(wěn)定性受其影響較大。尤其是將特定的光伏功率注入到其中后，兩個(gè)運(yùn)行點(diǎn)間的分析就可以利用小擾動(dòng)法進(jìn)行，實(shí)踐后發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)具有不穩(wěn)定性，該現(xiàn)象的出現(xiàn)主要集中于接近最大功率運(yùn)行點(diǎn)的高出力水平。在分析光伏電氣運(yùn)行不穩(wěn)定點(diǎn)的機(jī)理中，借助動(dòng)態(tài)等效阻抗適配概念發(fā)現(xiàn)，光伏電站的直流側(cè)電容是故障期間的不平衡功率吸收的主體，但由于電容儲(chǔ)能作用較小，所以導(dǎo)致直流測電壓快速增加，對電源的運(yùn)行可靠性有較大的影響。此外還可以借助含光伏電池和逆變器等小信號數(shù)字模型的建立，來分析小干擾后的電源穩(wěn)定性，通過仿真驗(yàn)證的方法來觀察光照擾動(dòng)后的穩(wěn)定性。

（五）對電能質(zhì)量的影響

電力電子的應(yīng)用在大規(guī)模光伏接入后逐漸擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，在系統(tǒng)中也融合了大量的非線性負(fù)載，因此在分析電力系統(tǒng)的過程中還需要考慮到污染和電能質(zhì)量問題，諧波的產(chǎn)生主要是因?yàn)槟孀兤鏖_關(guān)速度延緩導(dǎo)致的，但是在太陽光急劇變化的過程中，或是出現(xiàn)輸出功率過低等情況的時(shí)候，也可能產(chǎn)生諧波，尤其是在大規(guī)模光伏集中并網(wǎng)后出現(xiàn)的越來越多的電流諧波疊加問題。雖然單臺(tái)并網(wǎng)逆變器的輸出電流諧波較小，但是將多臺(tái)并網(wǎng)逆變器并聯(lián)之后就可能出現(xiàn)輸出電流諧波超標(biāo)問題，因此需要通過多臺(tái)逆變器組合的諧波問題進(jìn)行建模，在此基礎(chǔ)上分析穩(wěn)定性問題，再對大型光伏電站逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中的電網(wǎng)阻抗耦合效應(yīng)進(jìn)行分析，保證并網(wǎng)逆變器控制回路的帶寬和穩(wěn)定裕度，才會(huì)形成并網(wǎng)電路諧波含量超標(biāo)問題。此外，還可以利用長距離輸電線攬接入弱點(diǎn)網(wǎng)，分析光伏電站，濾波電容也會(huì)引起諧振導(dǎo)致次諧波放大問題。

光伏并網(wǎng)的問題要想得到解決，最為關(guān)鍵的就是解決直流注入問題，由于直流注入問題產(chǎn)生的原因包括有多個(gè)方面，不僅光伏出力的大幅、高頻隨機(jī)波動(dòng)可能導(dǎo)致電壓波動(dòng)、閃變和電壓偏差、頻率波動(dòng)等問題，根據(jù)光伏接入后的電能質(zhì)量問題所提出的方法能夠有效抑制諧波，其中包括有增加諧波補(bǔ)償器和有源濾波器以及混合濾波器等；而要想有效解決治理直流注入的方法，主要包括有安裝隔離變壓器和設(shè)計(jì)合理的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電容隔直、檢測補(bǔ)償以及虛擬電容法等。

借助太陽光來收集和存儲(chǔ)電離子從而形成電流是光伏發(fā)電的主要技術(shù)，該電流具有較高的穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)的電路相比更能夠保證電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量。首先是保障供電的電流質(zhì)量，光伏發(fā)電產(chǎn)生的電流有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在輸送的過程當(dāng)中，促使電流的阻礙降低，有效的降低電流內(nèi)部質(zhì)量的損耗程度，維持電力供應(yīng)的正常；其次是保障電流供應(yīng)的電力供應(yīng)速率，而在我國的電力應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)中，光伏發(fā)電的應(yīng)用大量使得管理和輸送更加直接、便捷，通過電力輸送環(huán)節(jié)的提升帶動(dòng)電力系統(tǒng)的輸電效率。

（六）對配電系統(tǒng)保護(hù)的影響

配網(wǎng)故障特征的變化受到光伏電源接入配電網(wǎng)的影響，更能夠影響到繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置。首先是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，原有的單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最終轉(zhuǎn)變?yōu)殡p電源結(jié)構(gòu)或是多電源結(jié)構(gòu)，這種復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得故障電流的大小、方向和持續(xù)時(shí)間都產(chǎn)生了變化，直接影響到了原有的饋線保護(hù)，使得誤動(dòng)或拒動(dòng)保護(hù)裝置；其次是按不同的變壓器連接方式影響到了零序電流，主要是由于與變壓器相連的逆變器中產(chǎn)生了額外接地回路，當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)增加了未短路相的對地電壓，對繼電保護(hù)的動(dòng)作特性做出了改變；再次是并網(wǎng)光伏變換器的擾動(dòng)較為敏感，在此基礎(chǔ)上需要增加保護(hù)內(nèi)容；最后，影響到了配電系統(tǒng)中的線路三相一次重合閘，以及變電站的備用電源自投裝置應(yīng)用。因此為了防止非同期合閘的出現(xiàn)，就可以借助接有逆變器變網(wǎng)的線路和母線，其中的三相一次重合閘的啟動(dòng)時(shí)間需要大于逆變器反孤島保護(hù)的最大動(dòng)作時(shí)間，備用電源自投斷路器的動(dòng)作時(shí)間同上。

分布式和高密度光伏發(fā)電系統(tǒng)最終都會(huì)接入到同一母線并網(wǎng)發(fā)電，借助多條或是一條低壓配電線路接入，但是受到同一區(qū)域的光伏發(fā)電功率受光照變化的影響，具有一定的相關(guān)性，當(dāng)高密度光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后就可能加劇配電網(wǎng)局部潮流變化的幅度，或者影響到電壓的波動(dòng)范圍。

四、結(jié)語

本文論述了我國的大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的重大影響，目前大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠在一定程度上幫助社會(huì)環(huán)節(jié)用電緊張的問題，但是也存在有一些問題，能夠影響到電力系統(tǒng)，當(dāng)大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)接入到電網(wǎng)系統(tǒng)的過程中需要分析其中存在的不確定因素，有效的防止大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)面影響，在此基礎(chǔ)上發(fā)揮大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體功效。

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