大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)影響研究

何其偉

摘 要：光伏發(fā)電作為一種新興節(jié)能用電資源和可再生資源，已經逐漸受到社會學者的重視和政府支持，成為目前主要應用的用電能源方式之一。大規(guī)模光伏發(fā)電能夠在極大程度上解決居民的用電問題，本文從光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)角度進行概述和研究，包括光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的構建等，之后從伏發(fā)電系統(tǒng)相關問題著手，進一步研究光伏發(fā)電系統(tǒng)中存在的主要問題，并給出相應解決對策。希望大規(guī)模光伏發(fā)電能夠得到普及使用，實現(xiàn)社會能源資源的節(jié)約。

關鍵詞：光伏發(fā)電 電力系統(tǒng) 大規(guī)模

引 言

智能化信息的應用和普及，在資源能源節(jié)約和現(xiàn)代化能源的創(chuàng)新應用提供了優(yōu)質的基本發(fā)展條件。分布式光伏發(fā)電能源在化學能源逐漸走向枯竭的背景下應運而生，得到了迅速發(fā)展和廣泛推廣，在現(xiàn)代智能化網(wǎng)絡信息技術不斷得以創(chuàng)新和普及的情況下，加之各種可用化學能源的急劇減少，分布式光伏系統(tǒng)發(fā)展已經成為促進社會經濟發(fā)展和維持生態(tài)平衡的必然需求。這里需要注意的是，在大規(guī)模光伏給人帶來極大生活便利性的同時，也對電力系統(tǒng)產生了較大影響。

一、光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及光伏發(fā)電網(wǎng)概述

（一）光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

眾所周知，利用太陽能作為發(fā)電能源，既能夠有效解決資源能源的利用，又能夠起到環(huán)境保護的作用，而且太陽能能夠持續(xù)可循環(huán)使用，這也在某種程度上決定了太陽能在能源資源當中不可替代的作用和地位。對太陽能的正確使用能夠提高能源利用效率，還對資源的解決具有一定幫助作用，符合當前中國經濟發(fā)展的可持續(xù)生產和生態(tài)穩(wěn)定發(fā)展的基本原則。其中，光伏發(fā)電是指利用太陽產生的光能源轉化為能夠被廣泛應用的電能，受節(jié)約能源的積極觀念影響，光伏發(fā)電技術已經逐步受到世界各地的重視，同時也成為發(fā)展速度最快的產業(yè)能源之一，并且到目前為止仍然呈持續(xù)增長狀態(tài)。由此可見，光伏發(fā)電的發(fā)展前景十分客觀，不過即時其具備許多優(yōu)點，但事實上在節(jié)約能源的同時，光伏發(fā)電的應用價格要高出普通電力價格的很多倍，這在某種程度上導致光伏發(fā)電的市場競爭能力較弱，而且就目前的光伏發(fā)電技術而言，通常被應用于相對偏遠的地區(qū)，或具有一定通訊障礙的特殊地區(qū)，具有一定劣勢，不利于光伏發(fā)電的普遍發(fā)展。在此基礎上，由于中國的光伏發(fā)電技術起步相對晚一些，所以在發(fā)展過程中難免會遇到一些技術性問題，但這并不影響光伏發(fā)電的發(fā)展速度，只要對此類問題加以解決，能夠促進光伏發(fā)電更好更快的發(fā)展[1]。

（二）光伏發(fā)電網(wǎng)概述

通過對光伏電池組建的利用實現(xiàn)對太陽能的轉換，即光伏發(fā)電網(wǎng)，再利用線纜實現(xiàn)電流的傳送，并將直流電轉換為與電網(wǎng)頻率相同的交流電能，最終送至變壓器升壓并網(wǎng)。在實踐工作中會根據(jù)電網(wǎng)需求實現(xiàn)電能資源的科學配送，將電能資源傳送至公共電網(wǎng)當中。由于電能本身不具備存儲功能，所以站在大量能源資源和太陽能產品的發(fā)展角度而言，光伏發(fā)電極有可能對電源結構具有優(yōu)化作用，并且不會造成環(huán)境污染，符合現(xiàn)代社會大眾的綠色環(huán)保理念，能夠在最大程度上減少能源資源的消耗和浪費，促進電能資源使用效率的提升[2]。

大規(guī)模光伏發(fā)電能夠促進我國電力能源資源的拓展，同時也提高了社會大眾的用電節(jié)約和環(huán)境保護意識。

二、大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

由于傳統(tǒng)能源使用對環(huán)境的影響污染問題逐漸突出，所以相關研究人員根據(jù)自己專業(yè)所學積極探索有關新能源開發(fā)的環(huán)境保護支持，也正因如此，光伏發(fā)電技術被逐漸應用且受到世界各地的重視。

（一）并網(wǎng)換流器和內環(huán)控制模型

換流器對大規(guī)模光伏系統(tǒng)的暫態(tài)并網(wǎng)特性具有一定影響，目前得到普遍使用的換流器一般是雙環(huán)控制方式。通常這種方式會以電流的輸入為主，在經過相應的控制后，形成內環(huán)電流的參考值，并直接確定其并網(wǎng)方式。在對換流器內環(huán)控制的過程中，采取電流輸出的方式，將外環(huán)控制作為生成電流的參考標準，輸入到公共網(wǎng)絡[3]。

（二）光伏電池與陣列模型

光伏電池陣列模型通常會是建立在單二極管中，主要作用原理是在基爾霍夫等效電路的原理上實現(xiàn)的，在通過計算的方式使之簡化，之后利用光伏發(fā)電機中的短路電流等相關技術參數(shù)，最終獲得合適的模型表達方式。之后再將模型放入工程計算中加以應用。一般情況下，這里的光伏陣列模型是在光伏電池模型計算的基礎上實現(xiàn)和獲得的。此時需要注意的是，光伏組件差異或遮擋等通常會對陳列逆變器產生一定影響。

（三）系統(tǒng)架構

為普及光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用，解決光伏發(fā)電劣勢，新研制出高效信息數(shù)據(jù)處理架構DSP與ARM終端系統(tǒng)控制設備，通過搭建CNA總線分布，實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效監(jiān)控，幫助居民解決光伏發(fā)電應用電源儲蓄問題，促進二者協(xié)調控制發(fā)展。該系統(tǒng)是利用多個用戶單元與一臺中端機器共同構組成，每1臺光伏電源配套搭配1臺儲能電源，CNA總線上的通節(jié)點由終端和分部電源共同組成，在此過程中，為確保通信質量，總線至多不可超過8個用戶端單元。

在進行通信之前，需要對各個節(jié)點和接收數(shù)據(jù)幀消息標明ID，終端與各分布式電源不同，具有優(yōu)先級，其他分布式電源則要按照ID依次排列標級。通信中各個節(jié)點之間地位平等，無主從關系。因為在CNA總線分布系統(tǒng)協(xié)議采用的是非破壞性仲裁技術，所以在每個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)信息給總線時，優(yōu)先級高的節(jié)點會更具優(yōu)勢，保持持續(xù)傳送狀態(tài)，而節(jié)點優(yōu)先級低，則會自動停止傳送數(shù)據(jù)，使二者之間能夠協(xié)調發(fā)展，確保系統(tǒng)應用具有較強可靠性。

三、大規(guī)模光伏發(fā)電對系統(tǒng)特性的影響

由于人口的持續(xù)增長，社會經濟的迅速發(fā)展，使得民眾生活中對能源的需求也在不斷增加，這在某種程度上導致各種自然資源和可再生能源的破壞，使可在生能源資源逐漸減少，如果這種問題不能盡快得到妥善的解決和治理，那我們的生活將持續(xù)面臨著環(huán)境惡化和資源枯竭的尷尬境地。開發(fā)可再生能源，循環(huán)利用可再生能源是目前發(fā)現(xiàn)最佳的解決手段，通過這種手段能夠幫助人們擺脫困境，實現(xiàn)能源的可循環(huán)利用。而在推進大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用過程中，發(fā)現(xiàn)大規(guī)模光伏發(fā)電對系統(tǒng)特性的一些影響，具體內容如下：

（一）對電能質量的影響

電網(wǎng)運行過程中考慮的首要內容是電能質量，電能質量決定了居民用電情況和可行性，在電網(wǎng)系統(tǒng)與大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)相連后，實際上屬于電源結構的拓展。與此同時，在光伏發(fā)電系統(tǒng)當中，因為光伏數(shù)量和規(guī)模之間存在一定差異，所以電網(wǎng)架構也會在不同程度上受到影響。而在電流傳輸?shù)倪^程中，一旦電網(wǎng)結構發(fā)生改變，則電網(wǎng)潮流分布會出現(xiàn)不受控制現(xiàn)象，此過程中，與之相應的電壓分布也會在不同程度上發(fā)生顯著改變，直接影響到居民的用電情況。另外，受電子器械普及使用的影響，電能消耗情況越來越嚴重，導致電力系統(tǒng)的正常運行不斷面臨新的挑戰(zhàn)和壓力[4]。

（二）對配電系統(tǒng)保護裝置的影響

電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行對受眾用電而言具有重要意義，為保證在電網(wǎng)系統(tǒng)運行當中能夠不受其他因素的影響和阻礙，需要相關工作人員對其進行實時保護和管理。在大規(guī)模光伏電源接入配電系統(tǒng)后，通常會直接改變配電系統(tǒng)的保護裝置，引發(fā)各種故障問題出現(xiàn)，如此一來，配電系統(tǒng)中的保護裝置將不再發(fā)揮重要作用，例如，在電網(wǎng)系統(tǒng)當中接入光伏發(fā)電系統(tǒng)，則會直接導致電網(wǎng)結構產生變化，進而影響電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行。而且，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)一般也會對變電站裝置造成一定影響[5]。

（三）對系統(tǒng)無功電壓特性的影響

由于大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的特殊性，所以在正常情況下都會將其安置在海拔較高的覅房，或選擇陽光充足地點，例如沙漠、戈壁等。選擇這些地方具有人煙稀少和用電量需求小的優(yōu)勢特點，所以通常不會讓電力負荷超出其正常值。通常情況下，在使用光伏發(fā)電系統(tǒng)進行發(fā)電的過程中，都不會出現(xiàn)大型斷電短路情況，而且在利用該系統(tǒng)產生電能的同時，必須要用到高壓輸電向較遠的地區(qū)運輸電流。而在此過程中經常會產生輸電隨機波動現(xiàn)象，而隨機波動現(xiàn)象的出現(xiàn)則會引發(fā)電網(wǎng)平衡性失調，導致電壓在輸送途中產生震動，進而破壞電網(wǎng)平衡。另外，一些大型光伏發(fā)電機因為受到無功電壓限制影響，所以在運輸電能過程中，極易對電網(wǎng)中電壓質量造成損失影響，甚至可能導致電壓幅度越界[6]。

（四）對功角穩(wěn)定性的影響

大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的特征表明，在電能經過系統(tǒng)生產后，會在變壓器的協(xié)助下被運輸?shù)焦搽娋W(wǎng)中。通常這種情況會讓電能的隨機波動情況變大，導致電流傳輸功率受到嚴重影響，降低電網(wǎng)系統(tǒng)的等效慣量。與此同時，因為光伏發(fā)電系統(tǒng)具有一定特殊性，所以在發(fā)電機組的應用方面存在較大差異，若在電網(wǎng)系統(tǒng)中并入大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)，則會直接導致電網(wǎng)穩(wěn)定性受到影響，而電網(wǎng)本身穩(wěn)定性是否會發(fā)生較大變化，則與光伏發(fā)電機的位置及其應用技術存在直接關系[7]。

（五）對小擾動穩(wěn)定性的影響

在大規(guī)模光伏發(fā)電使用過程中，通常不會出現(xiàn)機械不穩(wěn)定或電磁量現(xiàn)象，但卻在一定程度上存在電氣運行不穩(wěn)定現(xiàn)象，這對電網(wǎng)的穩(wěn)定性具有直接影響，同時也影響了電力系統(tǒng)功能的順利實現(xiàn)。通過光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入，能夠實現(xiàn)在真正意義上做出功率的系統(tǒng)變革。在對小擾動分析后得出結論，光伏發(fā)電系統(tǒng)中存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，而這種情況的出現(xiàn)主要存在于最大功率點附近。由于系統(tǒng)的不平衡性會直接被直流電吸收，進而電容存儲能力受到影響，在極大程度上被削弱，不利于發(fā)電系統(tǒng)的順利運行[8]。

四、光伏發(fā)電系統(tǒng)相關問題分析

（一）跟蹤控制問題研究

光伏發(fā)電不同于普通發(fā)電技術，受外界環(huán)境的影響相對較大，而且其輸出功率因受不同作用下的外力環(huán)境影響以及內部技術器件的各種不同程度上的影響，導致光伏發(fā)電向外輸出的曲線并非線性函數(shù)。如果光伏發(fā)電的外部環(huán)境相對穩(wěn)定，那么光伏系統(tǒng)系統(tǒng)便有最大的功率輸出點存在。也正是因為想要獲得這種光率輸出點，保證光伏發(fā)電能夠出現(xiàn)最大輸出，在光伏發(fā)電的技術系統(tǒng)應用過程中，常常會設置最大輸出功率點的相關跟蹤器。其實對光伏發(fā)電的跟蹤和控制的方式不僅僅是單一的方法，比較常見的幾種方式有觀察法、固定電壓法等。除此之外，相關光伏發(fā)電的科學研究人員還將模糊控制等于光伏最大功率控制跟蹤相關的方法和方式進行跟蹤研究，同時也取得了相應的成果。綜上所述，光伏的跟蹤方式較為多樣化，但這些方法均有其利弊，所以怎樣實現(xiàn)最佳的光伏功率最大，還是目前廣發(fā)發(fā)電中較為重要的研究問題[9]。

（二）光伏發(fā)電并網(wǎng)控制研究

并網(wǎng)光伏發(fā)電，是指在光伏發(fā)電的基礎上，由其于并網(wǎng)逆變器一同構成，期間沒有蓄電池儲能，也就是說，對光伏的并網(wǎng)控制，能夠直接將逆變器產生的電源能量轉送到相關的公共供電系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的研究和控制，能夠大幅度地減少在光伏發(fā)電系統(tǒng)中所消耗的能量，不僅如此，還對空間的應用有效減少，從而降低了光伏發(fā)電應用配置的相關成本問題。也正因如此，并網(wǎng)控制已經成為目前光伏發(fā)電系統(tǒng)當中應用次數(shù)最多的形式，但是要想將并網(wǎng)發(fā)電技術應用得當，必須要重視其中的逆變環(huán)節(jié)，如果忽視其中的逆變環(huán)節(jié)，那么并網(wǎng)光伏發(fā)電將會產生嚴重的技術性問題，所以在IEEE的有關標準規(guī)定中對技術人員的操作逆變技術有著嚴格的要求。除此之外，為確保并網(wǎng)控制的順利應用和環(huán)境保護，積極提高并網(wǎng)控制質量和相關的策略問題也是光伏發(fā)電問題中被重點對待的問題之一[10]。

（三）光伏發(fā)電中的孤島效應

孤島效應，通常是指電器發(fā)生一定系統(tǒng)性鼓掌之后，對電網(wǎng)造成一定惡劣的影響，使得供電終止，但其中聯(lián)系到的各種太陽能發(fā)電系統(tǒng)卻并沒有在第一時間之內檢測到停電狀態(tài)，幫助自身從電網(wǎng)中脫離出去，在這樣的背景下，太陽能的相關發(fā)電系統(tǒng)會單獨成為一個公共電網(wǎng)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的形成不再供電的控制范圍之內，形成一個獨立的供電系統(tǒng)。這種現(xiàn)象的發(fā)生在某種程度上對電力相關的維修人員會造成一定安全性威脅，甚至會影響整個電網(wǎng)的正常發(fā)展，這就要求供電系統(tǒng)必須能夠對電網(wǎng)出現(xiàn)的故障進行及時的檢測和分析，之后終止供電運行，確保供電系統(tǒng)的安全性。應對孤島效應發(fā)生的方式普遍被分為主動型和被動型的兩種控制方式，但其根本目的都是為了保證對供電檢測的有效性和精準性。

四、光伏發(fā)電并網(wǎng)控制策略

（一）光伏發(fā)電并網(wǎng)技術要求

利用光伏發(fā)電是指通過太陽能所輻射出的能源資源，來實現(xiàn)熱量與電和光之間的轉換，太陽能光伏發(fā)電技術是利用相關導體的伏特效應來實現(xiàn)的光伏發(fā)電技術。關于光伏并網(wǎng)發(fā)電的技術，由于其由光伏陣列、控制器和光伏相關變換器所共同組成。其中光伏變換器會將光伏中發(fā)出的電流直接轉變之后引入電網(wǎng)當中，光伏控制器主要是對光伏跟蹤控制的波形等進行相應的控制管理，能夠保證光伏的發(fā)電功率在最大化。同時，光伏發(fā)電的并網(wǎng)技術也是其系統(tǒng)當中的核心應用技術，能夠有效改善發(fā)電的整體質量，能夠從整體上幫助光伏發(fā)電營造其相應的可靠性。而且伴隨光伏系統(tǒng)的逐漸增加和完善，在某種程度上其擁有協(xié)調電網(wǎng)的優(yōu)化能力。也正因如此，相關研究光伏發(fā)電技術的有關人員制定出一套優(yōu)化光伏發(fā)電技術的相關規(guī)定和尺度的要求。

（二）光伏發(fā)電并網(wǎng)電流控制

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電流控制一半具有較為明顯的光伏發(fā)電特點，即在光伏發(fā)電相關組建當中產生的直流電，在經過光伏并網(wǎng)有關逆變器的調節(jié)和轉變之后，成為符合相關用戶及政府要求的規(guī)格用電，并能夠直接流入到公共電網(wǎng)當中。當太陽光照能夠保持一定重組量的同時，系統(tǒng)能夠自動生成的電力能夠供給負載，而后將其中殘留的用電直接反饋到公共電網(wǎng)當中，不論白晝都能夠為公共用電提供相應的電量供應。這種并網(wǎng)電流控制系統(tǒng)與獨立的光伏發(fā)電相關系統(tǒng)比較而言，具有傳輸電量的直接性，并網(wǎng)型光伏發(fā)電技術能夠將電流直接引入到公共發(fā)電電網(wǎng)當中。由此可見，光伏電網(wǎng)的并網(wǎng)電流控制能夠免除中間復雜的其他步驟，但其中應用的逆變器需要使用的是特殊并網(wǎng)專用逆變器。

（三）光伏并網(wǎng)逆變技術

光伏并網(wǎng)逆變技術能夠實現(xiàn)最大的電網(wǎng)功率跟蹤，后級逆變電路也會采用相應的控制方式，對電壓的控制逆變和電壓能夠逐漸穩(wěn)定，實現(xiàn)電流之間的并網(wǎng)控制。在此系統(tǒng)當中，對最大功率的響應跟蹤和并網(wǎng)之間的互動是相對獨立的，并且互相沒有關聯(lián)，能夠確保整個系統(tǒng)中的運作更加靈活。除此之外，為了能夠更加確定逆變器的輸出能夠與電網(wǎng)之間具有相同的頻率，所以需要對電網(wǎng)的信號進行實時采集工作，并與相關技術系統(tǒng)檢測出的信號進行同步終端，以該中斷的控制點為基本時間點控制。由此可見，光伏并網(wǎng)逆變技術能夠幫助光伏發(fā)電向更加完善的方向發(fā)展，對光伏發(fā)電的應用具有十分重要的影響。

結 論

綜上所述，中國的光伏發(fā)電技術雖遠不及發(fā)達國家發(fā)展的時間早，但這并不影響其發(fā)展速度。不過光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展雖然十分迅速，但在實際應用過程中還是主要存在于偏遠地區(qū)的發(fā)展和管理應用，并且受地理位置的相關影響，此類系統(tǒng)通常沒有有關技術人員進行相應的維護工作，也正因如此，并無哪個行發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的應用顯得十分重要。與此同時，大規(guī)模光伏系統(tǒng)的應用可以在極大程度上對用電緊張問題起到緩解作用，與此同時也會對電力系統(tǒng)產生一定影響，在大規(guī)模光伏發(fā)電被接入電網(wǎng)系統(tǒng)的過程中，還需要將其中的不確定性等內容進行全面分析，充分發(fā)揮大規(guī)模光伏的整體作用。總之，為更好地促進大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運行，有效服務大眾，還想要加大對光伏的研究力度，進而有效提高電力資源能源的利用率。

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