大容量光伏電站對(duì)地區(qū)級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行的影響分析

孫儀+麥立+賈偉+梁肖+田躍軍

摘 要：文章對(duì)大容量光伏電站的概念和優(yōu)點(diǎn)做了簡要論述，并介紹了其在省內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r。指出了大容量光伏電站對(duì)地區(qū)級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行的問題，分析了大容量光伏電站發(fā)電就地消納和遠(yuǎn)距離輸送模式的優(yōu)劣，提出了針對(duì)大容量光伏發(fā)電并網(wǎng)后電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行的新方法。

關(guān)鍵詞：大容量光伏；地區(qū)電網(wǎng)；電網(wǎng)調(diào)控

中圖分類號(hào)：TM732 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）31-0175-02

1 概述

近年來，我省光伏發(fā)電規(guī)模迅速增長，2014年3月，我省在金寨縣開始光伏扶貧試點(diǎn)，取得較好成效。2016年，國家能源局批復(fù)了《金寨縣創(chuàng)建國家高比例可再生能源示范縣規(guī)劃》，到2020年，建成可再生能源發(fā)電裝機(jī)570萬千瓦，其中光伏發(fā)電320萬千瓦，風(fēng)電80萬千瓦，水電160萬千瓦，生物質(zhì)能發(fā)電10萬千瓦。2016年，六安電網(wǎng)最大負(fù)荷167.4萬千瓦。由此可見，六安電網(wǎng)將逐漸由主變下受型向主變上送型電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，到2020年左右，在水電大發(fā)時(shí)期及光伏出力較大的時(shí)段，六安電網(wǎng)向主網(wǎng)上送將達(dá)到近300萬千瓦，現(xiàn)有的輸變電設(shè)備容量將無法滿足大規(guī)模光伏發(fā)電的消納需要。

由于光伏電站相比于傳統(tǒng)的火電廠特性有很大的不同，大容量光伏電站的接入，對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的潮流分布、電壓穩(wěn)定、電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)控運(yùn)行等方面都將產(chǎn)生較大的影響。在配電網(wǎng)中加入光伏電站，從而降低網(wǎng)損，減少偏遠(yuǎn)地區(qū)對(duì)電網(wǎng)的投資，分布式光伏發(fā)電有著環(huán)境友好、占地面積小、投資少、網(wǎng)損小等優(yōu)點(diǎn)，是未來智能電網(wǎng)的重要組成部分，但是如何將大容量的光伏并網(wǎng)產(chǎn)生的電能順利送入主網(wǎng)，是今后電網(wǎng)調(diào)度需要重點(diǎn)研究的問題。

2 大容量光伏電站的組成

2.1 光伏陣列

光伏發(fā)電是利用光伏電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能，但是單個(gè)的光伏電池板因?yàn)槠漭敵龅碾妷汉碗娏鞫继?，所以一般都是將多個(gè)光伏電池進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)，并形成光伏陣列，這就形成了一個(gè)單獨(dú)的光伏陣列。

2.2 大容量光伏電站的基本原理

大容量光伏電站一般達(dá)到兆瓦級(jí)，通過集群控制的方法使變流器并聯(lián)運(yùn)行，同時(shí)利用中央控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)光伏電站的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行。光伏電站和電網(wǎng)通過變流器相連，因此要求變流器具有相應(yīng)的控制功能、可以對(duì)有功出力和無功出力進(jìn)行控制、降低有功變化量、去除諧波等。大型光伏電站一般是由幾個(gè)基本單元組成，每個(gè)光伏單元的容量約1MW。其中，大容量的光伏陣列組件在光電轉(zhuǎn)換以后，經(jīng)過匯流母線，將電能傳輸給變流器，再由變流器轉(zhuǎn)換為交流，通過變壓器的升壓后并網(wǎng)。

2.3 光伏電站的送出方式

當(dāng)前，大部分光伏電站均通過35kV或者110kV系統(tǒng)與主網(wǎng)相連，但是現(xiàn)有的地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、設(shè)備狀態(tài)等方面在設(shè)計(jì)時(shí)是作為受端電網(wǎng)考慮的，現(xiàn)在已不能適應(yīng)大容量光伏電力的送出需求，無法達(dá)到對(duì)大容量光伏電站的滿出力送出要求，而且，部分線路無法滿足N-1原則，這樣就形成了光伏送出的瓶頸問題。

3 大容量光伏電站對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響

3.1 出力大幅波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響

光伏電站的出力波動(dòng)受日照條件影響明顯，光伏電站的有功出力呈現(xiàn)跳變的變化特點(diǎn)，這樣就需要增加大量的火電旋轉(zhuǎn)備用。六安地區(qū)光伏電站裝機(jī)容量迅速增加，該地區(qū)電網(wǎng)在日照充足時(shí)為主變上送型電網(wǎng)，而在陰天時(shí)，又變成一個(gè)受端電網(wǎng)，對(duì)火電的旋轉(zhuǎn)備用要求很高，同時(shí)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)劃，風(fēng)電的調(diào)峰也提出了更高的要求。在電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)時(shí)，通過多角度考慮地區(qū)電網(wǎng)的負(fù)荷特性，統(tǒng)籌考慮該地區(qū)的各種電源的最小和最大開機(jī)方式，特別要考慮到徑流式小水電和光伏、風(fēng)電等具有間歇性、波動(dòng)性強(qiáng)的電源。大容量光伏電站的并網(wǎng)電壓應(yīng)當(dāng)考慮合適的電壓等級(jí)，從運(yùn)行成本和可靠性等多方面考慮光伏電站的消納及遠(yuǎn)距離輸送要求。

3.2 對(duì)電壓的波動(dòng)影響

光伏電站與常規(guī)電廠在電壓調(diào)整方面有較大的區(qū)別，在大規(guī)模光伏接入電網(wǎng)以后，會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓控制造成困難。因?yàn)楝F(xiàn)有的光伏電站功率因數(shù)均在1以下，無法對(duì)電網(wǎng)的無功進(jìn)行支撐。其次是大規(guī)模的光伏發(fā)電，受到日照影響明顯，電網(wǎng)潮流變化較大，無法對(duì)無功進(jìn)行分層分區(qū)進(jìn)行控制，這樣就造成地區(qū)電網(wǎng)電壓波動(dòng)大，難以調(diào)整。雖然現(xiàn)在光伏電站均配備了動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，但由于動(dòng)態(tài)容量補(bǔ)償不足，而且對(duì)無功補(bǔ)償裝置缺乏統(tǒng)一調(diào)度，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生較大擾動(dòng)時(shí)，無法快速的對(duì)電網(wǎng)提供有效的無功支撐，而且在故障切除后，容易造成無功過剩，造成系統(tǒng)過電壓。

3.3 對(duì)電能質(zhì)量的影響

光伏電站的并網(wǎng)變流器會(huì)產(chǎn)生諧波和三相電流不平衡的問題，由于輸出功率的不確定性，容易造成電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和閃變。當(dāng)前制約光伏電站并網(wǎng)的最主要的問題之一就是諧波問題，很多大容量光伏電站就存在諧波過高的問題，在陰天的時(shí)候諧波問題會(huì)更加明顯。在大容量光伏電站中，即使單個(gè)變流器產(chǎn)生的諧波較小，在多個(gè)變流器并聯(lián)以后，輸出的電流中諧波就可能會(huì)超標(biāo)。由于大容量光伏電站一般采用的是無源濾波，而且一個(gè)光伏電站是很多個(gè)光伏模塊通過長距離的電纜接入?yún)R流母線，無源濾波器的電流會(huì)造成諧振，使某些諧波放大。

4 大容量光伏電站對(duì)地區(qū)級(jí)電網(wǎng)的影響

4.1 對(duì)地區(qū)火電機(jī)組運(yùn)行的影響

光伏電站的運(yùn)行具有波動(dòng)性，而大容量光伏電站的波動(dòng)達(dá)到100MW級(jí)，在實(shí)際運(yùn)行中，在夏季高峰時(shí)段，存在光伏電站與火電廠搶輸電通道的問題，造成火電廠窩出力。而遇到午后雷雨，光伏電站的出力接近于0，又會(huì)造成火電廠需要迅速增加出力。

4.2 對(duì)電網(wǎng)備用容量的影響

分布式電源接入電網(wǎng)的波動(dòng)是由風(fēng)力發(fā)電、小水電、太陽能光伏發(fā)電等引起的，而這些電源的功率對(duì)于電網(wǎng)完全是隨機(jī)的。在最不利的條件下，整個(gè)分布式電源的功率投入或切除。如果要接入大量的分布式電源，則相應(yīng)的要在電網(wǎng)中配備一定容量的備用電源，即火電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)備用，用于在分布式電源輸出功率波動(dòng)時(shí)平衡發(fā)電與負(fù)荷的需求，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。今年由于煤價(jià)上漲幅度較大，火電廠來煤質(zhì)量也受到影響，調(diào)峰能力受到限制，不能達(dá)到最大或最小出力，削弱其調(diào)峰能力。endprint

4.3 對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

大規(guī)模的分布式電源接入電網(wǎng)，由于分布式電源不發(fā)無功或者是無功發(fā)不出的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，配電網(wǎng)中缺乏相應(yīng)的無功功率，獎(jiǎng)導(dǎo)致整個(gè)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性降低。分布式電源的功率因數(shù)一般達(dá)到0.98～0.99，但是當(dāng)風(fēng)電場或小水電的裝機(jī)容量較大，且無功功率不足時(shí)，就容易對(duì)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性造成影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)電壓崩潰。

在以前的配電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，是按照受電型電網(wǎng)設(shè)計(jì)的，在光伏電站并網(wǎng)在配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)的運(yùn)行特性發(fā)生了明顯的變化，事故處理和運(yùn)行可靠性研究不能采用傳統(tǒng)的分析模式，研究表明，光伏電站與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性將有所下降。對(duì)于接入配電網(wǎng)的大容量光伏電站，由于潮流的變化使得配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)難度增大，保護(hù)裝置的定值整定更加復(fù)雜，由于電網(wǎng)從自身穩(wěn)定運(yùn)行角度出發(fā)，要讓光伏電站具備一定的電源屬性，但目前的大容量電站和傳統(tǒng)的火電站相比，還遠(yuǎn)未達(dá)到這些要求。

4.4 對(duì)地區(qū)電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行的影響

在今年的迎峰度夏中，該地區(qū)電網(wǎng)產(chǎn)生了一個(gè)新的變化，在以往夏季高負(fù)荷期間，午后時(shí)段一般是整個(gè)電網(wǎng)出力較為緊張的時(shí)段，此時(shí)氣溫高，負(fù)荷需求大，造成火電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。今年由于大容量光伏電站陸續(xù)并網(wǎng)，在午后時(shí)段日照強(qiáng)烈，光伏電站承擔(dān)了較多的負(fù)荷。

快速增長的光伏電源給地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)，在當(dāng)前的配電網(wǎng)中，這些新接入電網(wǎng)的光伏電站對(duì)調(diào)控運(yùn)行人員來說是陌生的，有些電站在EMS系統(tǒng)中還不可見，對(duì)運(yùn)檢人員來說也是新事物，因此必須提升現(xiàn)有的調(diào)控工作管理水平與技術(shù)支持水平，才能有效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的新問題。因此，需要優(yōu)先對(duì)接入大容量光伏電站的配電網(wǎng)進(jìn)行智能化改造，提升配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力。其次，要高度重視光伏電站對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)裝置及安全自動(dòng)裝置的影響，重新計(jì)算保護(hù)定值。對(duì)配電網(wǎng)中卡脖子的設(shè)備進(jìn)行集中更換，從而應(yīng)對(duì)低負(fù)荷時(shí)段時(shí)，由于光伏大發(fā)造成設(shè)備過載問題。

當(dāng)配電網(wǎng)中的光伏發(fā)電比例較大時(shí)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的功率平衡與安全運(yùn)行，并且還要保證供電的可靠性及電能質(zhì)量等，因此建設(shè)智能配電網(wǎng)就成了必然要求。

5 結(jié)束語

隨著國家光伏扶貧政策的不斷推進(jìn)，以大容量光伏電站為代表的新能源仍將迅速發(fā)展，光伏并網(wǎng)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響不斷增強(qiáng)，地區(qū)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建設(shè)、運(yùn)行等工作必須適應(yīng)新能源消納的基本需求，建設(shè)合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，從而保證大容量光伏產(chǎn)生的電能就地消納或者通過超高壓電網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送。

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