大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)影響綜述

張偉

【摘?要】能源資源已成為當(dāng)今社會發(fā)展的重要制約因素，隨著先進(jìn)能源技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，太陽能光伏發(fā)電作為一種無污染的綠色能源已成為社會普遍關(guān)注的熱點。但是，太陽能光伏發(fā)電也會對現(xiàn)有的電力系統(tǒng)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，從而制約了這項技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展?；诖耍瑖鴥?nèi)外學(xué)者對光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響進(jìn)行了較為系統(tǒng)的探討。通過總結(jié)其影響，可以在一定程度上促進(jìn)大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】大規(guī)模;光伏發(fā)電;電力系統(tǒng);影響

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成與原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)要實現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)變，通常包含了蓄電池、光伏方陣、控制器、逆變器、配電柜與太陽光跟蹤系統(tǒng)等部分，其中還包含用來聚光的反射鏡與聚光透鏡。光伏方陣采用光伏模板組成特定形式實現(xiàn)對光能信號的捕捉與積累，在光生伏特效應(yīng)下，實現(xiàn)在蓄電池兩端電荷的累計，形成的電荷在電池兩端形成了電動勢，完成光能到電能的轉(zhuǎn)變。蓄電池可以實現(xiàn)電能的儲存與放電，其中為防止電能儲存過多或放電嚴(yán)重的情況，一般添加控制器，控制器保護(hù)蓄電池的充放電過程，可以對蓄電池的壽命起到延長的作用。要實現(xiàn)直流電到交流電的轉(zhuǎn)變往往需要添加逆變器，逆變器按應(yīng)用要求不同常分為正弦逆變器與方波逆變器兩種，前者應(yīng)用范圍廣，但是成本相對的較高。太陽光跟蹤系統(tǒng)可以捕捉太陽光的變化，實現(xiàn)隨太陽光轉(zhuǎn)動的目的，保證發(fā)電效率的最大化。

2 大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1光伏電池和陣列模型

光伏電池是進(jìn)行大范圍的光伏的主要部分，所以，我們對于它的排列情況進(jìn)行具體的分析，光伏電池的核心是二極管模型，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式再KCL的情況下是固定的。而工程計算的表達(dá)公式是光伏電池所提供電流、開路電壓和最大功率電壓都是固定的時候，通過串聯(lián)擺出大范圍的使用光伏發(fā)電系統(tǒng)的陣列模型。

2.2并網(wǎng)換流器和控制模型

并網(wǎng)換流器是主要是從大范圍的進(jìn)行光伏發(fā)電的單元方向來分析的?，F(xiàn)在大范圍的光伏發(fā)電系統(tǒng)里面使用的電壓模型是內(nèi)外環(huán)雙層結(jié)構(gòu)的，這樣做可以形成內(nèi)外環(huán)的控制方向，而使用內(nèi)外環(huán)進(jìn)行控制重要的部分就是電流，它是把內(nèi)外環(huán)的參考值作為衡量的標(biāo)準(zhǔn)的，利用控制環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)換器之間的相互合作來實現(xiàn)電流入網(wǎng)的目標(biāo)。然而，外環(huán)主要的控制內(nèi)容是輸入的電壓量，再控制裝置里產(chǎn)生的電流數(shù)值會控制內(nèi)環(huán)，并網(wǎng)的方法和特點會影響到它的對換流器。再使用光伏進(jìn)行發(fā)電的時候，主要是利用了前饋結(jié)構(gòu)控制策略，這樣做可以是控制器更加的方便簡單，利用這個策略可以不受時間限制的了解到換流器的暫時的狀態(tài)下的模型，通過這個模型我們也可以明確電力結(jié)構(gòu)的處理方式，然后再進(jìn)行內(nèi)控的時候添加一些控制條件。需要注意的是，我們要分析仿真軟件的效果，這樣可是使換流器和內(nèi)環(huán)節(jié)的操作方面更加簡單。

3 大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響分析

3.1有功頻率特性的變化

在光伏發(fā)電的電流傳輸過程中隨機(jī)波動頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致低電壓傳輸?shù)臒o功或有功動態(tài)，要想保證電流順利通過，減少和避免因此對設(shè)備和元件的所造成的損害，就會影響系統(tǒng)的負(fù)荷能力，加大了維持系統(tǒng)的有功平衡的難度，電網(wǎng)的運(yùn)行特性也會因此受到很大影響，既有電力系統(tǒng)一般都設(shè)置備用系統(tǒng)，但光伏系統(tǒng)的介入，改變了原有的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為了滿足電流的傳輸要求，只能換掉原有的常規(guī)電源，一旦遇到突發(fā)情況，系統(tǒng)的應(yīng)對能力大大降低，頻率的變化導(dǎo)致系統(tǒng)的整體運(yùn)行效果降低。此外，由于光伏系統(tǒng)的接入，系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量因光伏系統(tǒng)的存在而減小，系統(tǒng)的應(yīng)對功率因此而產(chǎn)生波動，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的有功頻率特性。

3.2大規(guī)模光伏發(fā)電對配電系統(tǒng)保護(hù)的影響

當(dāng)配電網(wǎng)中出現(xiàn)大規(guī)模的光伏電源時，繼電保護(hù)設(shè)備會受到影響：首先，配電系統(tǒng)連接著變壓器，當(dāng)發(fā)生逆變器接地回路后，電流和電壓產(chǎn)生不穩(wěn)定問題，影響繼電保護(hù)裝置的自動斷電功能;其次，多電源結(jié)構(gòu)會影響故障電流，導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定;最后，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方式是將多條低壓電線共同接入主干線，若一些高密度光伏發(fā)電系統(tǒng)的連接饋線出現(xiàn)短路現(xiàn)象，則將對兩個相鄰熔斷器均會造成不良影響，輕則影響其配合效果，重則造成某些線路的電壓負(fù)荷超過斷路器的遮斷容量，對配電系統(tǒng)安全運(yùn)行造成影響。為解決上述故障，相關(guān)工作人員可以在敏感的并網(wǎng)光伏變換器中，添加一定的保護(hù)，以降低電壓，避免輸出電壓分量超標(biāo)、諧波超標(biāo)等問題。

3.3電力系統(tǒng)同步穩(wěn)定性的影響

通常情況下，電力系統(tǒng)在運(yùn)行中受到微小的干擾之后能夠繼續(xù)保持同系統(tǒng)中的同步電機(jī)間的同運(yùn)行成為同步穩(wěn)定性。對于大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，小擾動之后的同步穩(wěn)定性受到較大程度的影響。通過分析可知，光伏電站的直流方向的測電流能夠很好的吸收融合系統(tǒng)出現(xiàn)故障時出現(xiàn)的不平衡功率，但是同時光伏系統(tǒng)內(nèi)的電容儲存能力不夠，導(dǎo)致系統(tǒng)另外位置的故障問題所產(chǎn)生的不平衡功率對于光伏電站的直流方向的側(cè)電壓產(chǎn)生影響。可以說光伏電站對于系統(tǒng)同步穩(wěn)定性的控制是一個拆東墻補(bǔ)西墻的原理，其并無法控制小干擾下所產(chǎn)生的失衡問題。

3.4對功角穩(wěn)定性的影響

光伏電源發(fā)電在其根本上自身是不參與功角振蕩的，因此在其本質(zhì)上應(yīng)該不存在功角穩(wěn)定性的問題。但是，由于光伏電源發(fā)電元件的隨機(jī)波動和無轉(zhuǎn)動慣量等特征的產(chǎn)生，導(dǎo)致系統(tǒng)在接入大規(guī)模光伏后致使電源網(wǎng)內(nèi)部呈現(xiàn)潮流分布，從而對其通道內(nèi)的整體電流功率造成了影響，呈下降的效果，影響了系統(tǒng)內(nèi)的等效慣量。此外，由于光伏電接入電網(wǎng)，在電網(wǎng)的整體形成上使其基本性能產(chǎn)生了變化，從而降低了電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的補(bǔ)充方式和電力傳輸?shù)倪\(yùn)行方式，致使模降低，影響系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性。因此，光伏網(wǎng)在實際故障產(chǎn)生的情況下經(jīng)常會出現(xiàn)穿越能力不足引發(fā)脫網(wǎng)的故障，其中尤其是以集中化、規(guī)?；蟾菀桩a(chǎn)生該種故障，因此在其改進(jìn)的過程中必須充分的利用光伏配電站內(nèi)部出場的作用，實現(xiàn)配電站無功補(bǔ)償，有效提升系統(tǒng)安全性。

4 SVG動態(tài)無功補(bǔ)償裝置

SVG屬于典型的電力電子設(shè)備，在大規(guī)模光伏發(fā)電項目中，對電力系統(tǒng)主要的影響是無功功率的超發(fā)和有功功率的不確定性，SVG無功補(bǔ)償技術(shù)可實現(xiàn)對上述影響的有效改善，但在很多技術(shù)的使用上依然存在問題。針對于這種現(xiàn)象，人們在新能源發(fā)展的同時，對SVG動態(tài)補(bǔ)償裝置進(jìn)行了合理改進(jìn)，實現(xiàn)對新能源的有效開發(fā)?？偟膩碚f，SVG的工作原理是通過外部CT對電流信息進(jìn)行檢測，然后由控制芯片對電流信息進(jìn)行有效整合和分析，再由控制器對補(bǔ)償信號進(jìn)行驅(qū)動，最終實現(xiàn)逆變電路對電流進(jìn)行補(bǔ)償。通過對這種補(bǔ)償裝置的合理改進(jìn)，大規(guī)模光伏發(fā)電可以發(fā)揮出更好的應(yīng)用效果，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的影響有效降低。

5 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)前我國針對光伏發(fā)電的研究探索與實踐工作都呈現(xiàn)出來了一個積極的繁榮局面，無論是業(yè)內(nèi)人士還是社會大眾都對于光伏發(fā)電的性質(zhì)、優(yōu)勢、發(fā)展?jié)摿τ辛艘粋€初步的認(rèn)識。光伏發(fā)電對于我國解決當(dāng)前能源緊張困境與環(huán)境污染問題都具有無可替代的作用，且通過這一手段將有望降低電力系統(tǒng)的集中壓力。本文以大規(guī)模光伏發(fā)電對整個電力系統(tǒng)的各方面影響進(jìn)行了一個概括性的梳理，希望可以給我國當(dāng)前及未來的光伏發(fā)電技術(shù)提供一點支持，為推進(jìn)我國光伏發(fā)電創(chuàng)新，促進(jìn)光伏發(fā)電與電力系統(tǒng)科學(xué)和諧的融合。

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（作者單位：協(xié)鑫新能源華中區(qū)域公司運(yùn)營管理部）