大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)影響綜述

劉坤艷　付偉

摘要：隨著社會發(fā)展的腳步加快，人們對能源的需求越來越大。電能作為人們生活與工作中最重要的能源之一，對人類進(jìn)步起著不可替代的作用。近幾年，國家也在提倡新能源的開發(fā)，大規(guī)模的光伏發(fā)電進(jìn)入電網(wǎng)，一方面滿足了人們的生活所需，提高了資源的可利用率，另一方面也帶來了不少的不利影響。本文通過對大規(guī)模光伏電進(jìn)入電網(wǎng)對電力系統(tǒng)造成的影響進(jìn)行分析，對其不利影響也提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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

隨著國家對新能源的重視，可利用資源已經(jīng)越來越豐富，很大程度上緩解了我國多地區(qū)能源不足的問題，尤其是火力發(fā)電與水力發(fā)電的興起，為人們生活與工作提供了很大的便利。但是，在電力方面還是存在不少的問題，比如大規(guī)模光伏電進(jìn)入電網(wǎng)，提高了輸電功率的同時(shí)，也引起了很多的安全問題，對整個電力系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的影響。

一、大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介

（一）光伏發(fā)電系統(tǒng)中的陣列模型

光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成部分之一，在研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的時(shí)候，也需要對光伏電池進(jìn)行研究。在對光伏電池進(jìn)行研究時(shí)，需要研究電池內(nèi)部的情況[1]。光伏電池的內(nèi)部是以二極管模型為關(guān)鍵部件的等效電路，通過KCL的狀態(tài)來決定該光伏電池模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，包括對各參數(shù)的確定，比如電流、電源電壓、最大功率電壓等。根據(jù)這些參數(shù)來確定光伏電池模型的數(shù)學(xué)最終表達(dá)式，當(dāng)然，光伏電池發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)模型中，其陣列模型主要是根據(jù)光伏電陣列的最終情況來建立的。在光伏電系統(tǒng)的最終陣列模型中，其陣列是以串聯(lián)和并聯(lián)的形式展現(xiàn)出來的。

（二）光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)換流器和控制模型

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的大型單元中的并網(wǎng)換流器處于一種暫態(tài)的方式。目前主要是通過光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電壓來形成雙層結(jié)構(gòu)的控制，包括內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩層控制。內(nèi)環(huán)控制主要是通過電流控制，在衡量內(nèi)環(huán)的電流值時(shí)要與外環(huán)的電流值相結(jié)合，然后經(jīng)過換流器的處理操作后得到入網(wǎng)的電流值;外環(huán)控制主要是完成電壓的入網(wǎng)操作，在衡量外環(huán)的電壓值時(shí)要以內(nèi)網(wǎng)的電流值作為參考，然后經(jīng)過換流器的處理操作后得到入網(wǎng)的電壓值。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制模型包括內(nèi)環(huán)控制模型和外環(huán)控制模型。內(nèi)環(huán)控制模型所采取的措施是用解耦的方式來確定換流器的狀態(tài)，然后根據(jù)換流器的狀態(tài)來確定解耦采取哪種處理方式，在處理的過程中所涉及到的因素構(gòu)成了內(nèi)環(huán)的控制模型。由實(shí)驗(yàn)所得出，解耦能力包括有功解耦能力與無功解耦能力。光伏發(fā)電系統(tǒng)的外環(huán)控制模型則是根據(jù)實(shí)際需求來決定最終采取哪種措施進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。

（三）構(gòu)建光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

構(gòu)建光伏發(fā)電系統(tǒng)要根據(jù)該模型的方程式中的每個元素來進(jìn)行相應(yīng)的拆分，然后對拆分的各個元素進(jìn)行狀態(tài)確定。在構(gòu)建光伏發(fā)電系統(tǒng)模型期間會涉及到逆變器和MPPT的控制處理，其處理的不同狀態(tài)會有不同的狀態(tài)方程[2]。因此，不同的處理方式會有不同的模型，所以在研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型時(shí)，選擇建模方式很重要，要根據(jù)不同的需求來選擇不同的建模方法。

二、大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)各個方面產(chǎn)生的影響

（一）光伏發(fā)電對有功頻率產(chǎn)生的影響

電力系統(tǒng)的主要供電方式之一就是大規(guī)模的光伏發(fā)電。光伏發(fā)電在為電力系統(tǒng)供電的過程中會呈現(xiàn)出一定的特性，主要包括：第一、光伏發(fā)電在發(fā)電的過程具有隨機(jī)性，會隨著發(fā)電的狀態(tài)而呈現(xiàn)出波動;第二、大規(guī)模的光伏發(fā)電系統(tǒng)的電源不會慣性轉(zhuǎn)動;第三、當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電源處于低電壓時(shí)會使得無功狀態(tài)呈現(xiàn)變化的特性;第四、光伏發(fā)電系統(tǒng)可能會出現(xiàn)脫網(wǎng)的情況;第

五、光伏發(fā)電的控制模型的控制能力加強(qiáng)[3]。光伏發(fā)電的波動性發(fā)生改變時(shí)會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與平衡性，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)性變高。第

六、有功頻率發(fā)生變化。光伏電源是一種非動態(tài)的非旋轉(zhuǎn)形狀的電子元件，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會逐漸降低轉(zhuǎn)動慣量而使得光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率發(fā)生改變，從而對發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行造成不良影響。

（二）光伏發(fā)電對功角穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響

光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電過程中，其自身并不參與功角的振動，所以發(fā)電系統(tǒng)在工作過程中并不會對功角的穩(wěn)定性造成影響。但是，光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏發(fā)電電源的元件在工作的過程中會呈現(xiàn)隨機(jī)波動性和無轉(zhuǎn)動慣量的特性而使得發(fā)電系統(tǒng)加入大規(guī)模的光伏電后使得原電源的分布情況發(fā)生變化，出現(xiàn)多支分流的情況而使得整個系統(tǒng)的電流功率降低，影響發(fā)電的效果。另外，光伏電進(jìn)入電網(wǎng)之后也會使得電網(wǎng)的性能發(fā)生改變，電網(wǎng)的性能受到影響之后會影響其系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)方式，電力的輸送方式也會發(fā)生變化而使得模的功能降低，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性帶來影響。所以，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，一般會引起發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部出現(xiàn)脫網(wǎng)的情況，尤其是當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)集中化或者規(guī)?；亩嘀毓收蠒r(shí)，更容易導(dǎo)致脫網(wǎng)的發(fā)生[4]。因此，在對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，要充分利用好光伏發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對工作過程中的低功率配電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充以維護(hù)系統(tǒng)的安全。

（三）光伏發(fā)電對電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響

當(dāng)大規(guī)模的光伏發(fā)電電源進(jìn)入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)的總電子元件就會增加，發(fā)電系統(tǒng)的功能就會提升，對信息的處理能力就會增強(qiáng)。但是要注意的是，有可能會出現(xiàn)電網(wǎng)污染的情況而使得電網(wǎng)內(nèi)部部件的功率下降，導(dǎo)致輸送電能的質(zhì)量降低。因此，要對電網(wǎng)輸送的電能質(zhì)量進(jìn)行維護(hù)與提升，可以通過對逆變器進(jìn)行調(diào)速的方式來實(shí)現(xiàn)。采取對大規(guī)模光伏發(fā)電的逆變器的開關(guān)進(jìn)行調(diào)速，使得整個電網(wǎng)內(nèi)部的動態(tài)性能加強(qiáng)而提升電能的輸送能力，產(chǎn)生較大范圍的諧波而提高電能的輸送功率。從目前全球范圍的大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作過程來看，只采用一臺并網(wǎng)逆變器進(jìn)行輸送工作，則產(chǎn)生的電流諧波很小，但如果采用多臺并網(wǎng)逆變器同時(shí)進(jìn)行輸送工作，則產(chǎn)生的諧波較大，會發(fā)生疊加效應(yīng)而可能使得輸送的電流過大。另外，大規(guī)模的光伏發(fā)電進(jìn)入電網(wǎng)會使得逆變器出現(xiàn)并聯(lián)，這是由于產(chǎn)生了耦合反應(yīng)使得并網(wǎng)逆變器的控制模型中的回路寬帶降低而導(dǎo)致的。這種現(xiàn)象發(fā)生后，最終輸送電流中的諧波就會出現(xiàn)超標(biāo)。

（四）光伏發(fā)電對配電系統(tǒng)產(chǎn)生的影響

大規(guī)模的光伏電進(jìn)入電網(wǎng)會使得光伏電源的特性發(fā)生改變而引起電網(wǎng)的繼電保護(hù)與裝置出現(xiàn)問題。根據(jù)近幾年全球范圍內(nèi)的大規(guī)模光伏電進(jìn)入電網(wǎng)后出現(xiàn)的問題的現(xiàn)狀來看，主要有這幾方面的表現(xiàn)：其一，由于大規(guī)模光伏電進(jìn)入電網(wǎng)而使得繼電裝置出現(xiàn)問題，因?yàn)殡娋W(wǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雙電源與多電源的結(jié)構(gòu)交織在一起使得電網(wǎng)的輸電過程的電流發(fā)生改變，導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)故障[5]其二，大規(guī)模光伏電進(jìn)入電網(wǎng)后，原系統(tǒng)中的變壓器就會發(fā)生改變，由一個電壓器變成了多個變壓器而使得變壓器和逆變器構(gòu)成的回路改變，使得電網(wǎng)輸送電路中的電流發(fā)生巨大變化而對該電網(wǎng)造成破壞。

三、結(jié)語

大規(guī)模的光伏電進(jìn)入電網(wǎng)后會對發(fā)電系統(tǒng)的電源產(chǎn)生巨大的影響而使得電源內(nèi)部的特性發(fā)生變化，繼而出現(xiàn)一系列的問題。本文通過對大規(guī)模的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行介紹，包括光伏電系統(tǒng)的陣列模型、光伏電系統(tǒng)中的并網(wǎng)換流器和控制模型。然后提出如何構(gòu)建光伏電模型，指出不同的情況應(yīng)該采取不同的建模方法來實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的需要。在此基礎(chǔ)之上，深入研究與分析了大規(guī)模光伏電進(jìn)入電網(wǎng)對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，包括對有功頻率、電能質(zhì)量、功角和配電系統(tǒng)造成的影響。然后通過對近幾年全球范圍內(nèi)的大規(guī)模光伏電進(jìn)入電網(wǎng)造成的影響的現(xiàn)狀，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，對大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響的進(jìn)一步研究提供了參考意見，具有可借鑒價(jià)值。

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作者簡介：劉坤艷（1981-），女，漢族，工程師，碩士研究生，研究方向：電網(wǎng)調(diào)度自動化。