太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配網(wǎng)的問題及對(duì)策

武林芝 南京寶基輸配電工程有限公司

引言

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配電網(wǎng)支持高滲透率分布式電源的接入，無須蓄電池儲(chǔ)能，在并網(wǎng)逆變器的支持下將電能輸入電網(wǎng)系統(tǒng)，涉及最大功率跟蹤、電網(wǎng)系統(tǒng)無功需求及補(bǔ)償、孤島效應(yīng)等內(nèi)容，導(dǎo)致電力輸配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和接入方案

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配電網(wǎng)之中，采用逆變器準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，通過開關(guān)量控制逆變器通斷的方式，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，體現(xiàn)出電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電壓波形諧波含量小的特點(diǎn)。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入主要是在光伏電池－半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)下，將太陽光輻射能轉(zhuǎn)換為直流電能，以太陽能電池板為核心部件，以充放電控制器將太陽電池板轉(zhuǎn)化的電能傳送至蓄電池以蓄電池進(jìn)行直流電的存儲(chǔ)。同時(shí)，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)還采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，使電池板始終在最大功率下利用太陽能，通過動(dòng)態(tài)的檢測(cè)、計(jì)算和比較，尋找到最大功率點(diǎn)。常見方法包括有恒電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法、功率計(jì)算法，其中：恒電壓跟蹤法是基于經(jīng)驗(yàn)確定最佳工作電壓和最大功率點(diǎn)；擾動(dòng)觀察法是利用功率反饋的方式，進(jìn)行輸出電壓/電流的采集和計(jì)算，分析功率變化的特點(diǎn)和規(guī)律，確定下一波的控制信號(hào)；增量電導(dǎo)法具有快速的響應(yīng)速度；功率計(jì)算法通過最優(yōu)點(diǎn)的控制方式，利用電壓/電流檢測(cè)值計(jì)算功率最大點(diǎn)。

2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配電網(wǎng)的影響剖析

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配電網(wǎng)因其自身的間歇性、隨機(jī)性、不確定性，不利于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 對(duì)線路潮流的影響。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配電網(wǎng)之后，傳統(tǒng)的系統(tǒng)潮流模式發(fā)生改變，轉(zhuǎn)變?yōu)殡y以預(yù)測(cè)的雙向流動(dòng)，因光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的隨機(jī)性導(dǎo)致其電網(wǎng)潮流也出現(xiàn)一定的隨機(jī)性，無法保證傳統(tǒng)的電壓調(diào)整策略的順利實(shí)施，導(dǎo)致配電網(wǎng)的電壓調(diào)整設(shè)備頻繁動(dòng)作或異常響應(yīng)。

2.2 對(duì)電力輸配電系統(tǒng)保護(hù)的影響。大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配電網(wǎng)之后，系統(tǒng)短路電流成倍增大，導(dǎo)致過流保護(hù)誤動(dòng)作或失效。同時(shí)，在光伏發(fā)電系統(tǒng)接入輸配電網(wǎng)之后，變?yōu)槎嚯娫吹碾p向網(wǎng)絡(luò)，原先無方向性的熔斷器和自動(dòng)重合閘裝置暴露出滯后性。

2.3 對(duì)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)組擁有量的影響。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配電網(wǎng)之后，早期不具備調(diào)峰和調(diào)頻能力，導(dǎo)致電網(wǎng)的早峰負(fù)荷和晚峰負(fù)荷遭受沖擊性影響。

2.4 對(duì)電能質(zhì)量的影響。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配電網(wǎng)之后，出現(xiàn)電壓波動(dòng)、閃變、諧波等現(xiàn)象，降低了電能質(zhì)量。

2.5 對(duì)運(yùn)行調(diào)度的影響。由于當(dāng)前的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)量較多，電價(jià)不夠統(tǒng)一，因而地區(qū)電網(wǎng)要重點(diǎn)考慮對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)安全調(diào)度策略。

3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配網(wǎng)的對(duì)策分析

3.1 電能質(zhì)量分析

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配電網(wǎng)存在動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致系統(tǒng)并網(wǎng)、脫網(wǎng)頻繁，必須關(guān)注光伏電源出力變化對(duì)電網(wǎng)電壓的干擾。同時(shí)，可以采用特殊濾波器裝置，將其安裝于諧波電壓水平較高的母線上，規(guī)避太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配電網(wǎng)的諧波缺陷，有效緩解電壓波動(dòng)、諧波等不良現(xiàn)象。具體實(shí)施方式為將源濾波器并聯(lián)添加到逆變器之中，通過參考電壓最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略，保證電壓源逆變器輸出電流的穩(wěn)定性，有效抑制或消除諧波電壓，提高電力輸配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

3.2 繼電保護(hù)設(shè)計(jì)

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配電網(wǎng)之后，成為雙向流動(dòng)性潮流的多電源系統(tǒng)，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置暴露出遲滯性，無法滿足繼電保護(hù)的方向性要求。為此，要進(jìn)行太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)，可以采用兩種設(shè)計(jì)策略：（1）切源策略。先斷開電網(wǎng)連接的所有光伏系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)進(jìn)行還原，在原有的繼電保護(hù)設(shè)備的使用條件下，采用傳統(tǒng)的繼電保護(hù)方式，這種策略必須考慮電網(wǎng)故障切除及光伏系統(tǒng)切斷的先后順序，還要分析系統(tǒng)自動(dòng)重合閘時(shí)間間隔內(nèi)的光伏系統(tǒng)速斷問題，不利于電力系統(tǒng)的速動(dòng)可靠性。（2）孤島策略。由于電網(wǎng)系統(tǒng)孤島效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電壓及頻率失控，無法使分布式發(fā)電裝置與電網(wǎng)同步，導(dǎo)致故障無法清除等問題，為此系統(tǒng)要具有檢測(cè)孤島效應(yīng)的能力，能夠在出現(xiàn)孤島效應(yīng)時(shí)及時(shí)切離電網(wǎng)。以基于相位跳變的反孤島策略為例，主要是監(jiān)控并網(wǎng)逆變器端電壓與輸出電流間的相位差進(jìn)行檢測(cè)和控制。還可以采用基于電壓諧波檢測(cè)的反孤島策略，利用監(jiān)控并網(wǎng)逆變器輸出端電壓諧波失真進(jìn)行孤島檢測(cè)和控制。另外，還有主動(dòng)性孤島檢測(cè)策略，如：主動(dòng)頻移反孤島策略、基于功率擾動(dòng)的反孤島策略、阻抗測(cè)量反孤島策略等，相較于被動(dòng)式反孤島策略而言，主動(dòng)式反孤島策略能夠有效減少不可檢測(cè)區(qū)域，提高孤島檢測(cè)的有效性。

3.3 異常故障處理分析

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配電網(wǎng)之后，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式產(chǎn)生較大改變，對(duì)于配電網(wǎng)出現(xiàn)的故障處理和可靠性分析隨之出現(xiàn)改變，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是單一性的備用電源時(shí)，能夠有效提高配電網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性；當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與配電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，則會(huì)降低配電網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性。由此可見，光伏裝機(jī)位置、接入容量、運(yùn)行方式是影響電網(wǎng)可靠性的重要因素，在進(jìn)行電網(wǎng)系統(tǒng)異常故障處理分析的過程中，要考慮系統(tǒng)暫態(tài)運(yùn)行特點(diǎn)，進(jìn)行智能配電網(wǎng)的安全理論分析，探尋分布式電源協(xié)調(diào)運(yùn)行及自適應(yīng)控制方法，合理運(yùn)用分布式電源孤島運(yùn)行狀態(tài)下的電壓頻率控制策略，加強(qiáng)對(duì)含分布式電源的配電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)響應(yīng)管理的研究，進(jìn)行規(guī)劃分析之后構(gòu)建準(zhǔn)確的電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估模型，設(shè)置電力網(wǎng)絡(luò)可靠性指標(biāo)，提升電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估體系的適用性。

3.4 微網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性分析

分布式電源采用微網(wǎng)運(yùn)行的方式，要充分考慮各分布式電源之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，深入分析和研究微網(wǎng)的運(yùn)行特征及其對(duì)主配電網(wǎng)的影響。在進(jìn)行微網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性分析的過程中，引入分布式電源數(shù)學(xué)模型，獲悉不同運(yùn)行、擾動(dòng)和控制方式下的微網(wǎng)在恒功率控制及調(diào)差控制特性。

3.5 優(yōu)化調(diào)度及協(xié)調(diào)運(yùn)行分析

在滿足區(qū)域內(nèi)電力負(fù)荷需求的前提下，進(jìn)行太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃，引入新型配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，進(jìn)行全網(wǎng)能量?jī)?yōu)化調(diào)度、靈活調(diào)度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，使系統(tǒng)在光照充足、光照不足、陰雨、夜間等不同工況下達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，在分布式電源廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)的趨勢(shì)下，分布式發(fā)電供能系統(tǒng)日趨復(fù)雜多樣，表現(xiàn)出靈活多變的運(yùn)行模式，如：可控的冷/熱/電聯(lián)供微型燃?xì)廨啓C(jī)電源、間歇性風(fēng)力發(fā)電電源、不易控制的光伏發(fā)電電源等，由此可見，微網(wǎng)要能夠與大電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行或獨(dú)立運(yùn)行模式的無縫切換，并重點(diǎn)研究微網(wǎng)高滲透率下的大電網(wǎng)相互作用機(jī)理，同時(shí)，由于微網(wǎng)中各類負(fù)荷變化存在隨機(jī)性，導(dǎo)致電能出現(xiàn)明顯的不確定性特性，由此也突顯分布式儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的作用，在微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，蓄電池、超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)等能夠平抑系統(tǒng)擾動(dòng)，保持發(fā)電/負(fù)荷動(dòng)態(tài)平衡，維持電壓/頻率的穩(wěn)定性。

4 小結(jié)

綜上所述，太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)改變了線路潮流、繼電保護(hù)、電能質(zhì)量、調(diào)度運(yùn)行，本文提出太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力輸配電網(wǎng)的技術(shù)方案，提出優(yōu)化電力輸配電網(wǎng)系統(tǒng)的相應(yīng)對(duì)策，促進(jìn)電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行和管理的持續(xù)優(yōu)化。