光伏電站運(yùn)行中存在的問題及對(duì)策

張雪榮

摘要：本文探討了光伏電站運(yùn)行中存在的問題及對(duì)策。

關(guān)鍵詞：光伏電站電網(wǎng)運(yùn)行

太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對(duì)的安全性、相對(duì)的廣泛性和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一種在國(guó)內(nèi)新興的發(fā)電項(xiàng)目，具有安全可靠、無噪聲、清潔能源以及資源豐富、沒有地域界線、建設(shè)周期短等特點(diǎn)而成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一，它的應(yīng)用將大幅降低溫室氣體的排放，減少人類對(duì)化石燃料的依賴，有效降低環(huán)境污染，與傳統(tǒng)化石能源相比較具有明顯的環(huán)境效益。

1太陽能光伏發(fā)電站的主要構(gòu)件和工作原理

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，其關(guān)鍵元件是太陽能電池板。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，將一定數(shù)量的光伏組件組成串，通過直流匯流箱多串匯集，經(jīng)逆變器逆變與升壓變壓器升壓后，變成符合電網(wǎng)頻率和電壓等級(jí)要求的電源。即由一定數(shù)量的光伏組件→直流匯流箱→直流柜→逆變器→升壓變壓器的組合體構(gòu)成一個(gè)光伏發(fā)電單元，由一個(gè)或多個(gè)光伏發(fā)電單元的組合體就構(gòu)成一個(gè)光伏發(fā)電站。（如右圖）

在公網(wǎng)正常運(yùn)行的情況下，光伏電站通過逆變器中的防孤島裝置對(duì)公網(wǎng)的電壓、頻率、相位、功率因數(shù)等進(jìn)行不斷檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到逆變器工作時(shí)的電壓、頻率與系統(tǒng)電網(wǎng)相一致，且功率因數(shù)又達(dá)到設(shè)定的要求值時(shí)，逆變器自動(dòng)與系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，否則，逆變器會(huì)一直處于監(jiān)測(cè)過程中。

2光伏電站運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的影響

光伏發(fā)電站作為可再生能源發(fā)電的重要組成部分，具有波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn)，運(yùn)行中的光伏電站易使電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染、電壓波動(dòng)和閃變。

首先，光伏發(fā)電站并網(wǎng)運(yùn)行會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。逆變器的防孤島保護(hù)采用被動(dòng)檢測(cè)（檢測(cè)系統(tǒng)電壓、頻率）與主動(dòng)移頻，不斷地對(duì)系統(tǒng)電壓、頻率進(jìn)行擾動(dòng)，在判斷是否孤島運(yùn)行的同時(shí)，也使逆變器產(chǎn)生了諧波污染；另外光伏電站在將直流電能經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波交流電能的過程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，特別是逆變器輸出輕載時(shí)，諧波會(huì)明顯變大，在10%額定出力以下時(shí)，電流總諧波畸變率甚至?xí)_(dá)到20%以上。因此，在太陽能光伏發(fā)電站實(shí)際并網(wǎng)時(shí)需對(duì)其諧波電壓（電流）進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，如不滿足，則需采取加裝濾波裝置等相應(yīng)措施，以避免對(duì)公網(wǎng)的電能質(zhì)量造成污染。

其次，光伏發(fā)電站易造成電網(wǎng)的電壓閃變。電站的啟動(dòng)和停運(yùn)與氣候條件等因素有關(guān)，其不確定性是造成電網(wǎng)電壓閃變的重要原因之一；同時(shí)，若光伏發(fā)電站輸出電壓突然變化，系統(tǒng)和反饋環(huán)節(jié)的電壓控制設(shè)備相互影響也容易直接或間接引起電壓閃變。

最后是對(duì)系統(tǒng)電壓的影響。光伏發(fā)電站的電壓波動(dòng)可能是由于出力變化或者電氣系統(tǒng)引起，若大量光伏電站接入到配網(wǎng)的終端或饋線末端，由于存在反向的潮流，電站電流通過饋線阻抗產(chǎn)生的壓降將使沿饋線的各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處電壓被抬高，導(dǎo)致一些負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓越限。另外，光伏發(fā)電站輸出電流的變化也會(huì)引起電壓波動(dòng)，當(dāng)光伏發(fā)電站容量較大時(shí)，將會(huì)加劇電壓的波動(dòng)，可能引起電壓、無功調(diào)節(jié)裝置的頻繁動(dòng)作，加大配電網(wǎng)電壓的調(diào)整難度。

3運(yùn)行前期存在的問題及對(duì)策

太陽能光伏發(fā)電站的并網(wǎng)運(yùn)行目前在國(guó)內(nèi)屬于新興事物，是大勢(shì)所趨。雖然光伏企業(yè)及電力部門都在積極探索中，但因缺乏經(jīng)驗(yàn)及參考資料有限等原因，雙方配合起來還是困難重重。首先，光伏企業(yè)讓非電力專業(yè)的廠家來安裝調(diào)試專業(yè)監(jiān)控信號(hào)，專業(yè)術(shù)語溝通困難，造成遠(yuǎn)動(dòng)信息對(duì)接不規(guī)范；其次光伏企業(yè)電工屬臨時(shí)招聘，業(yè)務(wù)技能有限且水平參差不齊，造成操作管理困難；再次光伏企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)了解甚少，安裝設(shè)備不達(dá)標(biāo)、不規(guī)范，建站前期與電力企業(yè)缺乏溝通，工程草草了事后又急于驗(yàn)收送電，結(jié)果適得其反，造成一項(xiàng)工程重復(fù)驗(yàn)收、多次改動(dòng)的被動(dòng)局面，給雙方的人力、物力、財(cái)力都造成了不必要的浪費(fèi)。目前偃師電網(wǎng)除已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行的阿特斯15個(gè)接入點(diǎn)30兆瓦光伏發(fā)電站外，方孔光伏電站的11個(gè)接入點(diǎn)20兆瓦分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目也正在緊鑼密鼓進(jìn)行中，并網(wǎng)運(yùn)行已指日可待。為此我們及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，組織有關(guān)人員編寫了分布式光伏電站新設(shè)備并網(wǎng)的管理規(guī)定，以此規(guī)范光伏電站的并網(wǎng)運(yùn)行，保證與之并網(wǎng)的公網(wǎng)安全；另一方面也給新建的光伏電站提供參考，使其在建設(shè)過程中盡量規(guī)范，少走彎路。

4運(yùn)行中出現(xiàn)的問題及對(duì)策

太陽能光伏電站本身是依靠太陽光照進(jìn)行發(fā)電，天氣的陰晴、太陽光照時(shí)間的長(zhǎng)短、光照紫外線的強(qiáng)弱及所處環(huán)境對(duì)太陽能板的污染程度等都對(duì)光伏電站的發(fā)電量影響很大。因前期運(yùn)行的阿特斯光伏電站沒有設(shè)計(jì)儲(chǔ)能設(shè)備，所發(fā)電量即發(fā)即用，一天中產(chǎn)生的負(fù)荷曲線、功率因數(shù)等也隨日出日落而變化明顯，這對(duì)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的電力系統(tǒng)來說無疑是一個(gè)致命的弱點(diǎn)。

公司調(diào)度管轄范圍內(nèi)的30MW分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，目前已并網(wǎng)運(yùn)行15個(gè)發(fā)電站，分別通過10kV#1英岳線、2英岳線、2潘谷線、岳后線上網(wǎng)。其中一條10kV#1英岳線上光伏發(fā)電站的接入點(diǎn)就有10個(gè)之多，但接入容量?jī)H10.75MW，屬于典型的接入點(diǎn)多面廣容量小的接線方式，給上網(wǎng)線路的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行帶來了一定的負(fù)作用，直接導(dǎo)致線路工作時(shí)倒閘操作量大，停、送電時(shí)間延長(zhǎng)，檢修維護(hù)麻煩以及線路跳閘時(shí)故障點(diǎn)查找困難等諸多問題，同時(shí)也給調(diào)控值班員平時(shí)的工作增加了難度。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)光伏電站均配置有防孤島保護(hù)。在公網(wǎng)突然失電時(shí)，防孤島保護(hù)將在2s內(nèi)動(dòng)作將逆變器停運(yùn)。由于阿特斯光伏電站目前并網(wǎng)運(yùn)行的逆變器多達(dá)56臺(tái)，逆變器防孤島保護(hù)采用被動(dòng)檢測(cè)與主動(dòng)移頻相結(jié)合的檢測(cè)方法，理論上任何單臺(tái)運(yùn)行的逆變器在公網(wǎng)斷電時(shí)均能立即并可靠動(dòng)作將逆變器停止運(yùn)行，但多臺(tái)逆變器并列運(yùn)行時(shí)的防孤島保護(hù)動(dòng)作可靠性問題目前在行業(yè)內(nèi)尚無成熟結(jié)論。

實(shí)際運(yùn)行中，我們?cè)鴮?duì)接入點(diǎn)較少的2潘谷線做過防孤島保護(hù)的可靠性測(cè)試。斷開2潘谷1開關(guān)后發(fā)現(xiàn)2潘谷線上所帶光伏電站的電壓、電流、有功、無功等數(shù)據(jù)仍呈動(dòng)態(tài)變化，且變化時(shí)間超過3分鐘，3分鐘后光伏電站遠(yuǎn)動(dòng)中斷，因此無法確定2潘谷線孤網(wǎng)運(yùn)行的具體時(shí)間。

由于并列運(yùn)行的多臺(tái)逆變器防孤島保護(hù)在一定條件下存在死區(qū)（逆變器型號(hào)不同時(shí)情況更嚴(yán)重），在上網(wǎng)線路斷電時(shí)極易造成孤網(wǎng)運(yùn)行。投入重合閘的10kV或35kV并網(wǎng)線路在發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)，由于10kV和35kV開關(guān)均不具備檢同期能力，又極易造成非同期合閘，這將直接威脅開關(guān)、線路和主變的安全。

另外光伏電站的運(yùn)行值班人員全部是從社會(huì)上臨時(shí)招聘，業(yè)務(wù)技能參差不齊且能力有限，這就造成對(duì)調(diào)度指令的理解和執(zhí)行均存在較大難度。

同時(shí)，光伏發(fā)電站并網(wǎng)的逆變器易產(chǎn)生高次諧波、三相電流不平衡等問題。通過對(duì)阿特斯光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行一段時(shí)間的觀察，發(fā)現(xiàn)天氣越晴朗，電壓波動(dòng)越小，霧霾天氣對(duì)公網(wǎng)變電站的母線電壓波動(dòng)峰值及頻率均影響較大。具體如下：

①公網(wǎng)變電站10kV母線電壓波動(dòng)與所帶的光伏電站并網(wǎng)容量有關(guān)，容量越大，母線電壓波動(dòng)越嚴(yán)重。②公網(wǎng)變電站10kV母線電壓波動(dòng)與天氣密切相關(guān)，在高輻照度情況下，光伏電站并網(wǎng)時(shí)電壓波動(dòng)甚微，在低輻照度情況下，光伏電站并網(wǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)電壓波動(dòng)，而且輻照度越低，電壓波動(dòng)越嚴(yán)重。③公網(wǎng)變電站10kV消弧線圈投入后，未能抑制該10kV母線電壓波動(dòng)情況，說明該情況為線性諧振的可能性不大，是否與公網(wǎng)變電站10kV系統(tǒng)其他設(shè)備共同作用形成鐵磁諧振或參數(shù)諧振還有待于思考。

針對(duì)運(yùn)行中存在的問題，我們先后多次組織公司和光伏企業(yè)有關(guān)人員一起進(jìn)行討論、分析，并最終形成了行之有效的解決問題的辦法。

①由于1英岳線上接入點(diǎn)太多，每次工作時(shí)都提前與有關(guān)部室及配電所溝通，采取集中人力、物力共同操作的方法，盡量縮短操作時(shí)間。②針對(duì)光伏電站的孤島運(yùn)行問題，要求新建的伊濱區(qū)方孔光伏電站接入同一變電站的逆變器盡量采用統(tǒng)一型號(hào)；單條線路的光伏接入點(diǎn)應(yīng)盡可能的減少；接入點(diǎn)開關(guān)應(yīng)具備遠(yuǎn)方操作功能且遙信功能準(zhǔn)確可靠，保證在公網(wǎng)斷電的情況下能夠遠(yuǎn)方操作。③對(duì)非同期合閘問題，我們制訂了《光伏電站運(yùn)行管理辦法》，明確接有光伏電站的上網(wǎng)線路兩端重合閘退出運(yùn)行，以解決非同期合閘問題。④針對(duì)光伏電站人員素質(zhì)參差不齊問題，我們有針對(duì)性地對(duì)光伏電站值班員進(jìn)行了專項(xiàng)培訓(xùn)，并隨時(shí)解答他們提出的問題。⑤為了解決上網(wǎng)變電站母線電壓波動(dòng)問題，我們與阿特斯光伏電站的有關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行了多次溝通，最終確定在每個(gè)逆變器上加裝濾波器，使其在檢測(cè)系統(tǒng)電壓和頻率的同時(shí)，濾波裝置能先將檢測(cè)到的不符合電網(wǎng)運(yùn)行要求的高次諧波濾掉，再進(jìn)行直流變交流的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到濾高次、通標(biāo)準(zhǔn)諧波的目的。

經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行觀察和調(diào)整，目前已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行的15個(gè)光伏電站全部運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，公網(wǎng)變電站的母線電壓也基本保持在合格范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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