論述我國的大規模光伏發電對電力系統的重大影響

劉啟明

武漢工程大學湖北武漢430000

論述我國的大規模光伏發電對電力系統的重大影響

劉啟明

武漢工程大學湖北武漢430000

現如今，充分利用可再生能源已經是全世界人民達成的共同意識，由于環境的不斷惡化，人們不斷加深對能源安全的擔憂，大規模的可再生能源作為新型的電力系統，在全球范圍內的發展速度逐漸加快，例如太陽能和風能等，該趨勢的產生凸顯出電力系統的深層次影響，各個國家在能源研究中投入了極大的經歷，所以本文主要論述了我國的大規模光伏發電對電力系統的重大影響，以提出進一步的研究內容以供參考。

光伏發電；電力系統；影響

引言

隨著社會的快速發展，人們對化石能源和能源安全等方面加大了關注力度，由于環境的不斷惡化導致人們對清潔能源和可再生能源的需求逐漸增加，大多數國家都致力于開發利用太陽能和風力發電，大規模的展開決策和規劃，促使著電力系統的新時代來臨，將新能源發電作為今后發展的標志所在。在電力線同當中，光伏發電在裝機容量之中占據的比例較大，人們的關注點都在于電力系統的規劃和仿真方面，以及調度控制方面的影響，目前的光伏發電具有兩種方式并存的格局：其一是規模化的分散開發，低壓接入和就地消納；其二是集中大規模的開發，中高壓接入和高壓遠距離外送消納。這兩種方式的出發點都是從電力系統的角度，從深度和廣度角度考慮都有極強的影響，都是國內外對光伏發電的主要研究方向。

一、光伏發電的概念以及工作原理

（一）光伏發電的概念

光伏發電主要就是指借助半導體發展技術，將光生伏特效應中的自然光轉化為電能，這種新型的技術中主要是由太陽電池板、控制器和逆變器這三個組成部分結合而成，光伏發電利用了電池串聯的原理，將上述的三種材料連接在一起，組成太陽電池組，在后期可以通過功率控制器等器械進行光能的轉化，最終組合而成光伏發電設備。

（二）光伏發電的工作原理

其主要的工作原理就是借助半導體光電效應，對光能進行一種轉換，最終成為電能，在光伏發電裝置當中，半導體是由硅原子和硼原子這兩個主要部分組合而成，由于這兩種原子都具備了電子吸附功能，在光能的轉化中起著較強的作用，半導體能夠借助這兩種原子將太陽光中的正電荷例子進行吸附，利用光波和光能量轉換成為電能，電流就由此形成。現如今我國大規模光伏發電裝置都利用到了多硅晶，其中蘊含著硅原子和硼原子這兩大元素，還融合了些許磷元素，在光伏發電系統中結合了燃燒板，能夠有效幫助其穩定發展，促使我國的電力企業可持續化。

（三）光伏發電的優點

作為新型的發電手法之一，光伏發電與傳統的發電手法相比具有一定的優勢，首先光伏發電中利用到了新能源，由太陽光來產能，所以不容易出現能源枯竭的情況，能夠為人類的未來發展提供充足的發展動力來源；其次光伏發電借助的是物理原理，通過光伏特效應發電能夠有效的保護社會環境；最后光伏發電的應用原理就是借助太陽光，太陽光是能源的根源，通過太陽光的能源轉化，才能產生新能源，有效的保障了能源的產生質量。在我國的電力企業當中，對光伏發電的應用較為廣泛，主要的原因就是光伏發電具有傳統發電所不具備的優勢，在產能和應用中都能夠促使我國電力事業的快速發展。

二、大規模光伏發電系統的建模

（一）光伏電池及其陣列建模

單二級管模型作為光伏電池的等效電路基礎，要想科學的建立完成就需要建立在KCL的基礎上，將相關的光伏電池數學表達式表達出來，所以相關的工作人員可以通過電池的提供商來獲取相關的技術參數值，例如在使用過程中可能出現的短路電流和最大功率電流以及電壓等，通過上述的數據來獲取關于大規模光伏系統的模型表達式，并且可以借用光伏電池模型和串并聯組合，得出光伏列陣集成模型，但是在形成光伏電池及其列陣模型之中仍然存在著較多問題，例如光伏組件間的差異和逆變器某型出現問題等。

（二）換流器以及內環控制模型

作為光伏發電系統的重要組件之一，換流器的主要作用就是直接影響到光伏發電單位的暫態，并且作用于其他并網，但是在現如今的換流器運用中，都是借助內外環結構控制方式，從該方式的內環為出發點，主要圍繞著電流輸入展開，而外環控制生成的電流參考值是重要的基準，二者相結合通過換流器將電流納入輸電網絡系統。此外，外環控制的主要輸入就是電壓，與外環控制相關的各個控制環節都需要電壓輸入，并且生成內環控制的電力參考值，最為直接的影響就是換流器的并網策略，或者換流器的外特征等。

在設計換流器以及內外裝置的時候，工作人員通常會利用解耦控制策略進行解耦處理，涉及到換流器機電暫態某型下的電壓和電流等，最終將信息融入到內環控制過程當中。為了保證模型的應用更加合理，相關工作人員需要不斷的簡化換流器以及內環控制環節，針對外環控制某型而言，工作人員的設定就需要按照電網系統的要求進行，以實現光伏發電系統中的換流器并網功能實現。

（三）光伏發電動態模型

在電力系統中的工作人員構建大規模光電發電系統，需要借助方程組法，針對系統中的各個狀態性方程進行解答，得出聯合方程組，在方程組的基礎上，能夠建立起大規模光伏發電系統的動態模型。

（四）光伏發電系統模型

光伏發電系統模型是一種穩態模型，利用逆變器接入電網，相關的工作人員在該過程中對PV節點和PI節點等進行測算，與此同時還可以構建變壓器問題模型的方程以及其他問題模型方程等。總而言之大規模光伏發電系統在運行的過程中需要控制多個模型，相關的工作人員要對光伏陣列和換流器的組合方式進行著重考慮，綜合考慮變壓器的參數等，對全過程的仿真模型的深入研究后，進行并網分析工作。

三、大規模光伏接入對系統特性的影響

（一）對有功頻率特性的影響

光伏發電具有五種特性：

（1）外出力的隨機波動性；

（2）電源能夠利用換流器并網來達到無轉動慣量，是無旋轉的靜止元件；

（3）是在低電壓穿越期間，具有有功動態特性和無功動態特性；

（4）需要考慮到電力電子等設備元件的安全性特點，由于電源抗擾動較差，較低的過負荷能力十分容易導致脫網；

（5）是通過逆變器并網具備有功解耦控制能力和無功解耦控制能力和四象限控制能力。

只有具備以上五種特性，才能夠促使大規模光伏接入系統的穩態/暫態特性發生一定的變化，最后對系統的運行和規劃有所影響。沖擊系統有功平衡主要是光伏電力大幅、頻繁的隨機波動性造成的，但是也可能造成一定的風險，例如在系統的一次調頻運行和二次調頻運行中，系統具備的特性和有功經濟調度運行特征所受的影響較大，十分容易產生頻率質量越限的風險問題。光伏接入后悔產生一定的變化，系統備用優化策略就是將這一變化對與常規機組等其他多類型電源的有功頻率協調控制提出了適應性的需求，包括有調頻參數整定等。并且作為一種非旋轉靜止元件，光伏電源隨著接入規模的不斷增加擴大，使得常規電源被替換，促使了系統等效轉動慣量下降，系統的應對功率缺額受到了直接的影響，還影響到了系統的功率波動能力，不斷惡化使得極端工況產生了較大的變化，頻率跌落速率和深度都是頻率急劇變化的表現，還有可能影響到低頻減載和高頻切機等，作為需要高度重視的嚴重運行問題，需要得到工作人員的重視。

（二）對無功電壓特性的影響

在我國的戈壁、荒漠等地區，由于受到當地的負荷水平的影響，大規模光伏集中接入到該類地區，由于地區內的電網短路容量相對于其他地區而言較小，大量光伏電力要想實現遠距離外送，都要利用到高壓輸電網，在近區電網和長輸電通道的穿越之中，若是產生了隨機波動的有功出力，就可能對電網的無功平衡特性造成直接的影響，促使沿途中的母線電壓波動幅度逐漸增加。但是在目前的光伏電源中的并網運行情況而言，無功電壓的支撐能力相對較小，所以無法保證電壓穩定，增加了失穩的風險，甚至發生電壓質量越限的情況。光伏分散在接入配電網的過程中具有規模化的特性，既可能影響到既有的輻射狀網架結構，還能夠改變單電源結構，將單電源結構轉變為雙電源結構，或是轉變為多電源結構，電網潮流分布大小和方向都可能影響到配電網的電壓質量，尤其是在控制過程中，復雜的電網潮流更難控制，其中主要涉及到光伏接入位置、規模和出力等。

（三）對功角穩定性的影響

作為靜止元件中的一種，光伏電源自身并沒有加入到功角震蕩的過程中，所以并不需要考慮到功角穩定問題，但是光伏電源的特性決定了當出現大規模光伏接入時，原有的電網潮流分布情況和通道傳輸公路情況將直接受到改變，還影響到了系統的等效慣量。并且在機器故障穿越期間，光伏和常規機組之間存在一定的差異性，光伏具有動態支撐性能，所以光伏接入之后就會產生一定的變化，受到電網拓撲結構和運行方式的影響，電網功角穩定性出現了變化，而光伏電源控制技術、光伏并網位置和光伏并網規模這三者都受到了電網拓撲結構和運行方式的直接影響。光伏接入后對電網的功角穩定性的影響具有不確定性，有可能改善，也可能惡化功角穩定性，所以在具體的運用中需要結合實際的情況，利用仿真分析來確定最后的光伏接入。光伏并網還受到故障穿越能力的影響，由于先天不足導致故障穿越能力較低，大大增加了脫網問題，而系統的穩定性受到脫網問題的影響更為直接，集中化和規模化的光伏還存在有許多問題，因此需要根據實際的情況，來考慮到并網的合理性以及科學評估大規模光伏的脫網風險。例如我國的第一次百萬千瓦級光伏基地，其坐落于青海，在集中接入光伏基地后直接對通道的潮流分布均勻性起作用，光伏電源體現了弱動態支撐性特點，所以綜上所述，光伏基地的集中接入降低了通道傳輸極限，可以借助切除光伏電源的方式，以及光伏電站配置動態無功補償的方式，來提高光伏接入的安全性。

震蕩型失穩是功角失穩中的一種，在此過程中會出現光伏出力波動問題，直接影響到系統的運行點，但是工作人員也要意識到并網逆變器和常規機組之間的差異性，二者中的控制策略差異能夠直接影響到系統的阻力，改變了原有的機電震蕩模式，還能夠導致新頻段范圍的震蕩。在一般情況下，光伏接入對原震蕩穩定的影響也需要根據實際情況來確定，涉及到接入位置和穿透率大小等。

（四）對小擾動穩定性的影響

光伏電池存在有電氣運行不穩定的問題，在以往的預測中光伏電池具有動力學穩定問題，但在實踐中證明其和機械與電磁量不平衡之間并不存在有關聯系，因此在大規模的光伏并網后，電網的穩定性受其影響較大。尤其是將特定的光伏功率注入到其中后，兩個運行點間的分析就可以利用小擾動法進行，實踐后發現，其中一個運行點具有不穩定性，該現象的出現主要集中于接近最大功率運行點的高出力水平。在分析光伏電氣運行不穩定點的機理中，借助動態等效阻抗適配概念發現，光伏電站的直流側電容是故障期間的不平衡功率吸收的主體，但由于電容儲能作用較小，所以導致直流測電壓快速增加，對電源的運行可靠性有較大的影響。此外還可以借助含光伏電池和逆變器等小信號數字模型的建立，來分析小干擾后的電源穩定性，通過仿真驗證的方法來觀察光照擾動后的穩定性。

（五）對電能質量的影響

電力電子的應用在大規模光伏接入后逐漸擴大了應用范圍，在系統中也融合了大量的非線性負載，因此在分析電力系統的過程中還需要考慮到污染和電能質量問題，諧波的產生主要是因為逆變器開關速度延緩導致的，但是在太陽光急劇變化的過程中，或是出現輸出功率過低等情況的時候，也可能產生諧波，尤其是在大規模光伏集中并網后出現的越來越多的電流諧波疊加問題。雖然單臺并網逆變器的輸出電流諧波較小，但是將多臺并網逆變器并聯之后就可能出現輸出電流諧波超標問題，因此需要通過多臺逆變器組合的諧波問題進行建模，在此基礎上分析穩定性問題，再對大型光伏電站逆變器并聯系統中的電網阻抗耦合效應進行分析，保證并網逆變器控制回路的帶寬和穩定裕度，才會形成并網電路諧波含量超標問題。此外，還可以利用長距離輸電線攬接入弱點網，分析光伏電站，濾波電容也會引起諧振導致次諧波放大問題。

光伏并網的問題要想得到解決，最為關鍵的就是解決直流注入問題，由于直流注入問題產生的原因包括有多個方面，不僅光伏出力的大幅、高頻隨機波動可能導致電壓波動、閃變和電壓偏差、頻率波動等問題，根據光伏接入后的電能質量問題所提出的方法能夠有效抑制諧波，其中包括有增加諧波補償器和有源濾波器以及混合濾波器等；而要想有效解決治理直流注入的方法，主要包括有安裝隔離變壓器和設計合理的逆變器拓撲結構、電容隔直、檢測補償以及虛擬電容法等。

借助太陽光來收集和存儲電離子從而形成電流是光伏發電的主要技術，該電流具有較高的穩定性，與傳統的電路相比更能夠保證電力系統的供電質量。首先是保障供電的電流質量，光伏發電產生的電流有較強的抗干擾能力，能夠在輸送的過程當中，促使電流的阻礙降低，有效的降低電流內部質量的損耗程度，維持電力供應的正常；其次是保障電流供應的電力供應速率，而在我國的電力應用系統當中，光伏發電的應用大量使得管理和輸送更加直接、便捷，通過電力輸送環節的提升帶動電力系統的輸電效率。

（六）對配電系統保護的影響

配網故障特征的變化受到光伏電源接入配電網的影響，更能夠影響到繼電保護和自動裝置。首先是網架結構，原有的單電源輻射狀網絡結構最終轉變為雙電源結構或是多電源結構，這種復雜的拓撲結構使得故障電流的大小、方向和持續時間都產生了變化，直接影響到了原有的饋線保護，使得誤動或拒動保護裝置；其次是按不同的變壓器連接方式影響到了零序電流，主要是由于與變壓器相連的逆變器中產生了額外接地回路，當出現單相接地故障時增加了未短路相的對地電壓，對繼電保護的動作特性做出了改變；再次是并網光伏變換器的擾動較為敏感，在此基礎上需要增加保護內容；最后，影響到了配電系統中的線路三相一次重合閘，以及變電站的備用電源自投裝置應用。因此為了防止非同期合閘的出現，就可以借助接有逆變器變網的線路和母線，其中的三相一次重合閘的啟動時間需要大于逆變器反孤島保護的最大動作時間，備用電源自投斷路器的動作時間同上。

分布式和高密度光伏發電系統最終都會接入到同一母線并網發電，借助多條或是一條低壓配電線路接入，但是受到同一區域的光伏發電功率受光照變化的影響，具有一定的相關性，當高密度光伏發電系統并網后就可能加劇配電網局部潮流變化的幅度，或者影響到電壓的波動范圍。

四、結語

本文論述了我國的大規模光伏發電對電力系統的重大影響，目前大規模光伏發電系統能夠在一定程度上幫助社會環節用電緊張的問題，但是也存在有一些問題，能夠影響到電力系統，當大規模光伏發電系統接入到電網系統的過程中需要分析其中存在的不確定因素，有效的防止大規模光伏發電系統對電網運行的負面影響，在此基礎上發揮大規模光伏發電系統的整體功效。

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