大規模光伏發電對電力系統影響研究

何其偉

摘 要：光伏發電作為一種新興節能用電資源和可再生資源，已經逐漸受到社會學者的重視和政府支持，成為目前主要應用的用電能源方式之一。大規模光伏發電能夠在極大程度上解決居民的用電問題，本文從光伏發電并網系統角度進行概述和研究，包括光伏發電系統模型的構建等，之后從伏發電系統相關問題著手，進一步研究光伏發電系統中存在的主要問題，并給出相應解決對策。希望大規模光伏發電能夠得到普及使用，實現社會能源資源的節約。

關鍵詞：光伏發電 電力系統 大規模

引 言

智能化信息的應用和普及，在資源能源節約和現代化能源的創新應用提供了優質的基本發展條件。分布式光伏發電能源在化學能源逐漸走向枯竭的背景下應運而生，得到了迅速發展和廣泛推廣，在現代智能化網絡信息技術不斷得以創新和普及的情況下，加之各種可用化學能源的急劇減少，分布式光伏系統發展已經成為促進社會經濟發展和維持生態平衡的必然需求。這里需要注意的是，在大規模光伏給人帶來極大生活便利性的同時，也對電力系統產生了較大影響。

一、光伏發電系統發展現狀及光伏發電網概述

（一）光伏發電系統的發展現狀

眾所周知，利用太陽能作為發電能源，既能夠有效解決資源能源的利用，又能夠起到環境保護的作用，而且太陽能能夠持續可循環使用，這也在某種程度上決定了太陽能在能源資源當中不可替代的作用和地位。對太陽能的正確使用能夠提高能源利用效率，還對資源的解決具有一定幫助作用，符合當前中國經濟發展的可持續生產和生態穩定發展的基本原則。其中，光伏發電是指利用太陽產生的光能源轉化為能夠被廣泛應用的電能，受節約能源的積極觀念影響，光伏發電技術已經逐步受到世界各地的重視，同時也成為發展速度最快的產業能源之一，并且到目前為止仍然呈持續增長狀態。由此可見，光伏發電的發展前景十分客觀，不過即時其具備許多優點，但事實上在節約能源的同時，光伏發電的應用價格要高出普通電力價格的很多倍，這在某種程度上導致光伏發電的市場競爭能力較弱，而且就目前的光伏發電技術而言，通常被應用于相對偏遠的地區，或具有一定通訊障礙的特殊地區，具有一定劣勢，不利于光伏發電的普遍發展。在此基礎上，由于中國的光伏發電技術起步相對晚一些，所以在發展過程中難免會遇到一些技術性問題，但這并不影響光伏發電的發展速度，只要對此類問題加以解決，能夠促進光伏發電更好更快的發展[1]。

（二）光伏發電網概述

通過對光伏電池組建的利用實現對太陽能的轉換，即光伏發電網，再利用線纜實現電流的傳送，并將直流電轉換為與電網頻率相同的交流電能，最終送至變壓器升壓并網。在實踐工作中會根據電網需求實現電能資源的科學配送，將電能資源傳送至公共電網當中。由于電能本身不具備存儲功能，所以站在大量能源資源和太陽能產品的發展角度而言，光伏發電極有可能對電源結構具有優化作用，并且不會造成環境污染，符合現代社會大眾的綠色環保理念，能夠在最大程度上減少能源資源的消耗和浪費，促進電能資源使用效率的提升[2]。

大規模光伏發電能夠促進我國電力能源資源的拓展，同時也提高了社會大眾的用電節約和環境保護意識。

二、大規模光伏發電系統建模

由于傳統能源使用對環境的影響污染問題逐漸突出，所以相關研究人員根據自己專業所學積極探索有關新能源開發的環境保護支持，也正因如此，光伏發電技術被逐漸應用且受到世界各地的重視。

（一）并網換流器和內環控制模型

換流器對大規模光伏系統的暫態并網特性具有一定影響，目前得到普遍使用的換流器一般是雙環控制方式。通常這種方式會以電流的輸入為主，在經過相應的控制后，形成內環電流的參考值，并直接確定其并網方式。在對換流器內環控制的過程中，采取電流輸出的方式，將外環控制作為生成電流的參考標準，輸入到公共網絡[3]。

（二）光伏電池與陣列模型

光伏電池陣列模型通常會是建立在單二極管中，主要作用原理是在基爾霍夫等效電路的原理上實現的，在通過計算的方式使之簡化，之后利用光伏發電機中的短路電流等相關技術參數，最終獲得合適的模型表達方式。之后再將模型放入工程計算中加以應用。一般情況下，這里的光伏陣列模型是在光伏電池模型計算的基礎上實現和獲得的。此時需要注意的是，光伏組件差異或遮擋等通常會對陳列逆變器產生一定影響。

（三）系統架構

為普及光伏發電系統的應用，解決光伏發電劣勢，新研制出高效信息數據處理架構DSP與ARM終端系統控制設備，通過搭建CNA總線分布，實現對光伏發電系統的有效監控，幫助居民解決光伏發電應用電源儲蓄問題，促進二者協調控制發展。該系統是利用多個用戶單元與一臺中端機器共同構組成，每1臺光伏電源配套搭配1臺儲能電源，CNA總線上的通節點由終端和分部電源共同組成，在此過程中，為確保通信質量，總線至多不可超過8個用戶端單元。

在進行通信之前，需要對各個節點和接收數據幀消息標明ID，終端與各分布式電源不同，具有優先級，其他分布式電源則要按照ID依次排列標級。通信中各個節點之間地位平等，無主從關系。因為在CNA總線分布系統協議采用的是非破壞性仲裁技術，所以在每個節點同時發送數據信息給總線時，優先級高的節點會更具優勢，保持持續傳送狀態，而節點優先級低，則會自動停止傳送數據，使二者之間能夠協調發展，確保系統應用具有較強可靠性。

三、大規模光伏發電對系統特性的影響

由于人口的持續增長，社會經濟的迅速發展，使得民眾生活中對能源的需求也在不斷增加，這在某種程度上導致各種自然資源和可再生能源的破壞，使可在生能源資源逐漸減少，如果這種問題不能盡快得到妥善的解決和治理，那我們的生活將持續面臨著環境惡化和資源枯竭的尷尬境地。開發可再生能源，循環利用可再生能源是目前發現最佳的解決手段，通過這種手段能夠幫助人們擺脫困境，實現能源的可循環利用。而在推進大規模光伏發電系統的應用過程中，發現大規模光伏發電對系統特性的一些影響，具體內容如下：

（一）對電能質量的影響

電網運行過程中考慮的首要內容是電能質量，電能質量決定了居民用電情況和可行性，在電網系統與大規模光伏發電系統相連后，實際上屬于電源結構的拓展。與此同時，在光伏發電系統當中，因為光伏數量和規模之間存在一定差異，所以電網架構也會在不同程度上受到影響。而在電流傳輸的過程中，一旦電網結構發生改變，則電網潮流分布會出現不受控制現象，此過程中，與之相應的電壓分布也會在不同程度上發生顯著改變，直接影響到居民的用電情況。另外，受電子器械普及使用的影響，電能消耗情況越來越嚴重，導致電力系統的正常運行不斷面臨新的挑戰和壓力[4]。

（二）對配電系統保護裝置的影響

電網系統的正常運行對受眾用電而言具有重要意義，為保證在電網系統運行當中能夠不受其他因素的影響和阻礙，需要相關工作人員對其進行實時保護和管理。在大規模光伏電源接入配電系統后，通常會直接改變配電系統的保護裝置，引發各種故障問題出現，如此一來，配電系統中的保護裝置將不再發揮重要作用，例如，在電網系統當中接入光伏發電系統，則會直接導致電網結構產生變化，進而影響電網系統的正常運行。而且，大規模光伏發電系統一般也會對變電站裝置造成一定影響[5]。

（三）對系統無功電壓特性的影響

由于大規模光伏發電系統的特殊性，所以在正常情況下都會將其安置在海拔較高的覅房，或選擇陽光充足地點，例如沙漠、戈壁等。選擇這些地方具有人煙稀少和用電量需求小的優勢特點，所以通常不會讓電力負荷超出其正常值。通常情況下，在使用光伏發電系統進行發電的過程中，都不會出現大型斷電短路情況，而且在利用該系統產生電能的同時，必須要用到高壓輸電向較遠的地區運輸電流。而在此過程中經常會產生輸電隨機波動現象，而隨機波動現象的出現則會引發電網平衡性失調，導致電壓在輸送途中產生震動，進而破壞電網平衡。另外，一些大型光伏發電機因為受到無功電壓限制影響，所以在運輸電能過程中，極易對電網中電壓質量造成損失影響，甚至可能導致電壓幅度越界[6]。

（四）對功角穩定性的影響

大規模光伏發電系統的特征表明，在電能經過系統生產后，會在變壓器的協助下被運輸到公共電網中。通常這種情況會讓電能的隨機波動情況變大，導致電流傳輸功率受到嚴重影響，降低電網系統的等效慣量。與此同時，因為光伏發電系統具有一定特殊性，所以在發電機組的應用方面存在較大差異，若在電網系統中并入大規模光伏發電系統，則會直接導致電網穩定性受到影響，而電網本身穩定性是否會發生較大變化，則與光伏發電機的位置及其應用技術存在直接關系[7]。

（五）對小擾動穩定性的影響

在大規模光伏發電使用過程中，通常不會出現機械不穩定或電磁量現象，但卻在一定程度上存在電氣運行不穩定現象，這對電網的穩定性具有直接影響，同時也影響了電力系統功能的順利實現。通過光伏發電系統的接入，能夠實現在真正意義上做出功率的系統變革。在對小擾動分析后得出結論，光伏發電系統中存在不穩定現象，而這種情況的出現主要存在于最大功率點附近。由于系統的不平衡性會直接被直流電吸收，進而電容存儲能力受到影響，在極大程度上被削弱，不利于發電系統的順利運行[8]。

四、光伏發電系統相關問題分析

（一）跟蹤控制問題研究

光伏發電不同于普通發電技術，受外界環境的影響相對較大，而且其輸出功率因受不同作用下的外力環境影響以及內部技術器件的各種不同程度上的影響，導致光伏發電向外輸出的曲線并非線性函數。如果光伏發電的外部環境相對穩定，那么光伏系統系統便有最大的功率輸出點存在。也正是因為想要獲得這種光率輸出點，保證光伏發電能夠出現最大輸出，在光伏發電的技術系統應用過程中，常常會設置最大輸出功率點的相關跟蹤器。其實對光伏發電的跟蹤和控制的方式不僅僅是單一的方法，比較常見的幾種方式有觀察法、固定電壓法等。除此之外，相關光伏發電的科學研究人員還將模糊控制等于光伏最大功率控制跟蹤相關的方法和方式進行跟蹤研究，同時也取得了相應的成果。綜上所述，光伏的跟蹤方式較為多樣化，但這些方法均有其利弊，所以怎樣實現最佳的光伏功率最大，還是目前廣發發電中較為重要的研究問題[9]。

（二）光伏發電并網控制研究

并網光伏發電，是指在光伏發電的基礎上，由其于并網逆變器一同構成，期間沒有蓄電池儲能，也就是說，對光伏的并網控制，能夠直接將逆變器產生的電源能量轉送到相關的公共供電系統，這一系統的研究和控制，能夠大幅度地減少在光伏發電系統中所消耗的能量，不僅如此，還對空間的應用有效減少，從而降低了光伏發電應用配置的相關成本問題。也正因如此，并網控制已經成為目前光伏發電系統當中應用次數最多的形式，但是要想將并網發電技術應用得當，必須要重視其中的逆變環節，如果忽視其中的逆變環節，那么并網光伏發電將會產生嚴重的技術性問題，所以在IEEE的有關標準規定中對技術人員的操作逆變技術有著嚴格的要求。除此之外，為確保并網控制的順利應用和環境保護，積極提高并網控制質量和相關的策略問題也是光伏發電問題中被重點對待的問題之一[10]。

（三）光伏發電中的孤島效應

孤島效應，通常是指電器發生一定系統性鼓掌之后，對電網造成一定惡劣的影響，使得供電終止，但其中聯系到的各種太陽能發電系統卻并沒有在第一時間之內檢測到停電狀態，幫助自身從電網中脫離出去，在這樣的背景下，太陽能的相關發電系統會單獨成為一個公共電網系統，這種系統的形成不再供電的控制范圍之內，形成一個獨立的供電系統。這種現象的發生在某種程度上對電力相關的維修人員會造成一定安全性威脅，甚至會影響整個電網的正常發展，這就要求供電系統必須能夠對電網出現的故障進行及時的檢測和分析，之后終止供電運行，確保供電系統的安全性。應對孤島效應發生的方式普遍被分為主動型和被動型的兩種控制方式，但其根本目的都是為了保證對供電檢測的有效性和精準性。

四、光伏發電并網控制策略

（一）光伏發電并網技術要求

利用光伏發電是指通過太陽能所輻射出的能源資源，來實現熱量與電和光之間的轉換，太陽能光伏發電技術是利用相關導體的伏特效應來實現的光伏發電技術。關于光伏并網發電的技術，由于其由光伏陣列、控制器和光伏相關變換器所共同組成。其中光伏變換器會將光伏中發出的電流直接轉變之后引入電網當中，光伏控制器主要是對光伏跟蹤控制的波形等進行相應的控制管理，能夠保證光伏的發電功率在最大化。同時，光伏發電的并網技術也是其系統當中的核心應用技術，能夠有效改善發電的整體質量，能夠從整體上幫助光伏發電營造其相應的可靠性。而且伴隨光伏系統的逐漸增加和完善，在某種程度上其擁有協調電網的優化能力。也正因如此，相關研究光伏發電技術的有關人員制定出一套優化光伏發電技術的相關規定和尺度的要求。

（二）光伏發電并網電流控制

并網光伏發電系統的電流控制一半具有較為明顯的光伏發電特點，即在光伏發電相關組建當中產生的直流電，在經過光伏并網有關逆變器的調節和轉變之后，成為符合相關用戶及政府要求的規格用電，并能夠直接流入到公共電網當中。當太陽光照能夠保持一定重組量的同時，系統能夠自動生成的電力能夠供給負載，而后將其中殘留的用電直接反饋到公共電網當中，不論白晝都能夠為公共用電提供相應的電量供應。這種并網電流控制系統與獨立的光伏發電相關系統比較而言，具有傳輸電量的直接性，并網型光伏發電技術能夠將電流直接引入到公共發電電網當中。由此可見，光伏電網的并網電流控制能夠免除中間復雜的其他步驟，但其中應用的逆變器需要使用的是特殊并網專用逆變器。

（三）光伏并網逆變技術

光伏并網逆變技術能夠實現最大的電網功率跟蹤，后級逆變電路也會采用相應的控制方式，對電壓的控制逆變和電壓能夠逐漸穩定，實現電流之間的并網控制。在此系統當中，對最大功率的響應跟蹤和并網之間的互動是相對獨立的，并且互相沒有關聯，能夠確保整個系統中的運作更加靈活。除此之外，為了能夠更加確定逆變器的輸出能夠與電網之間具有相同的頻率，所以需要對電網的信號進行實時采集工作，并與相關技術系統檢測出的信號進行同步終端，以該中斷的控制點為基本時間點控制。由此可見，光伏并網逆變技術能夠幫助光伏發電向更加完善的方向發展，對光伏發電的應用具有十分重要的影響。

結 論

綜上所述，中國的光伏發電技術雖遠不及發達國家發展的時間早，但這并不影響其發展速度。不過光伏發電系統的發展雖然十分迅速，但在實際應用過程中還是主要存在于偏遠地區的發展和管理應用，并且受地理位置的相關影響，此類系統通常沒有有關技術人員進行相應的維護工作，也正因如此，并無哪個行發電系統中逆變器的應用顯得十分重要。與此同時，大規模光伏系統的應用可以在極大程度上對用電緊張問題起到緩解作用，與此同時也會對電力系統產生一定影響，在大規模光伏發電被接入電網系統的過程中，還需要將其中的不確定性等內容進行全面分析，充分發揮大規模光伏的整體作用。總之，為更好地促進大規模光伏發電系統的正常運行，有效服務大眾，還想要加大對光伏的研究力度，進而有效提高電力資源能源的利用率。

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