大規模光伏發電對電力系統影響綜述

王曦瑩 尹乙臣

摘 要：本文首先對光伏發電并網定義和優點作出概述，然后結合國內外研究成果，著眼于光伏發電和電力系統之間的聯系，對大規模光伏發電對電力系統的影響進行分析，并提出幾點未來研究重點建議，希望對業內研究可以起到參考作用。

關鍵詞：大規模光伏發電；電力系統；電壓穩定性

中圖分類號：TM715 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）06-0138-01

隨著節能意識的不斷提升，太陽能發電、風力發電等技術得到了全社會的廣泛關注，這些發電方式更具清潔性，光伏發電在新能源發電中占有重要地位，對于電力系統來說，大規模光伏發電對其具有重要影響，但是在并入電網過程中，可能會產生一些問題。

1 光伏發電并網概述

利用光伏電池，光伏發電系統可以產生電流，然后將電流送入變壓器和逆變器，和電網實際需求進行結合，可以讓公網得到電能傳輸。在此過程中，并不需要經過蓄電池的儲能，可以在最大程度上控制能源消耗，讓電能利用率得到提升，同時，利用光伏數組可以完成太陽能到電能的轉換過程，逆變器可以進一步轉換電流。光伏系統具有良好的發電效益，可以減緩當前電力需求與電力供應之間的緊張局勢，且具有環保效益。

2 大規模光伏發電對電力系統影響

2.1 無功電壓特性

大規模光伏多集中接入在荒漠地區與戈壁地區，如果當地負荷水平相對較低，且接入地區電網電路容量相對較小，那么利用高壓輸電網，可以遠距離外送大量光伏電力，但是隨機波動有功出力會穿越到近區電網和長輸電通道，會讓電網無功平衡特性受到影響，讓光伏電源無功電壓支撐能力減弱，周林等人針對此現象進行研究，發現大規模光伏發電可能會形成電壓失穩風險，且光伏接入會讓電網輻射狀網架結構發生改變，可能會影響到配電網電壓質量，和光伏接入規模與接入位置[1]。

2.2 有功功率特性

在Egashira R和Tsuji等人通過試驗模擬，發現大規模光伏發電會對有功功率造成影響，作者指出，光伏電力本身具有頻繁且大幅的隨機波動性，會沖擊系統有功平衡，讓一次調頻和二次調頻受到影響，且會改變系統備用優化策略，常規機組等多類型電源有功頻率協調控制和調頻參數整定需要滿足適應性要求。而我國國內學者也通過實際調查指出，在極端工況條件下，可能會讓頻率發生急劇變化，可能會讓低頻減載安控、高頻切機安控得以觸發，進而影響整體有功功率。

2.3 功角穩定性

日本學者對當地大規模光伏發電進行研究，發現在大規模光伏接入后，電網原有潮流分布會發生轉變，會讓系統等效慣量得以減小，除此之外，故障穿越期間光伏和常規機組動態支撐性能具有差異性，在接入光伏后，可能會改變電網功角穩定性，電網拓撲結構采用的光伏電源控制技術與光伏并網位置決定了變化情況，對此進行確認時需要利用仿真分析實驗。結合實際情況，我國第一個百萬千瓦級青海光伏基地在集中接入之后，使得通道潮流均勻分布發生改變，最后，通過切除光伏電源并配置動態無功補償的方法使其安全性得到提升。在Achilles S等人的研究中，指出系統運行點會受到波動光伏出力的影響，系統阻尼會發生變化，通常情況下，穿透率大小、接入位置情況會影響到原振蕩穩定性，在該研究中，發現系統振蕩特性會受到主動孤島檢測的影響，將光伏發電系統滲透入網方式進行比較，發現分散方式和集中方式相比對振蕩穩定具有更好的效果。

2.4 配電系統保護

張璐等人對我國西北部大規模光伏發電進行模擬實驗，發現配電網在光伏電源接入之后，會改變配網故障特征，會影響到繼電保護與自動裝置。其具體影響主要表現在四個方面：（1）依照變壓器連接方式，連接變壓器的逆變器會額外形成接地回路，會讓零序電流受到影響，可能會讓繼電保護動作特性發生改變；（2）利用單電源輻射狀網絡，可以將網架結果轉變為多電源復雜拓撲結構與雙電源復雜拓撲結構，改變故障電流方向、大小和持續時間；（3）如果PV系統反孤島保護功能沒有協調配合自動重合閘等裝置，那么就可能讓非同期合閘情況出現；（4）在配電系統中，變電站備用電源自投裝置和線路三相一次重合閘會受到影響，為讓非同期合閘現象得到規避，如果接入線路、母線經過逆變器并網進行接入，那么逆變器反孤島保護最大動作時間需要小于三相一次重合閘啟動時間或須備用電源自投斷路器動作時間[2]。

2.5 電能質量

董偉杰等人對間歇式電源并網環境下電能質量問題進行研究，發現大規模光伏發電會對電力系統中電能質量造成影響。在接入大規模光伏之后，電力系統中廣泛應用了多樣化的電力電子裝置，讓大量非線性負載得以融入，可能會污染電力系統，讓電能質量出現問題。主要體現在三個方面：（1）在大規模光伏集中并網時，可能會出現電流諧波疊加問題；（2）會延緩逆變器開關速度，可能讓輸出失真，讓諧波產生；（3）在太陽光變化劇烈且輸出功率相對較低的條件下，可能會有很大諧波產生。

除此之外，我國學者羅鳳章著眼于并網逆變器并聯系統數字控制，建立了多臺逆變器穩定性與諧波問題的相關模型，對此進行研究，發現有電網阻抗耦合效應存在于大型光伏電站逆變器并聯系統中，這種耦合效應可能會讓穩定裕度降低，影響電能質量；同時，如果利用長距離輸電線纜來讓弱電網和光伏電站實現連接，那么濾波電容可能會讓諧振出現[3]。對此，學者提出多樣化解決措施，即增強逆變器拓撲結構合理性、安裝隔離變壓器、檢測補償、電容隔直、利用虛擬電容法。

3 相關建議

參考當前大規模光伏發電對電力系統的影響研究，結合實際情況，可點明今后的研究重點。第一，需要研究大型光伏電站等值建模方法與相關理論，在此過程中，需要對光伏陣列、并網拓撲、換流器組合方式和變壓器參數予以考慮；第二，需要對高壓交直流外送、大規模光伏集中接入等多種場景進行研究，對規模化光伏、大電網動態特性交互作用機理進行分析，以此來明確大規模光伏接入后，大電網安全性與穩定性受到的影響；第三，需要對光伏規模化接入后的自動裝置、保護方案和自動化系統適應技術進行研究；第四，需要對大規模光伏接入、外送適應性受到的現有三道安全防線的影響進行研究。

現階段，我國大規模光伏外送輸電技術、光伏消納有功無功將控制技術均有很大的改善空間。對此，業內還需對新型輸電技術輸送光伏波動性能源社會效益、經濟效益進行分析，需要對其運行技術進行研究；同時，業內需要對大規模光伏輸電系統網架結構優化原則、優化技術進行分析，對動態性能光伏接入送端電源結構進行研究；針對大規模光伏發電的未來發展趨勢，需要對大規模分散式接入智能配電網規劃技術做出進一步研究，主要包含了光伏電站布點設計、系統結構優化方法設計、微網模式設計等；需要對光伏接入后的安全評估技術和提升供電效果決策輔助技術進行研究。

4 結語

綜上所述，大規模光伏發電對電力系統的影響主要體現在無功電壓特性、有功功率特性、功角穩定性、配電系統保護和電能質量這五個方面，結合當前實際情況，在未來需要對大型光伏電站等值建模方法、伏規模化接入后的自動裝置、大規模光伏輸電系統網架結構優化原則等方面做出進一步研究，以提升我國大規模光伏發電技術水平，取得更大的社會效益與經濟效益。

參考文獻

[1]周林，邵念彬.大型光伏電站無功電壓控制策略[J].電力自動化設備，2016，36（04）：116-122+128.

[2]張璐，唐巍，叢鵬偉.含光伏發電的配電網有功無功資源綜合優化配置[J].中國電機工程學報，2014，34（31）：5525-5533.

[3]羅鳳章，米肇豐，王成山.并網光伏發電工程的低碳綜合效益分析模型[J].電力系統自動化，2014，38（17）：163-169.