光伏并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的影響分析

0 引 言

近年來，傳統(tǒng)能源不僅存在能源緊缺問題，還帶來了環(huán)境污染問題。全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行，清潔能源正逐漸取代傳統(tǒng)能源[1]。太陽能因節(jié)能減排、取之不盡的特性深受人們喜愛，未來我國(guó)將進(jìn)一步擴(kuò)大光伏發(fā)電的應(yīng)用范圍。同時(shí)，光伏出力的隨機(jī)波動(dòng)性影響電網(wǎng)的運(yùn)行，主要集中在自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)、自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)及自動(dòng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)等方面。因此，研究光伏并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)意義重大。

1 光伏并網(wǎng)與自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)

近年來，我國(guó)正大力推進(jìn)新能源的普及，如太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能等非常規(guī)能源正逐漸代替煤炭、石油等傳統(tǒng)能源。在眾多新能源項(xiàng)目中，太陽能的應(yīng)用最普遍，與扶貧、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域的結(jié)合也越來越緊密。在政策扶持和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求被激發(fā)的情況下，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)迅猛[2]。隨著市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式趨于多元化。“漁光互補(bǔ)”“農(nóng)光互補(bǔ)”“光伏扶貧”等發(fā)展模式的興起，促使光伏產(chǎn)業(yè)生機(jī)勃勃。

同時(shí)，光伏發(fā)電出力具有明顯的波動(dòng)性和隨機(jī)性，且隨著太陽光照強(qiáng)度的變化，其大小隨之變化。圖1為某地區(qū)典型日的光伏出力曲線。首先需保證系統(tǒng)功率的動(dòng)態(tài)平衡。系統(tǒng)中的負(fù)荷隨時(shí)變化，故需配備自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)應(yīng)對(duì)負(fù)荷的不確定性。當(dāng)系統(tǒng)中接入光伏電站后，光伏出力也具有不確定性，故需設(shè)置更多的旋轉(zhuǎn)備用容量，以應(yīng)對(duì)增大的系統(tǒng)不確定性，提高對(duì)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)的要求。

圖1 光伏的典型出力曲線

由圖1可知，光伏出力在白天太陽光照強(qiáng)度較高時(shí)段，出力較大；在夜間光照強(qiáng)度為零時(shí)，光伏出力為零。光伏出力顯著的波動(dòng)性給系統(tǒng)的自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)（AGC）帶來了一定挑戰(zhàn)。系統(tǒng)保證穩(wěn)定運(yùn)行，

光伏并網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量的影響，主要包括對(duì)系統(tǒng)的正旋轉(zhuǎn)備用容量和負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量的影響。當(dāng)光伏出力較小時(shí)，系統(tǒng)中的常規(guī)機(jī)組需增大發(fā)電出力，滿足系統(tǒng)的負(fù)荷需求[3]；當(dāng)光伏出力較大時(shí)，系統(tǒng)中的常規(guī)機(jī)組需減小發(fā)電出力，保證系統(tǒng)功率時(shí)刻保持動(dòng)態(tài)平衡。

系統(tǒng)的自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)主要是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率。電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整按照負(fù)荷變化的周期和幅值大小進(jìn)行區(qū)別對(duì)待。針對(duì)不同的負(fù)荷變動(dòng)分量，劃分為一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和三次調(diào)頻，從而做到合理分配機(jī)組的調(diào)節(jié)功率，同時(shí)考慮系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和計(jì)劃發(fā)電量等因素的影響[4]。一般而言，光伏并網(wǎng)后，需結(jié)合自動(dòng)發(fā)電控制和安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定斷面越限的預(yù)防和校正控制，給出系統(tǒng)的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略。

2 光伏并網(wǎng)與自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)

我國(guó)光伏行業(yè)發(fā)展迅速，在高純多晶硅原材料生產(chǎn)、太陽能電池生產(chǎn)、太陽能電池組件生產(chǎn)及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備制造等領(lǐng)域均處于領(lǐng)先地位。例如，擁有一流生產(chǎn)工藝和國(guó)際先機(jī)設(shè)備的展宇新能源股份有限公司，憑借自主生產(chǎn)的領(lǐng)先國(guó)際水平的多晶黑硅太陽能電池，成為全球規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的黑硅電池生產(chǎn)商。光伏發(fā)電需采用大量的電力電子裝置，消耗大量的系統(tǒng)無功功率，故光伏并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的電壓和自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)（AVC）有一定的影響[5]。光伏電站出力受太陽能資源的影響，具有規(guī)律性和波動(dòng)性。

光伏發(fā)電的有功功率不斷變化，無功功率也隨之不斷變化，而電壓與系統(tǒng)的無功功率水平關(guān)系密切。當(dāng)系統(tǒng)中的無功功率充裕時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電壓沖擊的能力強(qiáng)；當(dāng)系統(tǒng)中的無功功率不足時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電壓沖擊的能力弱，易出現(xiàn)電壓崩潰的現(xiàn)象。系統(tǒng)常采用的電壓調(diào)整方式有并聯(lián)電容器、調(diào)節(jié)有載變壓器的分接頭位置或者調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行方式。將負(fù)荷較重或電壓調(diào)節(jié)壓力較大地區(qū)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他線路接收，有利于系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)。對(duì)于有大量光伏并網(wǎng)的地區(qū)，應(yīng)配備足夠的無功電源。當(dāng)系統(tǒng)無功功率不足時(shí)，無功電源可快速響應(yīng)，提高系統(tǒng)對(duì)電壓的調(diào)節(jié)水平，進(jìn)而保障系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

在含光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)調(diào)度或優(yōu)化控制模型中，加入系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓約束；在滿足系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓正常的前提下，實(shí)現(xiàn)光伏的最優(yōu)并網(wǎng)控制。只有當(dāng)無功功率水平和電壓水平均處于合理范圍時(shí)，才可維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)作用重大，尤其是當(dāng)光伏大量并網(wǎng)時(shí)，更需發(fā)揮電壓調(diào)節(jié)作用。

3 光伏并網(wǎng)與系統(tǒng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)

光伏發(fā)電是利用太陽能電池的光伏板接收太陽光能并轉(zhuǎn)換為電能的一種技術(shù)，是國(guó)家鼓勵(lì)推廣的新能源發(fā)電項(xiàng)目。光伏扶貧政策在我國(guó)很多地區(qū)得到了很好落實(shí)，不管是集中式的大規(guī)模光伏電站還是裝機(jī)容量較小的分布式光伏，光伏的總裝機(jī)容量在不斷擴(kuò)大。由于光伏出力的波動(dòng)性和不確定性，需設(shè)置更多的輔助服務(wù)以保證光伏并網(wǎng)后的系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。式（1）為系統(tǒng)的功率平衡約束，光伏發(fā)電出力不斷變化將影響系統(tǒng)的功率平衡，使系統(tǒng)有一定的穩(wěn)定運(yùn)行壓力。

其中，PG,i和QG,i分別為系統(tǒng)中電源發(fā)出的有功功率和無功功率，包括常規(guī)機(jī)組和光伏發(fā)電機(jī)組；PD,i和QD,i分別為系統(tǒng)中負(fù)荷的有功功率需求和無功功率需求；NB為系統(tǒng)中的總節(jié)點(diǎn)數(shù)。

為保持系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，電網(wǎng)都配備了相應(yīng)的穩(wěn)定控制措施，包括負(fù)荷的批量控制和多輪負(fù)荷切除等系統(tǒng)穩(wěn)定控制裝置。當(dāng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行受到挑戰(zhàn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)負(fù)荷控制策略。依據(jù)安裝負(fù)荷的重要程度和負(fù)荷在電網(wǎng)中的分布情況，實(shí)現(xiàn)分輪次切除，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)中的光伏發(fā)電占比較大時(shí)，由于光伏出力時(shí)大時(shí)小，對(duì)系統(tǒng)中的控制穩(wěn)定裝置的控制性能和控制策略的要求也較高。負(fù)荷切除后，可采用儲(chǔ)能裝置、多能互補(bǔ)等多處措施，滿足系統(tǒng)的棄光電量不過高的要求。

為使我國(guó)未來光伏發(fā)電向高質(zhì)量、高比例的方向發(fā)展，還需解決以下幾方面問題。第一，大電網(wǎng)向智能化、高效化方向發(fā)展，逐漸實(shí)現(xiàn)可再生能源友好型，即提高有間歇性的太陽能發(fā)電的并網(wǎng)率。在高速雙向通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、控制方法及決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化。第二，做好國(guó)內(nèi)的區(qū)域互聯(lián)，強(qiáng)化清潔能源開發(fā)消納，而微能源網(wǎng)是一個(gè)重要的發(fā)展方向。微能源網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)最核心的子單位，可通過能源存儲(chǔ)和優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)本地能源生產(chǎn)與用能負(fù)荷的基本平衡，實(shí)現(xiàn)按需與公共電網(wǎng)的靈活互動(dòng)。

4 結(jié) 論

與傳統(tǒng)能源易造成環(huán)境污染且存在一定安全隱患不同，光伏發(fā)電以太陽能為原料，具有安全可靠、無噪聲、無污染排放及絕對(duì)干凈的優(yōu)點(diǎn)，且很少受地域資源分布的限制。我國(guó)絕大多數(shù)地方都可很好地利用太陽能，因此光伏發(fā)電具有廣闊的應(yīng)用前景。光伏發(fā)電具有可持續(xù)性，在我國(guó)未來能源結(jié)構(gòu)中的占比將進(jìn)一步提高。通過處理好光伏并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)電控制、自動(dòng)電壓控制和自動(dòng)穩(wěn)定控制的影響，將進(jìn)一步擴(kuò)大光伏并網(wǎng)的規(guī)模，實(shí)現(xiàn)光伏產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展。