能源互聯網背景下大容量并網光伏電站技術探討

楊 棟

北京京能清潔能源電力股份有限公司（北京 100028）

0 引言

能源革命和數字革命共同推動我國電網向能源互聯網轉型升級。與其他發電能源類型相比，太陽能具有清潔無污染及豐富可再生的突出優勢，在我國新能源利用和開發過程中扮演著重要的角色。近期，中國鄭重宣布二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，風電、太陽能發電總裝機容量將達12×108kW以上，努力爭取2060年前實現碳中和。這對解決當前能源緊缺及環境污染問題具有十分深遠的影響。但是，就當前的發展而言，仍存在很多尚未攻克的技術難題。切實加強對光伏電站的研究，對整個可再生能源持續高效發展具有十分深遠的意義。

1 能源互聯網與大容量并網光伏電站技術概述

能源互聯網即以新能源技術和信息技術的深入結合為特征的一種新的能源利用體系。通俗而言，能源互聯網就像信息互聯網，所有的能量信息（分布式的產生、供應、消耗）都可以通過網絡互連得到及時的反饋，并根據需求予以選擇控制。大容量并網光伏電站作為開發新能源的重要內容，正從技術探索階段走向大范圍的推廣應用，突破大容量并網光伏電站技術難題可以有效促進能源互聯網發展。

在光伏電站的發展過程中，大容量并網光伏電站主要是將太陽能電池組件產生的直流電，轉變為可以滿足電網要求的交流電，并將其并入公共電網的一種分布式發電方式[1]。并網逆變器是大容量并網光伏電站系統的重要組成部分，具有抗孤島、電網信號檢測、最大功率點跟蹤及輸出電流控制等多種功能，可以達到檢測、控制、并網及保護等工作目的。

大容量并網光伏的發電模式與傳統的發電模式之間存在較大的差異。對大容量并網光伏發電而言，其整體的穩定性較差、調節能力不足、能量密度較低，同時天氣狀況及地域分布也會對其整體的發電量產生不良影響。

2 大容量并網光伏電站的系統組成

大容量并網光伏電站系統主要是由大量的電池組件光伏陣列、匯流箱及逆變器組成，其各電池組件在經過串聯之后連接到匯流箱，因而如果其中任何一個電池組件出現問題，將會導致整個系統出現發電故障，從而影響整個系統的正常運行。針對這種情況，技術人員必須根據大容量并網光伏電站系統的運行狀況，及時發現并處理其中存在的故障和隱患。因此，在大容量并網光伏電站的系統組成中，技術人員一般會在匯流箱內安裝具有通信功能的智能采集裝置，從而實時監控系統各項參數，并將其監控數據及時反饋到監控系統中，從而使技術人員對光伏陣列的運行情況有一個清晰全面的認識[2]。

逆變器在大容量并網光伏電站系統中占據著重要的地位，是光伏發電系統中的重要元器件，它可以將光伏陣列側的直流電直接轉變為并網側的交流電，從而達到并網的目的，同時能有效處理系統運行中的各種故障。對我國大多數區域而言，大型的光伏電站系統可以根據太陽的升起和降落完成自動并網操作和自動離網操作。與此同時，當逆變器處于夜間切換及待機狀態時，其整體的功率消耗相對較低，并且已經集成了RS485通信接口，因而可以實現遠程監控和無人值守，同時還能在非逆流型光伏電站應用場合配合逆功率檢測裝置協同作業，完成對逆流的控制工作和管理工作。對逆變器轉換的交流電而言，它通常要經過濾波處理，并需經過變壓器升到中高壓，才能轉變為符合用電質量要求的交流電，然后進入并網柜并入電網[3]。并網柜主要由電力儀表及斷路器等各種器件組成，其功能主要為測量并網側的各項參數，其參數主要包括功率、功率因數、電流、電壓、電量及諧波等。

3 大容量并網光伏電站技術的特點

大容量并網光伏電站與小型光伏電站之間存在較大的差異，其技術特點主要表現在以下幾個方面。

首先，大容量并網光伏電站技術的并網難度相對較大，當相應的電力參數設置不當以及系統運行不穩定時，其整個系統產生的電能質量相對較低，并且功率也十分不穩定，會對本地電網造成巨大的干擾，使電網電壓出現不同程度的波動，同時還會導致孤島效應的形成。光伏發電技術主要是一種小時間尺度和無旋轉慣量的電能形式，其技術難度與電站的并網規模之間有著緊密的聯系，其電網運行中的技術難度往往會隨著電網規模的增大而增大。

其次，大容量并網光伏電站系統逆變器的容量較大，并且種類組成十分繁雜，系統的運行時間通常需要多個逆變器進行有效組合，同時還要經過變壓器升到中高壓，才可以實現并網操作。在大容量并網光伏電站系統的運行過程中，技術人員往往會通過逆變器的數量，切實提高電站并網系統的冗余度，當該地區的整體光照相對較差時，技術人員要通過相應的技術操作，使部分逆變器處于關閉狀態，從而有效提高電能的實際轉換效率。除此之外，隨著逆變器數量的不斷增加，整個系統中的環流和諧波放大現象也會出現大幅度的增加，這對電能的整體質量造成了非常不利的影響[4]。

最后，大容量并網光伏電站光伏列陣的規模相對較大，因此各組件的性能也存在較大的差異。引起各組件性能差異的原因主要包括生產廠家和型號等固有特性，以及各電池組件的應用環境。對光伏列陣的各電池組件而言，溫度及光照條件均會對其性能產生不同程度的影響，因此技術人員在開展日常工作的過程中，要有效減少電池組建的內部損耗，從而使其能夠達到良好的光伏列陣組合特性要求。

4 大容量并網光伏電站的技術難題

4.1 諧波超標，控制難度較大

在大容量并網光伏電站技術的應用過程中，單個逆變器產生的諧波相對較小，對電能質量并沒有過大的影響。但是，當多個逆變器并聯之后，其產生的諧波相對較大，并且濾波及長距離運輸也會導致次諧波嚴重超標，這對整個電能質量造成了嚴重的負面影響，并且其控制難度也相對較大，這是影響大容量并網光伏電站技術良性發展的重要因素之一。

4.2 光伏陣列特性曲線的變化較大

對大容量并網光伏電站技術而言，其光伏陣列的整體規模相對較大，并且各組件的特性也存在較大的差異，因而大面積的光伏組件輸出特性也更加復雜，這種復雜的變化規律在很大程度上影響了電站的發電效率。與此同時，當多個光伏列陣組合之后，其輸出的特性曲線會出現多個峰值，這種情況會嚴重影響最大效率跟蹤技術的實際效能，并且其整體作用大打折扣；在這種情況下，支流母系電壓無法有效跟蹤每一個光伏陣列的最大功率點，從而使后續逆變環節輸出電流的紋波會出現不同程度的增加[5]。到目前為止，該問題還沒有有效的解決措施。

4.3 光伏列陣的熱斑效應

在太陽電池組件在陽光的照射下，其部分組件會受到一些遮擋，該情況會使這些組件帶有負壓，這與電池組的負載具有大致相同的效能，并且還會釋放出一定的熱量，隨著熱量的聚集就會形成一些燒壞的暗斑，這種現象被稱為光伏列陣的熱斑效應。對大容量并網光伏電站的日常運行而言，熱斑效應會嚴重損害整個系統的電池組件。與此同時，熱斑效應與光伏列陣的自身暗電流及內阻均有十分緊密的聯系。與小容量光伏電站相比，大容量并網光伏電站中熱斑效應產生的危害更加顯著。

5 大容量并網光伏電站技術對電網的影響

隨著電力電子技術和微電子技術的不斷發展，我國對大容量并網光伏電站的技術研究給予了足夠的重視。目前，其研究主要集中在擾動觀察法、最大功率點跟蹤及防孤島效應等多個方面。在這種情況下，大容量并網光伏電站技術對整個電網也產生了十分重要的影響。

首先，大容量并網光伏電站技術對電網規劃的影響。負荷預測是電網規劃的重要依據，直接影響著整個電網規劃的合理性。在這種情況下，技術人員要不斷優化各機組的協同效果，并全面優化其光伏發電預測、運行配置管理、確定調度策略、安全運行評估以及發電成本與系統擴展分析等各環節，從而為電網規劃工作奠定堅實的基礎。其次，大容量并網光伏電站技術對電網運行的影響。當光伏的滲透率達到一定比例時，光伏電站的行為將會直接決定整個系統的運行特性。根據相關數據顯示，在電流源并網模式中接入大規模的光伏電源，其電網的穩定性會大打折扣，同時其自身也會成為一個很大的干擾源，因此技術人員在接入大量光伏電源的工作實踐，要嚴格遵循相應的操作流程和操作規范，并高效利用天氣預報及發電預測技術，有效解決其中可能存在的光電隨機性及功率波動性[6-7]。最后，大容量并網光伏電站技術對配電網的影響。在配電網中接入分布式電源，會對其潮流方向產生一定程度的變化，從而對其電壓調節、短路電流與保護整定等產生一系列影響，并形成接地電壓源。

6 結束語

能源互聯網可以實現多能融合、供需融合、物理信息融合，將賦能電網以彈性保安全、以彈性提效率、以彈性促低碳。研究大容量并網光伏電站關鍵技術及應用符合當前我國開展綜合性能源資源發展的戰略需求，也能促進能源互聯網建設，加強新能源的利用和開發工作，緩解能源緊張。