大容量光伏發電關鍵技術與并網影響綜述

顧 鑫

（國網江蘇省電力有限公司 淮安供電分公司，江蘇 淮安 223001）

0 引 言

有些大型并網光伏還處在試運行過程中，缺乏統一的接入標準和設計規范，影響著整個并網光伏系統的規范化生產和電站的全面管理，甚至有些電站在實際建設時都沒有充分考慮可能會給并網帶來的影響。對此，為進一步促進大容量光伏發電的有效發展，需要在了解其關鍵技術的基礎上進行分析。

1 大容量光伏發電并網概述

1.1 基本原理

通常大型并網光伏系統的構成單元較多，且每一單元的容量基本為0.3～1.0 MW[1]。在這之中較大面積的光伏陣列組件在進行光電轉換之后，會通過匯流器將直流分配在逆變當中。如果使用逆變器和濾波裝置實施轉換，則應用逆變器進行控制，通過光伏陣列輸出電壓達到調節和控制的目的。為進一步滿足用電要求的交流電，還應將變壓器進行升壓之后再進行使用，每個單元的逆變器無論是單臺還是多臺并聯皆可。典型的光伏并網發電原理如圖1所示。

圖1 典型的光伏并網發電原理

1.2 主要特點

光伏發電并網基本是通過太陽能組件生產直流電，再通過并網和逆變器對其進行轉換，以生成和國家電網標準相符合的交流電從而進入公共電網。該光伏發電并網系統中主要包含了有無蓄電池兩類系統，其中有蓄電池的能夠依照實際需求并入或退出電網，同時充作備用電源，確保在出現停電故障的時候能夠實現緊急供電，而沒有蓄電池的并網系統則無法實現有效調度，更不能作為備用電源，所以通常被安裝在大型設備當中。現階段，該并網系統主要包含了并網逆變器和太陽能電池陣列兩部分，同時被安裝在了中央集控系統之中。實際運行時，其模式主要利用中低壓配電網接入超高壓大電網中，在滿足其正弦波電流頻率等內容的基礎上，達到光伏發電系統并網的目的[2]。

2 大容量光伏發電技術分析

2.1 設備技術

光伏電站和電網間實現溝通的主要渠道就是逆變器，大容量光伏并網給逆變器提出了一定要求，這就需要其能夠實現迅速控制、減少有功變化率、控制無功和有功以及拓展通信功能等，并在技術方面要求逆變器產生更高的電壓等級，以此輸出更高的電能品質，擁有更強的抗干擾能力，產生與智能電網標準相符合的網源互動技術[3]。為達到大容量能量轉換的目的，各類多機并聯協作的實現方案基本都處在論證競爭中，其中是否存在變壓器隔離和變壓器共用方案是否實現等也都是目前大容量光伏設備的主要問題。這類光伏設備的一項重要指標就是轉換效率，其中開關器件、拓撲結構以及開關頻率等都是當前影響較大的核心要素。另外在其變換器保護方面，還特別增加了輸出諧波超標、低電壓穿越以及三相不平衡保護等內容。

通常光伏電站輸出諧波含量不超過5%，但也有一些用戶要求不超過3%。所以往往會在合理的濾波拓撲結構、控制算法以及電感電容參數計算等方面確保諧波含量達到既定標準。對于一些大容量的光伏電站，電網對于逆變器及逆變器對于控制部分都多少存在電磁兼容的問題，對此可以應用隔離變壓器和控制算法等實現有效控制[4]。

一般在并網控制中，往往需要電網電壓信號鎖相技術保持高度的精準性和迅速性，以防止在大功率并網的時候電壓采樣產生波動性影響，從而在條件不對稱的情況下達到精準鎖相的目的。這對于孤島檢測技術的抗干擾能力要求比較高，檢測盲區也必須控制在最小范圍內。孤島檢測和低電壓穿越中有著無法規避的矛盾，所以還需進一步探究兩項功能同時實現的相關策略。分布式光伏電站在控制方面進行孤島檢測，主要是利用配電網上的能量管理系統發出低電壓穿越信號指令，而集中式的光伏電站要想在變換器控制方面達到低電壓穿越的目的，孤島檢測及指令都必須通過輸變電系統級別的能量管理系統完成[5]。

2.2 電站技術

利用逆變器同時輸出有功與無功功率，能夠實現電站功率因素的進一步控制，促進系統電壓調節。針對這點，有學者在瞬時無功理論的基礎上對無功和有功電流進行網絡檢測，在指令下達到了補償功能。同時也有人在其基礎上將無功控制與最大功率點跟蹤和直流母線電壓控制融合在一起，達到了功率因數的超前和滯后控制。

源流在有功輸出中，常規性的光伏并網發電往往希望可以發出更多電能，因此最大功率點的跟蹤技術一直備受關注。在實際跟蹤時必須要求滿足準確、迅速和穩定的基本要求，目前的常見技術主要有恒定電壓法、電導增量法以及干擾觀測法等。但只通過跟蹤最大功率往往無法實現對有功輸出的有效調節，還必須要有儲能，從而滿足對電網的有功支持。不管是飛輪儲能、超導儲能，還是壓縮空氣儲能，其價格都較為昂貴同時無法實現大容量。儲能投入必須要經過一定時間，難以達到實時補償，所以儲能的作用也會受到極大限制[6]。雖然有些研究應用仿真證明揭示了光伏頻率控制會給系統靜態頻率特點帶來一定優化作用，但因為其調節速度不快，所以動態過程改觀整體不強。

3 大容量光伏發電給并網帶來的影響

3.1 給電網規劃帶來的影響

電網規劃中主要包含了電源和輸配電網絡兩類規劃，大容量光伏并網會先給電源規劃帶來影響。電源規劃通常需要負荷的供電可靠性要求得到充分滿足，其中涉及負荷缺電率和光伏滲透率兩項參數。前者是指負荷因為機組定期檢修或者其他無法預知原因不能正常出力而引起的缺電概率，一般該數值必須控制在一個較小的范圍內，后者是指某一地區電網的光伏裝機容量和系統峰值負荷所產生的比值。在實際進行電網規劃的時候，其主要依據就是負荷預測，而新能源的隨機出力促使電源規劃方向產生了巨大轉變，所以在負荷預測之中就應以凈負荷為核心[7]。

目前，各種新型的規劃方式主要就是在負荷能耗增長分析之后引入新能源，再通過凈負荷將電網特點歸納出來實施常規機組規劃，最后在迭代作用下滿足機組的協同性要求。其中迭代主要包含了地址確定的優化、儲能應用、機組協同的具體措施、負荷管理以及降低某些新能源機組的利用率等，最終實現可靠供電和并網成本最低化。實際操作步驟主要有預測光伏發電、全面管理運行配置問題、明確具體的調度方案、評估運行安全等級與發電成本投入以及探析系統的擴展5項。

3.2 給電網運行帶來的影響

在光伏滲透率達到相應的比例之后，其系統特性基本都是由光伏電站的行為所決定的。相關研究表明，一旦使用電流源并網模式，大容量光伏電源的接入就會直接給電網穩定性帶來影響，并形成一個巨大的干擾源，只有實施無功和有功控制之后才會有所轉變。另外，有些研究還得出了在光伏電站各類運行方式下系統短路故障之后得以恢復的相關結論。一是加強電站的電壓控制能夠促進系統的電壓得以恢復。二是除了出力具有很大不確定性外，光伏的另一項缺陷就是不能提供較大的系統慣量，而光伏系統穩定性往往取決于系統慣量的減少情況。三是在具體的接納方式中，大機組停運之后會使系統慣量減少，影響系統的穩定性，而接納較高比重的光伏則要常規機組增加旋轉備用容量，從而強化協作本身的靈活程度[8]。四是低電壓的穿越功能會導致電網的恢復特性得到有效強化。五是主動孤島檢測會給整個系統的震蕩性能帶來一定不良影響，所以要接納大容量光伏發電的電網應該以相應的運行規程相符合，并應用精準的發電預測技術和常規能源相互統一的調度平臺實施運行（圖2）。

圖2 電站運行圖

3.3 給配電網帶來的影響

通過給配電網接入光伏電站，分析其是否能夠給輸電網倒送功率，主要分為不可逆與可逆兩種接入方式[9]。但不管哪種方式，因為其中引入了分布式電源，所以配電網當中的潮流方向都會產生變化，由此引起各種影響，這些影響主要包含以下幾種。

3.3.1 電壓調節

在光伏滲透率達到相應的程度之后，會因為光伏出力的時變特點，使得饋線上潮流產生實時變動，甚至出現逆潮流注入電網的情況，最后導致饋線電壓調節設備的正常運行受到不良影響[10]。一旦出現潮流倒送的問題，光伏電源和變電站就會產生電壓降的梯度性轉變，具體可以應用調節變壓器的調壓開關對其實施修正，但應該與光伏電源及其他的相關無功電壓補償裝置之間實現協調作業。

3.3.2 短路電流和保護整定

一般情況下，光伏逆變器都是被當作電流源實施控制的，只要其中出現故障，為了確保逆變器不受影響就會馬上將其切除。所以和常規機組相比較，逆變器的短路電流并不會給電網帶來較大的影響。再次實施保護整定的原因較多，第一種是潮流變化導致電壓分布產生了很大差異，第二種則是和變壓器相互連接的逆變器額外形成了接地回路，給零序電流帶來了不良影響。

3.3.3 形成了接地電壓源

由于變壓器連接方式有所差異，因此它和逆變器之間可能會形成接地回路，進而給零序電流帶來不良影響，或者是在單相接地故障的時候使得沒有短路的對地電壓被增大。

4 結 論

電力系統中各類光伏電站必須要有輸出有功和無功的能力，同時還要能在電網異常的時候發揮良好的支撐作用。其中光伏發電的隨機出力是影響電網的主要因素，較小的系統慣量也會給電網穩定和故障解決能力帶來直接影響。逆變器是影響電能質量的干擾源，通過控制逆變器可以達到無功與諧波補償。該類光伏發電并網的運行必須通過凈負荷等保證供電可靠性，在其設備中，高效率和大容量的變換器極具優勢，只有達到該標準，才能最大程度上保證發電質量。