太陽能光伏發電系統接入電力輸配網的問題及對策

武林芝 南京寶基輸配電工程有限公司

引言

太陽能光伏發電系統接入電力輸配電網支持高滲透率分布式電源的接入，無須蓄電池儲能，在并網逆變器的支持下將電能輸入電網系統，涉及最大功率跟蹤、電網系統無功需求及補償、孤島效應等內容，導致電力輸配電網結構和運行狀態發生改變。

1 太陽能光伏發電系統關鍵技術和接入方案

太陽能光伏發電系統接入電力輸配電網之中，采用逆變器準穩態模型，通過開關量控制逆變器通斷的方式，將直流電轉換為交流電，體現出電路結構簡單、輸出電壓波形諧波含量小的特點。

太陽能光伏發電系統接入主要是在光伏電池－半導體材料的光電效應下，將太陽光輻射能轉換為直流電能，以太陽能電池板為核心部件，以充放電控制器將太陽電池板轉化的電能傳送至蓄電池以蓄電池進行直流電的存儲。同時，太陽能光伏發電系統并網還采用最大功率點跟蹤技術，使電池板始終在最大功率下利用太陽能，通過動態的檢測、計算和比較，尋找到最大功率點。常見方法包括有恒電壓跟蹤法、擾動觀察法、增量電導法、功率計算法，其中：恒電壓跟蹤法是基于經驗確定最佳工作電壓和最大功率點；擾動觀察法是利用功率反饋的方式，進行輸出電壓/電流的采集和計算，分析功率變化的特點和規律，確定下一波的控制信號；增量電導法具有快速的響應速度；功率計算法通過最優點的控制方式，利用電壓/電流檢測值計算功率最大點。

2 太陽能光伏發電系統接入電力輸配電網的影響剖析

太陽能光伏發電系統接入電力輸配電網因其自身的間歇性、隨機性、不確定性，不利于電力系統的安全穩定運行。

2.1 對線路潮流的影響。太陽能光伏發電系統接入電力輸配電網之后，傳統的系統潮流模式發生改變，轉變為難以預測的雙向流動，因光伏發電系統輸出的隨機性導致其電網潮流也出現一定的隨機性，無法保證傳統的電壓調整策略的順利實施，導致配電網的電壓調整設備頻繁動作或異常響應。

2.2 對電力輸配電系統保護的影響。大規模光伏發電系統接入電力輸配電網之后，系統短路電流成倍增大，導致過流保護誤動作或失效。同時，在光伏發電系統接入輸配電網之后，變為多電源的雙向網絡，原先無方向性的熔斷器和自動重合閘裝置暴露出滯后性。

2.3 對傳統旋轉機組擁有量的影響。太陽能光伏發電系統接入電力輸配電網之后，早期不具備調峰和調頻能力，導致電網的早峰負荷和晚峰負荷遭受沖擊性影響。

2.4 對電能質量的影響。太陽能光伏發電系統接入電力輸配電網之后，出現電壓波動、閃變、諧波等現象，降低了電能質量。

2.5 對運行調度的影響。由于當前的太陽能光伏發電系統數量較多，電價不夠統一，因而地區電網要重點考慮對光伏發電系統的經濟安全調度策略。

3 太陽能光伏發電系統接入電力輸配網的對策分析

3.1 電能質量分析

太陽能光伏發電系統接入電力輸配電網存在動態電能質量缺陷，導致系統并網、脫網頻繁，必須關注光伏電源出力變化對電網電壓的干擾。同時，可以采用特殊濾波器裝置，將其安裝于諧波電壓水平較高的母線上，規避太陽能光伏發電系統接入電力輸配電網的諧波缺陷，有效緩解電壓波動、諧波等不良現象。具體實施方式為將源濾波器并聯添加到逆變器之中，通過參考電壓最大功率點跟蹤控制策略，保證電壓源逆變器輸出電流的穩定性，有效抑制或消除諧波電壓，提高電力輸配電網的電能質量。

3.2 繼電保護設計

太陽能光伏發電系統接入電力輸配電網之后，成為雙向流動性潮流的多電源系統，傳統的繼電保護裝置暴露出遲滯性，無法滿足繼電保護的方向性要求。為此，要進行太陽能光伏發電系統接入電力系統的繼電保護裝置設計，可以采用兩種設計策略：（1）切源策略。先斷開電網連接的所有光伏系統，對傳統配電網進行還原，在原有的繼電保護設備的使用條件下，采用傳統的繼電保護方式，這種策略必須考慮電網故障切除及光伏系統切斷的先后順序，還要分析系統自動重合閘時間間隔內的光伏系統速斷問題，不利于電力系統的速動可靠性。（2）孤島策略。由于電網系統孤島效應會導致電壓及頻率失控，無法使分布式發電裝置與電網同步，導致故障無法清除等問題，為此系統要具有檢測孤島效應的能力，能夠在出現孤島效應時及時切離電網。以基于相位跳變的反孤島策略為例，主要是監控并網逆變器端電壓與輸出電流間的相位差進行檢測和控制。還可以采用基于電壓諧波檢測的反孤島策略，利用監控并網逆變器輸出端電壓諧波失真進行孤島檢測和控制。另外，還有主動性孤島檢測策略，如：主動頻移反孤島策略、基于功率擾動的反孤島策略、阻抗測量反孤島策略等，相較于被動式反孤島策略而言，主動式反孤島策略能夠有效減少不可檢測區域，提高孤島檢測的有效性。

3.3 異常故障處理分析

太陽能光伏發電系統接入電力輸配電網之后，配電網結構及運行方式產生較大改變，對于配電網出現的故障處理和可靠性分析隨之出現改變，當光伏發電系統是單一性的備用電源時，能夠有效提高配電網系統的供電可靠性；當光伏發電系統與配電系統并網運行時，則會降低配電網系統的供電可靠性。由此可見，光伏裝機位置、接入容量、運行方式是影響電網可靠性的重要因素，在進行電網系統異常故障處理分析的過程中，要考慮系統暫態運行特點，進行智能配電網的安全理論分析，探尋分布式電源協調運行及自適應控制方法，合理運用分布式電源孤島運行狀態下的電壓頻率控制策略，加強對含分布式電源的配電網負荷側響應管理的研究，進行規劃分析之后構建準確的電力系統可靠性評估模型，設置電力網絡可靠性指標，提升電力系統可靠性評估體系的適用性。

3.4 微網動態特性分析

分布式電源采用微網運行的方式，要充分考慮各分布式電源之間的協調運行，深入分析和研究微網的運行特征及其對主配電網的影響。在進行微網動態特性分析的過程中，引入分布式電源數學模型，獲悉不同運行、擾動和控制方式下的微網在恒功率控制及調差控制特性。

3.5 優化調度及協調運行分析

在滿足區域內電力負荷需求的前提下，進行太陽能光伏并網發電系統的規劃，引入新型配電網能量管理系統，進行全網能量優化調度、靈活調度和經濟運行，使系統在光照充足、光照不足、陰雨、夜間等不同工況下達到最優運行狀態，在分布式電源廣泛應用于智能電網的趨勢下，分布式發電供能系統日趨復雜多樣，表現出靈活多變的運行模式，如：可控的冷/熱/電聯供微型燃氣輪機電源、間歇性風力發電電源、不易控制的光伏發電電源等，由此可見，微網要能夠與大電網進行并網運行或獨立運行模式的無縫切換，并重點研究微網高滲透率下的大電網相互作用機理，同時，由于微網中各類負荷變化存在隨機性，導致電能出現明顯的不確定性特性，由此也突顯分布式儲能環節的作用，在微網獨立運行時，蓄電池、超級電容器、飛輪儲能系統等能夠平抑系統擾動，保持發電/負荷動態平衡，維持電壓/頻率的穩定性。

4 小結

綜上所述，太陽能光伏發電并網系統改變了線路潮流、繼電保護、電能質量、調度運行，本文提出太陽能光伏發電系統接入電力輸配電網的技術方案，提出優化電力輸配電網系統的相應對策，促進電網規劃、運行和管理的持續優化。