光伏發電在電站接入系統問題探究分析

國家能源集團新疆開都河流域水電開發有限公司 鄒洪暖

太陽能作為一種理想的可再生性能源，取之不竭、用之不盡，是一種無污染的清潔型能源。我國國土廣袤，是世界上太陽能資源較為豐富的國家之一，全年的太陽能輻射總量位居全球前列。我國荒地區分布者豐富的光照資源，尤其是在西北地區非常適合發展光伏發電產業。從上個世紀70年代起光伏發電產業在我國進入了起步階段，直至90年代中期光伏發電產業得到了穩定的發展。

隨著太陽能電池組件以及光伏發電技術的不斷提升，經過幾十年的努力我國已迎來光伏發電快速發展的階段，尤其是國家近年來對新能源產業的支持力度不斷加大，在碳達峰、碳中和的目標下，光伏產業的發展也得到了國家政策的大力支持。但大規模光伏發電在并網過程中還是會存在一系列的問題，只有有效地解決這些問題才能讓光伏發電的價值更好地發揮出來。

1 光伏并網電站的主要特征

光伏發電的系統大致可分為三大類型：離網光伏蓄電系統、光伏并網發電系統、離網光伏蓄電系統與光伏并網發電系統的混合系統，而并網型光伏發電系統主要有分布式和集中式光伏電站系統。分布式屋頂光伏系統在發電的過程中可應用建筑物本身自帶的供電電路直接并網，且在電網末端還能構建分布式的供電系統。而集中式光伏電站系統需建立在較為空曠的場所中，與高壓電網間相連接，同時這也是大規模光伏發電未來發展的重要趨勢。隨著我國光伏發電技術的飛速發展，光伏電池組件的工作效率也在不斷提升。國內很多區域的光伏電站建設規模逐漸擴大。2009年我國敦煌光伏電站投產發電，成為國內首個光伏并網發電示范項目，與此同時國電寧夏中衛光伏發電項目也已投入到了并網發電建設過程中[1]。

規模較大的集中式并網發電站與目前已經投入運行、建設的分布式屋頂光伏系統具有一定差異性，這種大規模的集中式光伏并網電站不可能像小規模的分布式屋頂光伏發電系統一樣，通過低壓配電線路直接并入本地的配電系統中，而是需要通過升壓器和變壓器，以中壓或高壓的方式接入到區域電網中。雖然光伏電站的容量并入電網后能為區域電網提供數萬千瓦的電能，但這種電能相對于電網的裝置來講發電比例還是較小。由于很多光伏電站的安裝容量較小，因此光伏電站一般布置在電力負荷樞紐附近作為電網系統的一種輔助能源，隨時對電網系統的電能進行補充。因此大規模的光伏電站能夠直接歸入分布式的電源方式中。

2 光伏電站接入電網系統過程中可能會出現的問題

2.1 諧波效應

光伏電站在并入區域電網過程中會經過逆變器，而逆變器中存在大量結構較為復雜的電力電子元件，當逆變器將直流電流轉換為交流電流時不可避免的會產生一定的頻率波動，這就是所謂諧波效應。由此可見，光伏發電系統在并網過程中，逆變器的質量與其中的電子元件性能會直接對并網過程中的交流電路造成一定的影響。因此在光伏電網并入區域配電系統過程中，須謹慎選擇并網逆變器，對其質量及其中電子元件的相關性能進行嚴格的控制，避免并網過程中出現電路頻率波動的問題。

光伏系統并入區域電力系統中的諧波電壓及電流接入水準，主要取決于配電系統的運行特性及供電類型，還與配電系統所連接的其他電力輸送設備及國家電網信息的相關政策管理[2]有關。按照《光伏發電站接入電力系統技術規定》中的相關政策，光伏發電站在接入電網運行過程中，在公共接入點中注入的諧波電流須滿足國家相關標準要求。尤其是針對不同頻次的葉波，還應控制在一定的百分比中。在通常情況下，偶次諧波的諧波限值低于奇次諧波限制的25%。針對接入公共點的諧波電流需求，建議供電公司在光伏電網并入區域供電系統中測試相關電網接入點的諧波電流，確保光伏電網并入區域供電系統中電壓的穩定性。

2.2 孤島效應

光伏電站在發電過程中與傳統的火電、水電發電存在巨大差異，當光伏發電站接入到區域電力系統時，需作為分布式電源通過并網逆變器進行并網，這時就可能會出現孤島效應的問題，因此在并網過程中發電站必須要采取防孤島效應保護措施。

孤島效應主要是指當電網運行過程中出現失壓狀況時，光伏系統由于沒有接收到指令、仍保持對失壓電路中某一線路繼續供電的狀態。換句話說，就是當電力公司的供電系統由于故障問題或停電檢修出現跳閘狀況時，并網發電系統沒有及時地檢測出停電狀況，從而將并網系統自動切離供電網絡。在這種自動剝離的狀態下，就會形成由并網發電系統與當地電力負荷系統共同組成的供電孤島，這種供電孤島無法由當地的電力公司掌控，在運過程中可能會產生巨大的危險。其危害歸結為四點：

對電網負荷及人身安全造成威脅。很多用戶在用電過程中并不會意識到孤島供電系統的存在，這時孤島電力系統由于無法被當地電力公司掌控，很可能會出現電流電壓不穩定狀態，從而對電網用戶造成人身威脅。此外線路維修人員在維修過程中也可能會忽視孤島供電系統的存在，也會不可避免地造成人身威脅[3]。

沒有電網系統的供電支持，孤島供電系統在供電過程中可能會出現電壓或電流頻率不穩定的狀況，在這種狀況下如用電設備還處于運行狀態下就可能會損壞用電設備；電網恢復正常狀態時，光伏供電系統就可能會重新并入到區域配電系統中，這時由于電力相位不同就可能會帶來巨大的電流沖擊，從而引起線路的損壞；孤島效應的產生本身就脫離了當地電力管理部門及電力監測系統的控制，在獨立運行的狀態下這種孤島電網存在較高的不可控性，如管理人員未及時察覺可能會帶來巨大的安全隱患[4]。

孤島效應的電力保護措施主要分為被動式和主動式兩種。被動式的孤島效應包括電壓相位的跳動、多次電壓諧波變動、頻率變化速度過快等問題，也就是說在不改變光伏系統并網輸出特性的基礎上，對并網光伏電流的輸出狀態進行自動檢測及保護；主動式的孤島效應主要包括了頻率偏離、有功功率變動、無功功率變動、電流脈沖注入引起的抗阻變動等問題[5]。

被動式保護的缺陷是，在負載與逆變器輸出功率匹配的過程中很難檢測出孤島效應的問題。而主動式的檢測方式能通過對逆變器輸出狀態進行波動干擾，即使在孤島狀態下負載和逆變器的輸出功率能成功匹配，也會破壞到并網的平衡系統，造成并網系統中的電壓或電流頻率出現明顯變動，這樣就可有效的確定孤島效應的產生，但在某些特殊狀況下也會出現檢測盲區[6]。

主動式和被動式的電網保護措施在應用過程中具有各自的優缺點，光伏系統在并網設置時須設置至少一種類型的主動和被動防孤島效應保護系統，當電網處在失壓狀態時防孤島效應保護動作應在兩秒內感應、并斷開與電網間的連接。

2.3 短路比問題

光伏電網系統并入到電力系統中需經過并網逆變器，而并網逆變器在運用的過程中具有快速調節電壓的性能。對電力系統來說，這種快速調節的特性容易引起短暫的電壓波動問題[7]。為有效地避免分布式電源在并入過程中對電網系統電壓產生較大波動，根據國家城市電力網相關科學指導的要求，分布式電源短路比、也就是分布式電源并網接入點短路電流與分布式電源機組的額定電流之比不能小于十。尤其是針對大規模的光伏電站，由于受到了投資成本的限制，在通常情況下不會設置蓄電設備。這就導致光伏系統在并網過程中傳輸功率與運行方向的晝夜變化較大，因此在并網設計過程中應優先選擇有在載壓變壓器。

綜上，大力推廣太陽能等其他可再生能源進行發電，是當前解決國內資源短缺以及環境污染的有效方法。但光伏并網電站受到技術及成本投資的限制，在國內發展起步較晚，在最近幾年內光伏電站才正式走上規模化應用的道路。光伏電網在并網的過程中可能會引發孤島效應、諧波效應、短路比等多種問題，只有明確控制這些問題的關鍵點，才能促進我國光伏發電行業的長遠發展。