光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術(shù)及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響研究

龐金龍，孫記忠，張?zhí)?/p>

（1.山東新能電力科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.山東尚禾電力工程咨詢(xún)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整與清潔能源的崛起，光伏發(fā)電技術(shù)因其可再生、低碳的特點(diǎn)逐漸成為電力系統(tǒng)中的重要組成部分。光伏發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和間歇性給電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，在電力系統(tǒng)中的滲透率顯著提升。同時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模接入帶來(lái)了一系列新的技術(shù)問(wèn)題與運(yùn)行問(wèn)題[1]。電力系統(tǒng)必須適應(yīng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的波動(dòng)性，確保在不同天氣條件下仍能保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。在過(guò)去的研究中，雖然已經(jīng)有一些關(guān)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術(shù)和影響的研究，但是在不同場(chǎng)景下的并網(wǎng)技術(shù)的適用性和光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的具體影響程度尚未深入研究。因此，研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術(shù)，深刻理解其對(duì)電力系統(tǒng)的影響，具有重要的理論與實(shí)踐意義。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術(shù)

集中式并網(wǎng)主要適用于國(guó)有大型發(fā)電站，通常位于我國(guó)西北的荒漠地帶，地理位置優(yōu)越，陽(yáng)光資源豐富，但距離主要負(fù)荷點(diǎn)較遠(yuǎn)。集中式并網(wǎng)的核心是將光伏發(fā)電站產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電后，直接接入電網(wǎng)。但是，與電網(wǎng)電力單向交換，即只能向電網(wǎng)輸送電能，而不能從電網(wǎng)吸收電能。

分布式并網(wǎng)適用于小規(guī)模的光伏發(fā)電系統(tǒng)。該方式下的光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能可以直接分配到用電負(fù)載上。如果電力有多余，可以通過(guò)電網(wǎng)賣(mài)給其他用戶(hù)；如果電力不足，則可以從電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)。與電網(wǎng)的電力雙向交換，更加靈活。分布式并網(wǎng)通常適用于小規(guī)模的光伏發(fā)電系統(tǒng)，如城鄉(xiāng)屋頂光伏和光伏建筑一體化等。這種方式的投資小、建設(shè)周期短、占地面積小，并且得到了政府政策的大力支持，因此在近年來(lái)得到了快速發(fā)展[2]。

集中式并網(wǎng)在大型發(fā)電站中能夠?qū)崿F(xiàn)較高的能源利用效率，而分布式并網(wǎng)則更側(cè)重于就近供電和能源的綜合利用。分布式并網(wǎng)能夠與電網(wǎng)進(jìn)行雙向電力交換，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)可以孤島運(yùn)行，繼續(xù)為關(guān)鍵負(fù)載供電，在供電可靠性方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響研究

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)性能的影響因素

光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)性能的影響因素較多，其中光照條件是至關(guān)重要的因素。不同光照強(qiáng)度和角度直接影響光伏板的光吸收效率，而季節(jié)性和日變化導(dǎo)致光照的波動(dòng)性，直接映射在系統(tǒng)的電流和電壓輸出上。溫度對(duì)光伏板的影響也不可忽視。高溫度下光伏板的導(dǎo)電性能降低，影響電流輸出[3]。因此，綜合考慮光照和溫度的變化，精準(zhǔn)調(diào)控系統(tǒng)發(fā)電性能成為優(yōu)化光伏系統(tǒng)運(yùn)行的重要手段。

在組件質(zhì)量和設(shè)計(jì)方面，組件的損耗率和使用壽命直接取決于制造工藝和所選用的材料。優(yōu)質(zhì)材料和制造工藝可以提高組件的光電轉(zhuǎn)換效率、抗老化能力和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)長(zhǎng)期高效運(yùn)行。對(duì)光伏組件的深入研究有助于制定更高標(biāo)準(zhǔn)的組件生產(chǎn)和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，提高系統(tǒng)的整體性能。

電池組配置包括電池組數(shù)量、每組電池?cái)?shù)、電池容量等配置。需要根據(jù)電池解決方案的要求設(shè)置電池?cái)?shù)量、每個(gè)電池組中的電池?cái)?shù)以及電池的額定容量，還需要根據(jù)能源需求和系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定電池組的容量。在設(shè)計(jì)鋰離子電池組時(shí)，對(duì)于圓柱形電池組，配置涉及電芯檢測(cè)、電池自動(dòng)貼面墊安裝、鋰電池鎳片焊接或帶板焊接、電池組綜合測(cè)試等步驟。因?yàn)橥灰?guī)格型號(hào)的單體電池組成電池組后可能存在電壓、容量、內(nèi)阻、壽命等參數(shù)的差異，所以在配置電池組時(shí)應(yīng)綜合考慮這些因素以確保電池組的性能。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在頻率和電壓2 個(gè)方面，這涉及光伏系統(tǒng)的電流輸出特性和并網(wǎng)技術(shù)的復(fù)雜調(diào)控機(jī)制。光伏系統(tǒng)的間歇性發(fā)電特性對(duì)電力系統(tǒng)頻率造成的挑戰(zhàn)不可忽視。由于天氣變化和光照條件不斷變化，光伏系統(tǒng)的電流輸出存在波動(dòng)，直接由電力系統(tǒng)的頻率體現(xiàn)。在光伏系統(tǒng)大規(guī)模接入的情況下，系統(tǒng)頻率的瞬時(shí)波動(dòng)性增加，尤其是在日出和日落時(shí)光伏系統(tǒng)發(fā)電較為集中的情況下，頻率的不穩(wěn)定性顯著上升[4]。這要求電力系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)并調(diào)整頻率，以維持整個(gè)系統(tǒng)的頻率在合適的范圍內(nèi)。光伏電池組的輸出受光照強(qiáng)度、溫度等因素的影響，其輸出功率會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)光伏電池組大規(guī)模接入電力系統(tǒng)時(shí)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。尤其是在光照強(qiáng)度快速變化時(shí)，光伏電池組的輸出功率也會(huì)快速變化，使得電力系統(tǒng)的電壓出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性提出了更高的要求。光伏系統(tǒng)的電壓輸出受光照強(qiáng)度和溫度等因素的影響，因此存在一定的波動(dòng)性。在電力系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生快速變化時(shí)，光伏系統(tǒng)的電壓輸出波動(dòng)可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)的電壓瞬時(shí)變化。這對(duì)于電力系統(tǒng)的設(shè)備和用戶(hù)連接設(shè)備都構(gòu)成一定的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)殡妷旱牟环€(wěn)定性可能引起設(shè)備損壞或不正常運(yùn)行。

2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響程度分析

為定量評(píng)估光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響程度，進(jìn)行了一系列模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。根據(jù)不同情景模擬得到的具體數(shù)據(jù),光伏系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)頻率的影響如表1 所示，光伏系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)電壓的影響如表2 所示。

表1 光伏系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)頻率的影響 單位：Hz

表2 光伏系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)電壓的影響 單位：kV

表1和表2的數(shù)據(jù)清晰展示了在光伏系統(tǒng)接入后，電力系統(tǒng)頻率和電壓的變化情況。頻率方面，光伏系統(tǒng)引入的波動(dòng)范圍在0.05 Hz 以?xún)?nèi)，主要集中在頻率略微下降的部分。電壓方面，光伏系統(tǒng)接入后，電壓波動(dòng)范圍在0.2 kV 以?xún)?nèi)，對(duì)電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性影響相對(duì)較小。這些具體的定量數(shù)據(jù)為深入理解光伏系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響提供了依據(jù)。

3 優(yōu)化措施

在頻率控制方面，引入先進(jìn)的智能化調(diào)頻裝置。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)頻率變化，智能調(diào)頻裝置能夠快速響應(yīng)，并采取有效措施將系統(tǒng)頻率維持在合理范圍內(nèi)。結(jié)合光伏系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)光照條件的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，為頻率調(diào)節(jié)提供更準(zhǔn)確的信息。這一優(yōu)化措施有效緩解了光伏系統(tǒng)引入的頻率波動(dòng)，提高了電力系統(tǒng)對(duì)光伏發(fā)電特性的適應(yīng)性。

在電壓控制方面，采用先進(jìn)的電力電子裝置和調(diào)控策略對(duì)光伏系統(tǒng)電壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)必不可少。引入高性能逆變器和電壓調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏系統(tǒng)輸出電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整。特別是在電力系統(tǒng)負(fù)荷變化較大的情況下，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)裝置迅速響應(yīng)，確保電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定輸出[5]。采用電壓平衡器技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)內(nèi)部電壓波動(dòng)。這一系列優(yōu)化措施顯著提升了電力系統(tǒng)對(duì)光伏系統(tǒng)電壓波動(dòng)的調(diào)節(jié)能力，保障了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在光伏系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)的故障處理方面，引入智能型的故障恢復(fù)策略是提高系統(tǒng)安全性的有效途徑。智能系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏系統(tǒng)，能夠迅速判斷故障類(lèi)型，并采取相應(yīng)的恢復(fù)措施。在故障恢復(fù)時(shí)，通過(guò)優(yōu)化電力系統(tǒng)的切換邏輯，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的迅速脫離和重新接入，最大限度地減小故障對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

4 結(jié) 論

文章通過(guò)翔實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和深入的技術(shù)性分析，揭示了光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的復(fù)雜影響機(jī)制。在光伏系統(tǒng)發(fā)電性能的影響因素方面，天氣條件、組件質(zhì)量和設(shè)計(jì)、電池組配置等因素被深入剖析，為光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了具體的指導(dǎo)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響方面，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，量化展示了頻率和電壓方面的實(shí)際影響程度，提出了智能化頻率調(diào)節(jié)、電力電子裝置優(yōu)化和智能型故障處理等技術(shù)性的優(yōu)化措施。這些措施不僅有效降低了光伏系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)面影響，更為實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行提供了切實(shí)可行的技術(shù)路徑。