大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

劉元 許震歡

【摘 ?要】近年來，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由于受到諸多相關的經(jīng)濟和環(huán)境因素的影響而日益發(fā)展，給電力企業(yè)帶來了控制和運行方面的問題。關于與電壓和頻率穩(wěn)定，電能質量和短期負荷預測，可能影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來的發(fā)電的光伏系統(tǒng)，詳細分析了可能的副作用，可能帶來分配制度也從繼電保護的角度，研究電力供應的可靠性，電力計量、實時監(jiān)控和調節(jié)等。提出了大量光伏并網(wǎng)系統(tǒng)接入高壓電網(wǎng)所面臨的技術挑戰(zhàn)和可能的解決方案。

【關鍵詞】光伏并網(wǎng);電能質量;安全性與穩(wěn)定性;配電網(wǎng)

1 引言

越來越多的可再生能源發(fā)電進入電網(wǎng)，如風力發(fā)電和光伏發(fā)電，這給公用事業(yè)部門造成控制和運行問題，因為電網(wǎng)沒有預先設計考慮到這些分布式或間歇發(fā)電。在許多國家，越來越多的光伏機組已經(jīng)并將被接入公用電網(wǎng)。光伏發(fā)電難以預測，主要取決于天氣條件。此外，它們通常通過電力電子變換器與電網(wǎng)相連，這與傳統(tǒng)發(fā)電機也有很大的不同。

2 光伏并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響

公用事業(yè)公司擔心先前引用的風能或太陽能對電網(wǎng)的影響。目前的運行模式和控制策略可能會更新，以適應這種新型發(fā)電滲透所帶來的新情況。雖然光伏具有多種應用，但光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有兩種，即獨立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。隨著光伏發(fā)電容量在過去幾年的顯著增長，當大型光伏接入公用電網(wǎng)時，一般的副作用應該得到更多的重視。主要技術大規(guī)模光伏發(fā)電對電網(wǎng)的影響是：電能質量、潮流控制、電壓和頻率穩(wěn)定，以及一些對配電系統(tǒng)的影響。

2.1 對電能質量的影響

光伏并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓質量及其控制產(chǎn)生了一定的影響，這種影響體現(xiàn)在配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)絡中。這些影響主要與光伏系統(tǒng)的安裝位置和規(guī)模有關。光伏組件產(chǎn)生的輸出功率受太陽電池輻射強度、太陽電池溫度等因素的影響。當這種功率輸出量足夠大時，輸電線路上的電壓脈動明顯且難以控制，特別是在配電系統(tǒng)中，只提供電容組來調節(jié)電壓。光伏系統(tǒng)與公用事業(yè)相互連接，必須使光伏系統(tǒng)達到當?shù)毓檬聵I(yè)的諧波標準，并確保逆變器輸出波形諧波畸變在公用事業(yè)公司規(guī)定的范圍內。

光伏系統(tǒng)通過電子功率變換器與電網(wǎng)相連，對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波。諧波會對鄰近的設備產(chǎn)生負面影響，如電子設備過熱、錯誤的測量讀數(shù)和電容器組的諧振。當包含光伏系統(tǒng)的供電區(qū)域突然與主電網(wǎng)隔離時，可能給整個配電系統(tǒng)和隔離區(qū)域帶來的負面影響可能包括以下內容：

1）光伏系統(tǒng)所在的孤立局部區(qū)域內的電壓和頻率不穩(wěn)定;

2）如果沒有儲能元件，或者儲能容量低，用戶端可能發(fā)生電壓閃變;

3）單相運行方式可能會導致原配電網(wǎng)出現(xiàn)不對稱，影響用戶的用電質量。

此外，當光伏系統(tǒng)重新接入電網(wǎng)時，相位不對稱也可能對電網(wǎng)用戶造成沖擊。

2.2 對電壓和頻率穩(wěn)定度的影響

（1）對電壓的影響及其控制

隨著光伏發(fā)電的總比率的增加，不僅會有一些副作用配電系統(tǒng)電壓控制，但也可能有一些影響高電壓等級電網(wǎng)的電壓特性，它甚至可能引起電壓穩(wěn)定問題特別是在負荷中心當大量的光伏系統(tǒng)應用。因此，即使未來有大力發(fā)展光伏發(fā)電的主導趨勢，也需要對此類發(fā)電在負荷中心的比例進行適當?shù)目刂啤?/p>

（2）對頻率及其控制的影響

光伏系統(tǒng)規(guī)模足夠大時，電網(wǎng)也可能出現(xiàn)頻率問題。例如，由于隨機光伏發(fā)電的本質，電網(wǎng)頻率可能不時波動，將會影響渦輪葉片的生活在某種程度上如果主頻率調節(jié)主要是由一些燃煤發(fā)電機組有關地區(qū)的光伏發(fā)電滲透。

此外，為了接受光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的大量電能，應對光伏系統(tǒng)的時變特性，電網(wǎng)必須有足夠的調峰電源，也需要人們重新審視電網(wǎng)調峰容量的傳統(tǒng)配置概念。當嵌入大規(guī)模光伏系統(tǒng)的局部電網(wǎng)與主電網(wǎng)隔離時，如果在該區(qū)域不再安裝蓄電池，隔離電網(wǎng)中可能同時出現(xiàn)電壓和頻率問題。

2.3 對配電系統(tǒng)的其他影響

（1）對保護繼電器的影響

由于配電系統(tǒng)位于輸電鏈的末端，其電壓水平通常較低。在光伏發(fā)電投入實際應用之前，配電系統(tǒng)基本上是一個無源網(wǎng)絡，部分地區(qū)可能存在零星的小容量水電和燃煤發(fā)電。這意味著在大多數(shù)徑向配電系統(tǒng)中，潮流往往具有單向本質。上述原因使得目前配電網(wǎng)中現(xiàn)有的保護繼電器大多具有方向性不敏感的特點。

在與風能、生物質能等并網(wǎng)可再生能源技術混合發(fā)電模式下，配電網(wǎng)的潮流可能具有雙向特性。如果光伏系統(tǒng)不能與配電網(wǎng)安裝的原有中繼系統(tǒng)協(xié)調并適應，光伏系統(tǒng)接入的支路上的繼電器就有可能發(fā)生不正確的跳閘，從而導致該支路的功率損失。另外，當光伏發(fā)電接入時，通常會減小原有繼電器的保護面積，影響保護繼電器的正常運行。

2）對配電網(wǎng)可靠性的影響

有時，光伏系統(tǒng)也會對電力系統(tǒng)的運行可靠性產(chǎn)生負面影響，特別是對于位于電網(wǎng)末端的配電系統(tǒng)。例如，當光伏發(fā)電所處的交流系統(tǒng)停止運行時，光伏逆變器無法正常換向，這意味著當電力系統(tǒng)確實需要幫助時，光伏發(fā)電系統(tǒng)也將無能為力。從這個角度來看，光伏系統(tǒng)的存在并不一定會提高配電系統(tǒng)的可靠性。

此外，不適當?shù)陌惭b位置、容量配置以及光伏發(fā)電機組與電網(wǎng)的連接方式也會降低配電網(wǎng)的可靠性。如光伏系統(tǒng)與配電網(wǎng)原有保護繼電器協(xié)調不良，可能會導致相應繼電器誤動作，降低電網(wǎng)的可靠性。

（3）影響實時監(jiān)視、控制和調節(jié)分配系統(tǒng)

與高壓電網(wǎng)水平相比，傳統(tǒng)的分銷網(wǎng)絡本質上是一種被動和徑向電網(wǎng)，其信息收集、開關操作和能源調度是相對簡單的，通常是根據(jù)統(tǒng)一的訂單進行了電力調度部門。然而，光伏發(fā)電的滲透會使這個過程變得復雜。光伏系統(tǒng)的滲透，這類型的附加信息應該補充，應該使用這些補充信息監(jiān)測或控制應用程序，以及由誰，所有這些問題都應該被重新審查根據(jù)電網(wǎng)連接光伏發(fā)電規(guī)則，最后通過調度部門的效用后適當?shù)膮f(xié)調各種可能存在的技術或經(jīng)濟方面。

（4）對電能計量的影響

嵌入式光伏系統(tǒng)在部分配電系統(tǒng)中的潮流可能具有雙向特，未來有必要引入雙向計量模式來應對配電線路潮流的不確定性。此外，由于光伏發(fā)電的主要成本較高，在測量系統(tǒng)中合理反映不同類型發(fā)電的價格差異也需要重新考慮。

2.4 對電網(wǎng)調度的影響

（1）難以控制的接口功率交換

光伏系統(tǒng)的發(fā)電是強烈受天氣條件的影響，這導致其發(fā)送功率不斷變化的網(wǎng)格，這是不利于順利功率控制的一個接口連接兩個不同的電網(wǎng)。

（2）短期負荷預測難度更大

傳統(tǒng)的逐日發(fā)電計劃主要依靠對負荷的準確預測。由于光伏系統(tǒng)的低電壓特性，光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能往往會被其周圍或附近的局部負荷所平衡。然而，光伏發(fā)電系統(tǒng)受氣候的影響較大，這可能使整個電網(wǎng)的總實測負荷更具有時變和隨機性。這意味著光伏發(fā)電在一定程度上給短期負荷預測和發(fā)電調度帶來一定的困難。

3）對原有電力調度管理系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

此外，光伏系統(tǒng)的投資者可能來自不同的經(jīng)濟實體可能有不同的好處與公用事業(yè)公司，會有很多的機會他們啟動或關閉光伏系統(tǒng)根據(jù)自己的需求，和一起的事實不確定光伏系統(tǒng)的發(fā)電，電力公司不得不面對還分布能源管理方面的挑戰(zhàn)，而未來大量光伏系統(tǒng)接入輸電系統(tǒng)時，高壓側能量管理也可能面臨同樣的問題。

3 結論

針對大規(guī)模發(fā)電和高壓水平滲透引起的光伏特性，討論了這些特性對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題的影響，包括電能質量、潮流控制、電壓頻率穩(wěn)定性、配電網(wǎng)。

針對光伏系統(tǒng)的實際和研究需求，提出了相應的研究方向：（1）光伏系統(tǒng)建模方法;（2）光伏并網(wǎng)電網(wǎng)動態(tài)特性;（3）含光伏系統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析計算技術;（4）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制技術。

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（作者單位：國網(wǎng)上海市電力公司培訓中心）