光伏發(fā)電在電站接入系統(tǒng)問題探究分析

國家能源集團(tuán)新疆開都河流域水電開發(fā)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(qū)分布者豐富的光照資源，尤其是在西北地區(qū)非常適合發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)。從上個(gè)世紀(jì)70年代起光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在我國進(jìn)入了起步階段，直至90年代中期光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了穩(wěn)定的發(fā)展。

隨著太陽能電池組件以及光伏發(fā)電技術(shù)的不斷提升，經(jīng)過幾十年的努力我國已迎來光伏發(fā)電快速發(fā)展的階段，尤其是國家近年來對新能源產(chǎn)業(yè)的支持力度不斷加大，在碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)下，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也得到了國家政策的大力支持。但大規(guī)模光伏發(fā)電在并網(wǎng)過程中還是會(huì)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(fā)電的價(jià)值更好地發(fā)揮出來。

1 光伏并網(wǎng)電站的主要特征

光伏發(fā)電的系統(tǒng)大致可分為三大類型：離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)與光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的混合系統(tǒng)，而并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有分布式和集中式光伏電站系統(tǒng)。分布式屋頂光伏系統(tǒng)在發(fā)電的過程中可應(yīng)用建筑物本身自帶的供電電路直接并網(wǎng)，且在電網(wǎng)末端還能構(gòu)建分布式的供電系統(tǒng)。而集中式光伏電站系統(tǒng)需建立在較為空曠的場所中，與高壓電網(wǎng)間相連接，同時(shí)這也是大規(guī)模光伏發(fā)電未來發(fā)展的重要趨勢。隨著我國光伏發(fā)電技術(shù)的飛速發(fā)展，光伏電池組件的工作效率也在不斷提升。國內(nèi)很多區(qū)域的光伏電站建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大。2009年我國敦煌光伏電站投產(chǎn)發(fā)電，成為國內(nèi)首個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電示范項(xiàng)目，與此同時(shí)國電寧夏中衛(wèi)光伏發(fā)電項(xiàng)目也已投入到了并網(wǎng)發(fā)電建設(shè)過程中[1]。

規(guī)模較大的集中式并網(wǎng)發(fā)電站與目前已經(jīng)投入運(yùn)行、建設(shè)的分布式屋頂光伏系統(tǒng)具有一定差異性，這種大規(guī)模的集中式光伏并網(wǎng)電站不可能像小規(guī)模的分布式屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)一樣，通過低壓配電線路直接并入本地的配電系統(tǒng)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(qū)域電網(wǎng)中。雖然光伏電站的容量并入電網(wǎng)后能為區(qū)域電網(wǎng)提供數(shù)萬千瓦的電能，但這種電能相對于電網(wǎng)的裝置來講發(fā)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(fù)荷樞紐附近作為電網(wǎng)系統(tǒng)的一種輔助能源，隨時(shí)對電網(wǎng)系統(tǒng)的電能進(jìn)行補(bǔ)充。因此大規(guī)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(wǎng)系統(tǒng)過程中可能會(huì)出現(xiàn)的問題

2.1 諧波效應(yīng)

光伏電站在并入?yún)^(qū)域電網(wǎng)過程中會(huì)經(jīng)過逆變器，而逆變器中存在大量結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電力電子元件，當(dāng)逆變器將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流時(shí)不可避免的會(huì)產(chǎn)生一定的頻率波動(dòng)，這就是所謂諧波效應(yīng)。由此可見，光伏發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)過程中，逆變器的質(zhì)量與其中的電子元件性能會(huì)直接對并網(wǎng)過程中的交流電路造成一定的影響。因此在光伏電網(wǎng)并入?yún)^(qū)域配電系統(tǒng)過程中，須謹(jǐn)慎選擇并網(wǎng)逆變器，對其質(zhì)量及其中電子元件的相關(guān)性能進(jìn)行嚴(yán)格的控制，避免并網(wǎng)過程中出現(xiàn)電路頻率波動(dòng)的問題。

光伏系統(tǒng)并入?yún)^(qū)域電力系統(tǒng)中的諧波電壓及電流接入水準(zhǔn)，主要取決于配電系統(tǒng)的運(yùn)行特性及供電類型，還與配電系統(tǒng)所連接的其他電力輸送設(shè)備及國家電網(wǎng)信息的相關(guān)政策管理[2]有關(guān)。按照《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中的相關(guān)政策，光伏發(fā)電站在接入電網(wǎng)運(yùn)行過程中，在公共接入點(diǎn)中注入的諧波電流須滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。尤其是針對不同頻次的葉波，還應(yīng)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(diǎn)的諧波電流需求，建議供電公司在光伏電網(wǎng)并入?yún)^(qū)域供電系統(tǒng)中測試相關(guān)電網(wǎng)接入點(diǎn)的諧波電流，確保光伏電網(wǎng)并入?yún)^(qū)域供電系統(tǒng)中電壓的穩(wěn)定性。

2.2 孤島效應(yīng)

光伏電站在發(fā)電過程中與傳統(tǒng)的火電、水電發(fā)電存在巨大差異，當(dāng)光伏發(fā)電站接入到區(qū)域電力系統(tǒng)時(shí)，需作為分布式電源通過并網(wǎng)逆變器進(jìn)行并網(wǎng)，這時(shí)就可能會(huì)出現(xiàn)孤島效應(yīng)的問題，因此在并網(wǎng)過程中發(fā)電站必須要采取防孤島效應(yīng)保護(hù)措施。

孤島效應(yīng)主要是指當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)失壓狀況時(shí)，光伏系統(tǒng)由于沒有接收到指令、仍保持對失壓電路中某一線路繼續(xù)供電的狀態(tài)。換句話說，就是當(dāng)電力公司的供電系統(tǒng)由于故障問題或停電檢修出現(xiàn)跳閘狀況時(shí)，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)沒有及時(shí)地檢測出停電狀況，從而將并網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)切離供電網(wǎng)絡(luò)。在這種自動(dòng)剝離的狀態(tài)下，就會(huì)形成由并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與當(dāng)?shù)仉娏ω?fù)荷系統(tǒng)共同組成的供電孤島，這種供電孤島無法由當(dāng)?shù)氐碾娏菊瓶?，在運(yùn)過程中可能會(huì)產(chǎn)生巨大的危險(xiǎn)。其危害歸結(jié)為四點(diǎn)：

對電網(wǎng)負(fù)荷及人身安全造成威脅。很多用戶在用電過程中并不會(huì)意識(shí)到孤島供電系統(tǒng)的存在，這時(shí)孤島電力系統(tǒng)由于無法被當(dāng)?shù)仉娏菊瓶?，很可能?huì)出現(xiàn)電流電壓不穩(wěn)定狀態(tài)，從而對電網(wǎng)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(huì)忽視孤島供電系統(tǒng)的存在，也會(huì)不可避免地造成人身威脅[3]。

沒有電網(wǎng)系統(tǒng)的供電支持，孤島供電系統(tǒng)在供電過程中可能會(huì)出現(xiàn)電壓或電流頻率不穩(wěn)定的狀況，在這種狀況下如用電設(shè)備還處于運(yùn)行狀態(tài)下就可能會(huì)損壞用電設(shè)備；電網(wǎng)恢復(fù)正常狀態(tài)時(shí)，光伏供電系統(tǒng)就可能會(huì)重新并入到區(qū)域配電系統(tǒng)中，這時(shí)由于電力相位不同就可能會(huì)帶來巨大的電流沖擊，從而引起線路的損壞；孤島效應(yīng)的產(chǎn)生本身就脫離了當(dāng)?shù)仉娏芾聿块T及電力監(jiān)測系統(tǒng)的控制，在獨(dú)立運(yùn)行的狀態(tài)下這種孤島電網(wǎng)存在較高的不可控性，如管理人員未及時(shí)察覺可能會(huì)帶來巨大的安全隱患[4]。

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

被動(dòng)式保護(hù)的缺陷是，在負(fù)載與逆變器輸出功率匹配的過程中很難檢測出孤島效應(yīng)的問題。而主動(dòng)式的檢測方式能通過對逆變器輸出狀態(tài)進(jìn)行波動(dòng)干擾，即使在孤島狀態(tài)下負(fù)載和逆變器的輸出功率能成功匹配，也會(huì)破壞到并網(wǎng)的平衡系統(tǒng)，造成并網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓或電流頻率出現(xiàn)明顯變動(dòng)，這樣就可有效的確定孤島效應(yīng)的產(chǎn)生，但在某些特殊狀況下也會(huì)出現(xiàn)檢測盲區(qū)[6]。

主動(dòng)式和被動(dòng)式的電網(wǎng)保護(hù)措施在應(yīng)用過程中具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，光伏系統(tǒng)在并網(wǎng)設(shè)置時(shí)須設(shè)置至少一種類型的主動(dòng)和被動(dòng)防孤島效應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)電網(wǎng)處在失壓狀態(tài)時(shí)防孤島效應(yīng)保護(hù)動(dòng)作應(yīng)在兩秒內(nèi)感應(yīng)、并斷開與電網(wǎng)間的連接。

2.3 短路比問題

光伏電網(wǎng)系統(tǒng)并入到電力系統(tǒng)中需經(jīng)過并網(wǎng)逆變器，而并網(wǎng)逆變器在運(yùn)用的過程中具有快速調(diào)節(jié)電壓的性能。對電力系統(tǒng)來說，這種快速調(diào)節(jié)的特性容易引起短暫的電壓波動(dòng)問題[7]。為有效地避免分布式電源在并入過程中對電網(wǎng)系統(tǒng)電壓產(chǎn)生較大波動(dòng)，根據(jù)國家城市電力網(wǎng)相關(guān)科學(xué)指導(dǎo)的要求，分布式電源短路比、也就是分布式電源并網(wǎng)接入點(diǎn)短路電流與分布式電源機(jī)組的額定電流之比不能小于十。尤其是針對大規(guī)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(huì)設(shè)置蓄電設(shè)備。這就導(dǎo)致光伏系統(tǒng)在并網(wǎng)過程中傳輸功率與運(yùn)行方向的晝夜變化較大，因此在并網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)優(yōu)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(jìn)行發(fā)電，是當(dāng)前解決國內(nèi)資源短缺以及環(huán)境污染的有效方法。但光伏并網(wǎng)電站受到技術(shù)及成本投資的限制，在國內(nèi)發(fā)展起步較晚，在最近幾年內(nèi)光伏電站才正式走上規(guī)模化應(yīng)用的道路。光伏電網(wǎng)在并網(wǎng)的過程中可能會(huì)引發(fā)孤島效應(yīng)、諧波效應(yīng)、短路比等多種問題，只有明確控制這些問題的關(guān)鍵點(diǎn)，才能促進(jìn)我國光伏發(fā)電行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。