大规模光伏发电对电力系统的影响研究

大规模光伏发电对电力系统的影响研究

尹智李磊

（杭州凯达电力建设有限公司浙江杭州311100）

摘要：社会对电能的依赖程度在日益加深，为了解决这个问题，本文从可持续发展角度出发，研究了大规模光伏发电对电力系统的影响。

关键词：电力系统；光伏发电；影响

前言：太阳能属于一种低碳、绿色、环保的可持续能源，光伏发电即实现了太阳能的有效利用，且在电力系统中得到了广泛的应用。

一、光伏发电技术的相关概述

光伏发电以半导体材料为基础，主要是利用太阳光照在PN结产生光电流以及光电压，将太阳能转换为电能。晶体受光其带正电空穴会向着P型区转移，带负电空去向N区转移，在两端产生电动势。光伏发电在实际应用中有着多个优点，首先，光伏发电技术能有效解决偏远地区电能供应问题，当前其应用领域不断转型，正在向大规模并网发电方向发展；其次，光伏发电技术成本相对低廉，随着行业竞争的日益激烈化，行业成本大幅度下降；最后，在碳排放方面，光伏技术的发展能够更好的“转移排放”，对能源结构起到非常好的改善作用。我国太阳能资源分布广泛，有着永续利用以及普遍存在等优势。尤其在西部荒漠区域，太阳能资源非常丰富。我国在并网逆变器方面的研究相对较晚，还无法规模化生产并网型太阳能发电设备。

二、大规模光伏发电系统分析

2.1光伏电池和阵列模型

构成大规模光伏发电系统的重要部分之一是光伏电池，因此需要具体仔细的研究其排列情况，光伏电池等效电路就是本文所说的大规模光伏发电系统中的光伏电池，其核心主要是二极管模型，而且其数学表达公式在KCL状态下是确定的。与工程计算相符合的模型表达公式是在光伏电池提供电流、开路电压以及最大功率电压等情况下确定的，之后利用串并联的方式展现出大规模光伏发电系统中的阵列模型。

2.2并网换流器

并网换流器是一种暂态的并网特性，这主要是从大规模光伏发电系统大规模单元方面来说的。目前内外环双层结构是大规模光伏发电系统中主要使用的电压源型，这样可以使双环的控制方式得以形成，电流是内环控制方式的核心内容，其基础衡量标准主是以外环的电流参考值为主，而电流入网的目标是通过控制环节和换流器装置共同来实现的；输入电压的过程是外环控制主要的内容，内环控制的电流参考值是通过控制环节生成的，其对换流器的并网策略和外特性具有直接的决定性作用。

2.3动态模型构建

在光伏发电动态建模过程中，使用方程组进行光伏发电全过程系统展开方程式模型建立。此外，将逆变器控制通过方程式展现，MPPT的控制也应转为状态方程表示，然后进行方程结合构成新的方程式，进而建立光伏发电系统模型。

2.4光伏发电系统模型研究

光伏发电模型在仿真电力系统平台构建中发挥着重要作用，能够加快电力系统费仿真模型研究。目前，我国的光伏发电系统模型分为PSD-BPA和PSASP。该平台的研究将光伏发电的静态与动态予以展开和融合，为建立光伏发电的仿真模型与商业性质的平台系统创造了条件，模型功能的多元化、灵活性也进一步加快了光伏发电模型建构。

三、大规模光伏发电系统对电力系统的影响

3.1对有功频率的影响

光伏发电系统电流传输过程中其特点体现在，电流在输出时波动不稳定，低电压传输形成无功或有功动态。为确保电流通过，不会对设备及原件造成破坏，负荷能力就会受到影响，从而使电力系统特性受到影响。光伏系统波动不规律会使电力系统内部平衡性受到影响，调度与多次调频的特点也会受到改变，频率等级受限的同时，传递风险也会发生改变。电力系统通常都会有备用系统，但是光伏系统接入后，会对其进行适当调整。为确保电力传输需求得到满足，可能会替换原有常规电源，系统处理紧急情况的能力会被削弱，严重时频率变化会影响到系统整体运行。

3.2对无功电压的影响

考虑到光伏系统运行特性，一般大规模光伏发电系统需要在高海拔，日照时间长的区域，并且会占用土地，如沙漠或者是戈壁。但是受到自然环境条件的影响，区域内人口数量稀少，对电力需求量也小，电力系统负荷较小。通常情况下，光伏系统发电不存在电网短路容量问题，光伏系统电能进行远距离传输需要借助于高压，而在此过程中会存在随机波动，最终会对电网无功平稳产生一定影响。同时也会导致电能输送母线电压出现波动，影响到电网整体平衡性。除此之外，当前光伏发电系统受到无功电压支撑水平影响，整体电网都会受到一定影响，包括电力系统的稳定性与电力质量，严重情况下可能会产生电压幅值越限问题。

3.3对功角稳定性的影响

光伏发电本身相对较为稳定，与功角震荡不存在有直接联系，功角稳定性不受影响，但是在并网过程中会影响到电网现有功率的分布以及电力传输功率，进而改变原有功角稳定性。这方面的改变可能有利也可能不利，需要与电网具体拓扑结构以及模型分析结合在一起展开研究探讨。光伏发电并网过程中容易有脱网情况出现，影响电网稳定性。振荡型失稳属于功角失稳的一种形式，主要是因为系统运行点发生变化，电网运行阻尼发生变化，不仅会导致机电振荡，同时还会导致范围内其他频段出现振荡，振荡程度受到并网穿透率与逛网接入位置等因素影响。

3.4对电能质量的影响

大规模光伏接入使得电子系统中的非线性负载显著增加，污染系统，影响了电能质量。在阳光变化明显、输出功率低的条件下，容易产生很大的谐波，发生电流谐波叠加的情况。现如今很多光伏电站的运行经验都提出了：多台并网逆变器的电流谐波有可能超出标准。针对这一问题，可以对电流谐波问题进行建模，得出在电网并联系统中，光伏电站逆变器的阻抗耦合是影响电流谐波超标的关键。在长距离光伏电网中，谐波不稳会导致电压波动。为了进一步控制大量光伏对谐波的影响，可以在系统中，增设一些补偿设备或是滤波器，能够起到很好的效果，比如可以在电网中增加谐波补偿器、有源或无源固定频次滤波器等。

3.5对配电系统保护的影响

①多电源结构会影响故障电流，导致电压不稳定。②配电系统连接着变压器，当发生逆变器接地回路后，电流和电压产生不稳定问题，影响继电保护装置的自动断电功能。③由于光伏发电系统是由多条低压电线共同接入主干线进行发电，当一些高密度光伏发电系统的连接馈线发生短路时，会影响两个相邻熔断器的配合效果，严重时会产生某些线路的电压负荷超过断路器的遮断容量，影响配电系统安全运行。通过在敏感的并网光伏变换器中，添加一定的保护，会降低电压，导致输出电压分量超标、谐波超标问题。PV系统的保护功能无法配合自动合闸作用，为防止产生非同期合闸问题，可以通过逆接逆变器系统的线路，将反孤岛的最大自动保护时间设定在三相一次重合闸重新工作的时间内。

3.6对小扰动稳定性的影响

光伏发电在使用过程中虽然无力学缺陷，但容易导致电气工作上存在诸多不足，在大规模光伏联网后将会对电网运行造成影响。结合相关文献内容，针对特殊光伏功率注入，通过小扰动法研究理论上的两个运行节点中，一个为不稳定，提出不稳定问题多发生在靠近最大功率运行点的高出力水平。此外，也有一些资料针对动态等效阻抗配置展开了全面叙述，对电气运行问题提出了有效方法。因此，不平衡功率仅能通过光伏电站直流测电容吸收。由于电容能量保存较低，进而造成直流测电压的高速增加，影响电源稳定性。

结语：

总之，光伏发电技术的应用，拓宽了电力资源的来源，对我国电力事业发展具有重要意义，我们要关注其接入电网后对电力系统产生的影响。

参考文献：

[1]李丽.关于大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].工程技术：全文版，2016（10）：310.

[2]包玉刚，夏勇.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].通信电源技术，2016，33，16（04）：233-234.

[3]张央.大规模光伏发电对电力系统的影响分析[J].低碳世界，2016（23）.