解析大规模光伏发电对电力系统影响韩愚非

解析大规模光伏发电对电力系统影响韩愚非

韩愚非

（国核电力规划设计研究院100000）

摘要：社会经济水平的提高，不但给人们的生活、工作带来便利，也带来严重影响，以能源衰竭、环境污染等问题为主。光伏发电作为一种新型的获取能源方式，被社会各界广泛关注，可在提高经济效益的同时，便利人们生活。因此，需加大光伏发电对电力系统影响的研究力度，以更好地节约电能资源。

关键词：大规模；光伏发电；影响

一、光伏发电网概述

光伏发电网系统利用光伏电池组件将太阳能转换为直流电能，通过线缆传送之相连接的逆变器的直流输入端，同时将直流电转换成为与电网频率和相位均相同的交流电能，经线缆输出送至变压器升压并网。根据具体的电网需求，将电能资源输送至公共的电网中。因电能为不能存储电能，从资源量以及太阳能产品的发展趋势来看，光伏发电可大大优化系统电源结构，且没有任何污染，减轻环保压力，可最大限度的减少能源的消耗总量，提高电能资源利用率。其中，光伏机组能将太阳能转化为直流电，逆变器可将直流电源转变为交流电源。一般来说，光伏发电网具备这样几个优势：①提高光伏发电系统的经济效益；②提高电能资源的使用率；③通过和周围建筑物的结合，增加建筑物美观度；④削减光伏发电网的占地面积。

二、大规模光伏发电系统的建模

2.1光伏电池、阵列的建模

光伏电池是在二级管模型、KCL的基础上得出的电池表达式。工作人员可通过电池供应商所提出的功率、电流、电压等数据，得出相对大规模光伏系统的表达式。且光伏阵列模型的建立也能根据电池模型得出。一般来说，光伏电池、阵列的建模中存在各种问题，以光伏组件差异、逆变器异常等问题为主。

2.2换流器、内环控制模型换流器作为光伏发电系统较为重要的组件，和光伏发电网特性关系密切

就当前的换流器来说，主要借助内外环结构方式进行控制。就内环来说，电流输入为主要手段，并将外环控制所生成的电流值作为基础标准，通过换流器将电流纳入系统中。外环控制以电压的输入为主，通过电压的输入执行相关工作，并通过对相应环节的控制生成内环系统标准值，间接决定换流器特性。从换流器的设计上来看，工作人员大多借助解耦措施进行控制，将换流器下的电压、电流等解耦处理后，添加至内环控制系统中。为更好的应用模型，需适当简化换流器、内环控制环节，以从根本上实现换流器的并网功能。

2.3发电系统模型

光伏发电系统模型是一种相对稳定的模型，光伏发电系统通过光伏组件将太阳能转换为直流电至逆变器输出交流电，经过变压器转换成接入公网的电压等级进行并网，与该过程中估算PI、PV节点等。同时，还可建立包含变压器在内的模型方程上。

2.4发电动态模型

工作人员首先借助方程法根据大规模光伏发电系统状态构建方程，从而得出联合性的方程组。这种情况下，可有效建立发电系统的动态模型。

总之，大规模光伏发电系统是由多个模型控制运行的，这就需要工作人员综合考虑换流器组合方式、光伏阵列等相应参数，并充分结合其仿真模型，分析并网。

三、大规模光伏发电对电力系统的影响

3.1对无功电压特性的影响

大规模光伏主要集中于荒漠、戈壁等地区，一旦当地的负荷水平相对较低，则接入的电网短路容量相对较小，使大量光伏电力长距离的输送，随机波动的有功出力穿越较近的电网、输电通道，严重影响到电压的平衡、稳定性，导致电压变化幅度相对较大。就目前来说，并网运行中的光伏电源无功电压支撑能力相对较弱，产生的电压质量越高，电压失去稳定性的风险越大。从大规模光伏分散接入配电网角度上来看，光伏的接入从根本上改变了电网的现有结构，使单电源结构变成双电源，使其出现分布、方向等多变现象，间接加大潮流变控制难度，影响电压质量，发生该现象原因和光伏的接入位置、出力等关系密切。

3.2对小扰动稳定性的影响

光伏电池的使用过程中，大多不存在电磁量、机械不平衡等现象，但却存在电气运行不稳定等情况，严重影响到电网的稳定性，影响电力系统功能的实现。而光伏发电系统的接入可从根本上改变系统功率，通过对小扰动法的分析得知：光伏发电系统内部出现不稳定运行情况，且这种不稳定现象主要位于最大功率点附近。因系统的不平衡性直接被直流电吸收，减弱电容的存储能力，影响发电系统的正常运行。

3.3对有功频率特性的影响

笔者多年工作经验得知，光伏发电的主要特性包括这样几点：①电源属于静止性元件，通过换流器并网，无转动性的惯性；②外出发电力的随机波动性；③充分考虑相应设备元件的安全性，降低电源的抗扰动、负荷能力，致使其出现脱网现象；④低电压的穿越工程中出现各种程度不同的无功、有功动态特性；⑤通过逆变器并网的建立，具备控制解耦、四象限的功能。光伏发电系统所具备的这些特性，使大规模光伏接入后的系统发生系列变化，影响发电系统的正常运行。从另一方面来说，光伏大幅度的发电、频繁性的压力波动等，对发电系统的平衡性造成严重影响，间接增加风险发生率；发电系统的优化策略因光伏的接入发生系列变化，和常规的机组相比，对不同类型的有功频率协调控制、参数设定等提出适应性的需求。

3.4对攻角稳定性的影响

光伏电源作为一种静止性的元件，本身并不参与功角的振荡，也不存在功角的稳定问题，然由于光伏电源波动大、无转动惯量等特性的存在，改变原有分布、传输功率，削减系统的等效惯量。同时，故障穿越过程中光伏具备和其他常规机组有着不同的支撑性能，因此接入光伏后使电网功角的稳定性发生变化，且该变化程度和电网结构、运行方式等关系密切。接入的光伏不但具有改善、恶化功角稳定性的作用，还需根据实际情况借助仿真法分析。

3.5对配电系统保护的影响

电网系统运行中，为更好的运行电网系统，需加大电网安全的保护力度，大规模的光伏电源接入配电系统后，使配网故障出现各种问题：网架结构由单个电源网络转变为双电源结构，使电流大小、方向发生巨大变化；根据变压器连接方式的不同，和逆变器形成接地回路，造成单相故障，改变继电的保护性；增加并网光伏变换器的保护内容，造成诸多不平衡现象；当PV系统保护功能时间无法和其他装置协调配合时，造成非同期合闸。这种情况下，将无法体现配电系统的装置作用，间接影响电网系统的运行；并且，大规模光伏发电系统接入后使电网系统中的备用装置的应用产生不良影响。

3.6对电能质量的影响

电能质量是评估电网运行的主要指标，在大规模的光伏发电系统接入后，相当于扩充原有电网系统中的电源结构。同时，由于光伏发电系统数量、规模上的巨大差异，严重影响到电网网架结构，使其出现诸多变化，在这些变化的影响下，将无法有效控制电网潮流分布现状，降低电压质量，影响用户的真实体验。

结语

综上所述，大规模光伏发电的应用不但能扩展电力资源，还可节约电力资源，提高人们对电力资源的重视度。为更好保证大规模光伏发电系统的正常运行，有效服务群众，需加大对光伏发电系统的研究力度，加大对接入配网系统行为的研究力度，从而为相关学者、专家提供消除不良因素的措施，提高电力资源的利用率。

参考文献：

[1]丁明，王伟胜，王秀丽，等.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].中国电机工程学报，2014.

[2]王果，李民.关于大规模光伏发电对电力系统的影响分析[J].科技展望，2016.

作者简介：

韩愚非（1981.02-），女，吉林省长春市人，北京大学理学硕士，工程师，单位：国核电力规划设计研究院，研究方向：光伏风电电气。