试论光伏发电并网对电力系统的影响与建议

试论光伏发电并网对电力系统的影响与建议

王军艳

国网山西省电力公司临汾供电公司山西襄汾041500

摘要:目前，在可持续发展理念推动下，光伏发电作为绿色可持续能源进一步受到重视。随着光伏发电技术日益成熟，光电转换效率逐渐提升，发电成本降低，光伏电站并网数量不断增加，有效缓解对传统电能需求的紧张局面，减少环境污染，但同时对整个电网系统产生一定的影响。本文结合大规模光伏发电并网现状及技术特点，对该影响进行一定的综述研究，并简要阐述了光伏发电并网面临的问题。

关键词:光伏发电;并网系统，电能质量，功率稳定

引言

中国新能源的发展速度非常快，千万级的风电基地建设速度极快，体现出了集中化、分布式的开发特点，同时其他形式的发电也在极快地进行普及。光伏发电等产业可能会进行爆发化的成长，用户的电能使用正在不断的进行改善与优化，太阳能发电技术正在逐步的开展，光伏发电的普及率越来越高。

1.大规模光伏发电及其并网系统的基本概念

1.1光伏发电的基本原理

不同极性（P/N）半导体材料相结合生成异质结，其内部载流子在光照条件下定向移动产生内建电场形成光电压和光电流，这一现象叫做光生伏特效应。该过程主要包括三个部分，第一，光照条件下PN结处半导体发生电子跃迁形成电子空穴对（即激子）；第二，PN结处自由移动的多子扩散或漂移至非均匀势场区；第三，在内部能级差产生的势场作用下电子和空穴分离[8]。当异质结连接有外电路时，光照条件下PN结内部光生载流子产生定向移动并形成回路，即光电流。这一过程称为光伏发电。

1.2大规模光伏发电的基本概念

大规模光伏发电是通过组合排列光伏器件将太阳能转化成电能，并且主要以分布式发电形式并入电网。目前，我国大规模光伏发电系统包含四个主要部分。第一是光伏组件，作为电能产生的根本，其排列组合方式尤为重要，同时对并入电网有着显著影响。第二是能源存储装置，主要为铅酸电池。光伏电池将太阳能转换成电能后，蓄电池将会把电能存贮起来，便于在充足光照条件下供负载使用。第三是逆变器，其主要作用就是将光伏电池产生的低压直流电转换成稳定的交流电，为负载提供电能。第四是充放电控制器，其主要作用是控制蓄电池合理的充、放电过程，避免为负载提供不稳定电能。

1.3光伏发电并网系统基本概念

按照一定组合排列的光伏组件在光照条件下通过光生伏特效应产生光电流和光电压。然后将电流送入逆变器和变压器形成稳定的高压交流电，最后直接输送至公共电网。这一过程称为光伏发电并网系统。其中光电流及光电压受控于光伏电池的矩阵排列形式。该过程不涉及蓄电池存储电能，因此有效降低了电能在输运过程产生的损耗和流失，进一步提高了光伏发电的利用率。

2.大规模光伏发电系统常见构建模型

2.1光伏发电阵列模型构建

光生伏特效应是光伏电池产生电能的基本原理。光伏电池结构主要为异质结（PN）结构，在光照条件下其可以产生光电压及光电流。但是单个光伏电池产生的电功率有限，因此需要通过对光伏电池进行串并联，提高光伏电压和光电流。对于PN结光伏电池而言，通过基尔霍夫原理可以得到其光伏等效电路，从中可以计算出相应的光伏参数，如短路电流，开路电压以及填充因子等。工作人员参考这些数值设计大规模光伏系统计算模型，进而对光伏电池进行排列组合，构建成光伏阵列并入电网。

2.2并网换流器与内环控制模型构建

并网换流器主要作用是将不同电压状态的电流进行稳态定形，保障为公共电网提供等电压的电流，因此其对光伏发电并网具有重要影响。在光伏发电模型中，内环和外环共同控制换流器。其中，光伏电压输入主要受外环控制，然后经过控制环节转变为内环控制的电流参考值。同时，光伏发电系统构建模型的具体方法和具体途径需要以该参考值作为重要依据和基准。

2.3光伏发电动/稳态模型构建

光伏发电主要有动态和稳态两种构建模型。其中，逆变器和MPPT的控制对发电系统有着重要影响，在光伏发电系统建模过程中该类控制需要用方程的形式进行表达。除此之外，光伏发电系统本身包含多个组成部分，也需进行方程式的模型构建。这两种方程式相互结合共同构建出光伏发电系统动态模型。光伏发电并入电网得益于逆变器的双环控制。并网过程中我们采用潮流方程计算出入网电流恒定的PI节点以及并网电压恒定的PV节点等。这一方程即为光伏发电系统的稳态模型。

3.大规模光伏发电对电力系统的具体影响

3.1影响光伏发电系统稳定性

目前，大规模光伏发电已经成为电力能源主要供应方式之一，其具有多方面特性。具体如具有随机波动性、电源为静止元件无转动惯量、低电压时具有无功/有功特性、电源抗扰动与超负载能力较弱易脱网以及具有四象限控制能力等。这些特性对电力系统的运行规划以及稳定可靠性都有一定的影响。光伏发电的随机波动性对电力系统平衡性有重要影响，不利于系统的调频以及有效经济调度。同时，会增加系统调频运动特性风险。

3.2影响光伏发电系统无功电压特性

大规模光伏发电系统并入电网会影响无功电压，具体表现为电压电流不稳和电压频率超限等。光伏发电并网过程中，换流器的引入会导致电网产生谐波电流，从而使电网电压发生谐波畸变。并且该畸变会受光伏发电系统中电抗器以及配电网中的电容器谐振作用而被放大。此外，光伏发电的输出功率受自然界温度、光照强度等因素影响而产生波动，在并网过程中，光伏电源的输入功率变化会影响公共电网原有电压稳定性。

3.3影响光伏发电系统稳定性

大规模光伏发电对电网的稳定性影响主要表现在两个方面。一是对功角稳定性影响；二是对小扰动稳定性影响。由于光伏系统自身的波动性和无转动变量等特点，公共电网的潮流分布和系统等效惯量会发生变化。在光伏发电并网过程中，这会对电网的功角稳定性造成一定的影响。同时还会通过改变公共电网构架形式造成电力系统发生震荡型失稳。

3.4影响光伏发电系统配电系统保护

目前，为了保证电网系统正常运行，工作人员一般通过增加一些保护装置确保系统能够安全稳定。当大规模光伏电源与配电网结合时，由于光伏发电自身的随机波动性等因素，其会导致配电系统的内部特征发生一定的变化。具体如系统的有功平衡，并且继电保护和自动装置系统均会受到影响。这可归因于电网系统的网架结构在光伏发电系统并入后，由单电源转化成为双电源或多电源的拓扑结构。

4.大规模光伏发电并网的现状及面临的主要问题

目前，随着光伏发电技术不断改进，光伏电池转换效率大幅提升，成本逐渐降低，光伏产业迅速发展起来。光伏发电系统与公共电网结合，以公共电网为支撑，是大规模光伏发电系统发展的主要保障，也是光伏发电未来发展的主要方向。世界各国对光伏发电并入电网不仅在经济政策和法律法规方面提供大力支持，而且还不断加大光伏发电与并网技术等科研力度，确保光伏发电系统并入公共电网高效运行。大规模光伏发电的输出功率易受周围环境影响，其频繁的随机波动性对公共电网具有重要影响。因此，大规模光伏发电系统影响电网系统机理、电网运行控制、新型配电系统的规划、并网的研究与实验验证、技术标准与规范以及电网检测保护与控制装备等方面均是目前大规模光伏发电系统需要面临的重要问题。

结束语

光伏电网的智能化管理水平越来越高，光伏电网依靠传感器、控制器等实现自动控制与操作，同时，分布式并网技术的开发也为电力行业的电能来源提供了相关的保障。通信技术使得用户信息的采集与管理越来越方便，可以使得电网的使用更加方便，这些创新技术使得光伏电网越来越成为传统电力行业的重要发展趋势。

参考文献：

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