大规模光伏发电对电力系统的影响分析

大规模光伏发电对电力系统的影响分析

王树海

国家能源集团生产指挥调度中心 北京 100011

摘要：随着社会的不断发展，越来越多的化石能源被消耗，有的甚至是被消耗殆尽，同时造成了严重的环境问题。所以，人们把目光转向清洁型可再生能源。光伏发电很好地解决了我国对用电需求不断增大的现状，并且减少了对环境的污染。光伏发电在我国的发展前景必然是一片光明的，国家对光伏企业的大力支持，企业对光伏产业的不断建设和创新，都会推动光伏发电的大规模应用。虽然光伏发电对电力系统产生了一定的不利的影响，但是在相关的技术支持和不断创新发展过程中，这种影响在促进电力系统供电的质量和稳定性上来说，可以忽略不记，发电是新能源，它能够减少对环境的污染，能够促进可持续发展，很好的降低电力系统在供电中的能源的损耗。

关键词：大规模光伏发电；电力系统；影响

引言

随着社会的快速发展，人类面临着巨大的能源与环境压力。虽然我国能源资源相对丰富，但由于人口众多，人均能源量远低于世界平均水平。因此，积极开发、利用可再生能源是解决能源短缺的有效方法之一。太阳能光伏发电具有清洁、高效、安全等优点，被世界各国普遍关注并作为重点发展的产业之一。光伏发电不仅仅用于解决边远地区用电和特殊用电，更转向并网发电和建筑结合供电的方向发展，很多发达国家都已制定了能源中长期发展规划，重点发展光伏产业和技术。近年来，电能越来越成为主要的能源供给，电能来源很多。光伏发电技术非常方便，缓解了能源不足和环境污染的问题。在并网的过程中，由于光伏发电自身的特征，如今的电力系统存在着很多的问题需要进行解决。因此，应该仔细研究光伏发电对于电力系统的影响，从而帮助光伏发电技术的不断发展。

1 大规模光伏发电原理及优势

大规模的光伏发电通常是利用太阳能发电系统产生的直流电转换为交流电的过程，主要是利用并网逆变器进行工作。光伏并网发电系统主要有大型并网发电站和分散型的小型并网发电系统两种方式，前者在发电站完成转换，适用于全国大型发电站，广泛应用于住宅建筑，适用于光伏建筑的一体化。光伏发电并网系统不需要能源储存和能源释放过程，有利于减低能源损失，使电力利用效率提高。

通常，大规模光伏发电利用太阳能进行，光伏发电具有很多优点，是其能够得到广泛关注的主要原因。首先，从应用性来说，光伏发电能够解决一些偏远地区的用电问题。它不像火力发电、水利发电会受到环境、原材料等因素的限制，只要有阳光的地方就能够进行光伏发电，而且会把多余的电存储在蓄电池中，即使遇到没有阳光的天气也能有电使用。同时，光伏发电正向着大规模应用并与电力系统联网的方向发展。特别是光伏发电与建筑物结合的发电模式，及时发电及时使用，蕴藏着巨大的发展潜力。其次，随着科技的发展与进步，以及受到行业内部竞争的影响，光伏发电设备已经基本上实现了国产化，使得光伏发电成本相对较低，有利于光伏发电技术的广泛应用。从碳排放方面来看，实现大规模的光伏发电具有更重要的战略意义。近年来，我国一直致力于寻找新的能源代替物，但是我国的一些污染源处于无法得到有效治理的局面。而大规模光伏发电有望改变这一局面，因为在我国众多领域、企业实施光伏发电将有助于降低“转移排放”，改善能源结构，真正实现节能减排，并且能够推动光伏发电产业迎来跨越式发展。另外，我国幅员辽阔，尤其是西部光照时间长，利于实施大规模光伏发电。如果能够科学合理规划实现大规模光伏发电，可以满足全国的用电需求，甚至超出数倍。

2 大规模光伏发电对电力系统的影响

2.1对配电系统保护的影响

电网系统中，应用措施对于电网设备进行保护，通过相应的措施保证配电系统能够安全稳定地运行是非常必要的。对于配电系统进行安全保护以及电力企业有很大的帮助，是电力企业加大安全管理和质量管理的措施。通过大规模的光伏发电，使得配电系统的保护受到一定的影响，大规模的光伏连接使得配电系统本来的运行方式受到一定的影响，故障的特征也发生了变化。而现有配电系统的中保护装置不能起到保护的作用。在一些文献中，指出光起电力系统中的变压器连接的方式和常规方式差距较大，继电保护的特征也发生了变化。另外，还会由于人为因素对其产生影响，并且网光伏变换器十分敏感，一些员工在变换器中添加了不符合标准的保护设施，这也会对原配电系统中变电站的备用电源正常使用产生很大的影响。

2.2对有功频率特性的影响

光伏发电系统在电流输送中会频繁随机波动。在保证电流能够更加稳定，以及保护设备和零部件避免遭受破坏的前提下进行系统有功平衡的维持是很难的，也会对电网运行进行影响。电力系统一般会具有备用的系统，光伏系统会造成电力系统的调整。为了使电力传输更加顺利，应该将传统的电源进行更换。在出现紧急的状况时，会使得系统的相应能力减弱，系统的操作也会受到一定的影响。与光伏系统相连接之后，会影响系统的功率波动，影响系统的有功频率特性。

2.3对网架电压的影响

大规模光伏发电一旦接入常规网架，其首先会对系统电压产生冲击影响，勿论冲击的大小，网架所接受到电压波动必将传递，随着接入大规模光伏发电源的数量增加，电压所受到的影响会更为加剧。传统网架的稳压模式和措施往往针对于短时间的操作过电压或者自然界的雷电过电压，对于从配网端逐一接入的大规模光伏发电源对策较少，相对并不完善，容易为其他用户带来影响，进而导致整个网架的电压波动。具体来说，大规模光伏发电接入对网架电压的影响主要有：①接入大规模光伏发电会对接入回路产生直接影响，即对线路的电压分布产生直接影响，接入数量越多，容量即越大，产生的影响越难以消除；②在网架节点上接入大规模光伏发电，对整个节点关联的用户均会产生影响，且节点分布范围影响难以估算；③一般情况下，法拉第效应会导致受端电压的抬升，这就为大规模光伏发电接入点的选择提出了技术要求。

2.4对电能质量的影响

随着大规模光伏发电并入电网系统后，电网中的非线性负荷随之增多，可能会影响到电网的质量。而非线性负荷的增加会使电网逆变器的开关出现延时现象，电力输出产生波动。随着光伏发电并网的时间延长，波动变化也会更加剧烈。光伏发电的电能是以直流电的方式接入电网中，会导致电网中的电压相应随之发生变化，出现电压偏差和频率波动的情况，需在实施过程中引起注意。但是，光伏发电并网后带来的不只有负面影响，随着大量电能的加入，电量总量也会增多，能够在很大程度上缓解用电压力。大规模光伏发电有别于传统网架利用煤气、水利发电，往往利用新能源如太阳能、风能、化学能等发电，这就涉及到大量的整流逆变技术，极易产生难以消除的谐波，对电能质量影响极为恶劣，进而影响到用户的实际使用效果。具体来讲，大规模光伏发电对电能质量的影响主要有：①电压的跳变。大规模光伏发电源的接入、退出、发电装置的波动等，都会对电压产生影响，电压的跳变是电能质量下降的主要因素。②谐波污染。整流逆变技术的应用需使用大量的电力电子设备，这是谐波的主要发生源，谐波对于电网的保护系统以及用户的各类电器设备均会产生不良影响，这也是当前大规模光伏发电难以大规模接入到常规网架的主要原因。③改善措施不明确。大规模光伏发电技术发展已有多年，但是针对电能质量改善仍未有突破性进展，当前常规网架已经建设完毕，无论是规模还是体量，均是大规模光伏发电难以匹拟的，常规电网不可能为其接入进行根本性的技术变革。

2.5对继电保护的影响

大多数配电系统结构呈放射状，采用这种结构的主要目的是为了运行的简单性和过电流保护的经济性，当配电网中接入了分布式电源之后，放射状网络将变成遍布电源和用户互联的网络，潮流也不再单向地从变电站母线流向各负荷，因此，大规模光伏发电将对配电网原有的继电保护产生较大的影响：①DG 运行时可能会引起继电保护的失效。DG 产生的故障电流可能会减小流过馈线继电器的电流，从而使继电保护失效。②DG 接入配电网后可能会使继电保护误动作。相邻馈线的故障有可能会使原本没有故障的馈线跳闸。③改变了配电网的故障水平。故障水平提高还是降低取决于运行的分布式电源数量和种类，故障水平的提高要求开关设备的升级，故障水平的降低可能会给过电流保护带来问题。因此，若某配电区域的分布式电源容量很大，而使故障电流产生大幅度的变化，则必须提高其断路器的容量和升级保护装置。

2.6对电力市场的影响

在国家电改的大趋势下，大规模光伏发电的兴起为电力市场的发展提供了更为广阔的机会和平台，为各级用户提供了更多的选择和模式，如电力供应商的选择更为激烈，用户可以选择性价比更高的供应商；大规模光伏发电虽然质量难以保证，但是在特殊行业特殊时间，用户对电能质量的要求可能更低，这就为大规模光伏发电的应用提供了平台；用户可以直接自己发电或者储存电能，摆脱常规电网的各种限制。目前，国内两大电网公司的电力改革重心主要集中在售电端的开发，即建立完善各自的电力售卖平台，这为大规模光伏发电提供了竞争的机会和发展的空间。但是，我们也应该看到，当前模式下，大规模光伏发电无论是规模还是质量上都还不具备独立成网的基础，依附于常规网架或者作为网架的应急补充是大规模光伏发电当前扮演的主要角色。随着电力改革进入深入区，市场、用户均需要大规模光伏发电能够承担更为重要的责任，这不仅是技术层面，也是管理层面、决策层面等多个路线的综合考虑。只有顺应市场，把握电力改革的红利，大规模光伏发电才能创造出更为广泛的机会，才能真正赢得和常规网架公平竞争的机会。

2.7对小扰动稳定性的影响

大规模的光伏发电的来源是太阳能，在光伏系统的并网过程中机械和电磁量的稳定性和不平衡被避开，会发生小的扰动稳定性的问题，引起电力运行的不稳定，制约系统功能的充分实现，导致电力系统的不稳定性。这主要出现在光伏发电系统的两个运转点，其中一个在高输出状态下是不稳定的。由于光伏电力系统电容存储能力差，因此故障发生时，吸收不均衡的责任由直流侧的电容承担，直流侧电压因故障急剧上升，调整变得困难，导致电源不稳定，电力系统受到一些干扰后，使得其稳定性受到一定的影响。

2.8大规模光伏发电对无功电压发展的影响

大规模光伏发电还有很多正面影响，其中无功电压属于一种新型的电力技术，主要致力于解决电能供应过程中由于供电系统电阻过大而导致出现的电能供应缓慢问题，需要采取一定的措施以外力电压补给形式进行科学合理改进和完善。无功电压技术的出现，可以有效保证电力系统中电压的稳定性。若是与光伏发电技术相结合，能够在保证电压稳定的同时为电力系统的正常运行提供支持，最终实现无功电压技术在电力系统中的应用。光伏发电技术本身具有很好的稳定性，能够在无功电压运行的状态下实现电力系统对双电源和多电源的同时使用。光伏发电技术与无功电压技术在一定程度上起到了相互促进的作用。光伏发电的大规模应用促进了无功电压的发展与应用，而无功电压技术带来的良好效果为光伏发电的正常运行奠定了基础，两者正向发展形成了一个良性循环。

结束语

光伏发电的大规模利用能有效地解决我国的能源不足问题。这项技术符合国家生态环境保护理念，有利于可持续发展。而只有对光伏发电的机组进行具体系统的分析和研究，这种光电模式才能更广泛地被使用。可以看出，在未来，大规模光伏发电将拥有越来越大的市场份额，并将与现有的电力系统结合形成一个高效、灵活的电力系统，提高整个社会的能源利用效率，提高整个供电系统的安全性、稳定性和可靠性。然而，它在电网中的接入也会对电力系统稳定性、电力系统控制和继电保护造成负面影响。这就需要我们加大研究力度、扩大研究范围，使之能早日在电力系统中发挥巨大稳定的作用，有利于我国电力系统更稳定更长期地发展，并促进我国社会经济的发展。

参考文献：

[1]徐晓霞,彭端丹.关于大规模光伏发电对电力系统影响探讨[J].科技风,2018(27):191.

[2]吴恺琳.大规模光伏发电对电力系统影响[J].科技风,2018(16):160-161.

[3]迟作为,辛鹏,刘栩霏,丁伟,李响.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].城市建设理论研究(电子版),2018(09):26.

[4]贾春凤,计京鸿.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].南方农机,2018,49(04):187.

[5]刘明武.大规模光伏发电对电力系统的影响研究[J].技术与市场,2018,25(01):156.

[6]王卫卫,李可.分布式光伏发电及其对配电网的影响综述[J].电力学报,2017,32(06):466-470.

[7]陶园.光伏发电并网大电网面临的问题与对策[J].建材与装饰,2017(49):206.

[8]陈秀春. 含光伏发电的主动配电网功率调度随机优化方法研究[D].燕山大学,2017.

[9]武俊丽.分布式光伏发电并网保护与优化策略[J].智能城市,2017,3(11):168.

[10]张自强.分析区域电力市场环境下节能发电调度方式[J].通讯世界,2017(22):97-98.