大规模光伏发电对电力系统的影响

大规模光伏发电对电力系统的影响

费璐璐

中国机械设备工程股份有限公司 100055

摘要：随着社会科技的发展，越来越多的石油、煤炭等不可再生能源被消耗，能源和资源问题日益突出，逐渐成为制约社会经济发展的重要因素。光伏发电系统的原理是，以太阳能作为源能，通过特制半导体的光电效应，形成两极电势差，产生电流，是一种不受地域限制、无枯竭危险、无污染排放外，安全可靠的能源技术。本文将系统分析大规模光伏发电基本原理，探究其对现有电力系统的影响，为光伏发电大规模发展提供参考与借鉴。

关键词：光伏发电；太阳能；电力系统

电能是一种经济、 实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，在社会发展的各个领域，被广泛应用，推动着经济、科技发展。当前，电能的来源，大多依靠火力发电，水力发电和风力发电作为补充发电，前者消耗不可再生的化石能源，且对生活环境造成严重污染，后者受限于地域和气候，电力输出不稳定，无法独立满足生产生活需要，太阳能作为一种清洁能源，对环境友好且不受地域限制，能量供应长期稳定，符合人们对可持续、清洁、安全可靠等特性的需求。

1光伏发电的原理的概述

光伏发电的原理是，利用光电效应，在半导体不同部位之间产生电位差，通过电压的不同，产生定向电流，最终实现光能向电能转化。光伏发电以太阳能为原料，充分继承了其优点，从能源覆盖范围上看，光伏发电不受地理区域影响，即使在最偏远的山区，只需满足定量光照，就能进行光电转化，从这一特点看，光伏发电拥有极高的发展潜力，在我国西北部拥有极其广阔的草原戈壁，为大规模实现光伏发电提供了场地资源。从市场前景方面看，光伏发电成本日益降低，在某些地区甚至低于市场电价，其市场规模不断扩大。从环境保护上看，光伏发电更具优势，零碳排放，将有力降低我国社会经济发展过程中的环境污染问题，助力我国打赢蓝天保卫战。目前生产光伏发电设备过程中存在不环保现象，在日后随着科技发展可以改变这一现象^[1]。

2大规模光伏发电系统分析

2.1光伏发电的电池与阵列模型

在大规模光伏发电的电池模型的搭建过程中，运用公式使得电池模型搭建简化，从而得到光伏发电模型的数学公式。光伏电池阵列的模式建立在光伏电池模型排列和构建基础之上，由光伏组件和光伏阵列所组成。

2.2光伏发电的内控制系统

换流器是光伏发电实现内部控制的重要组件，这一控制组件有外环和内环构成。内环主要是针对输入的电流参数进行控制，其控制的对参数控制的原理是以外环内电流的控制为依据。外环是用来实现对光伏电压的输入控制，并将这些输入的参数值转为内环控制的电流参数。

2.3光伏发电的动态控制模型

光伏发电的动态控制模型主要是利用方程组对全系统展开方程式建模，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搭建起光伏发电系统的模型。

3大规模光伏发电对电力系统的影响

由于太阳能发电的效能波动以及光伏分布式电源特性，使光伏发电系统在并网时加大了电网短期负荷，电源点数量增加，单点规模小，使得电源协调控制难度上升，传统的电压控制方案难以适应，随着光伏发电的大规模并网，可能带来电网电压、功角、频率稳定等问题，研究光伏发电并网后电网的变化、系统的运行、接入功率对电压稳定的影响，将有助于光伏发电高效、安全应用。

3.1对有功频率的影响

光伏发电由于本身特性原因，在大规模并网时会对电网系统运行造成影响，首先是其外出力随机波动对系统平衡造成冲击，电网运行频率和频率质量受到影响。其次是通过换流器转换的光伏电源，无转动惯量，在大规模接网时，降低了统应对功率缺额能力。最后是大规模光伏发电的分布式系统，在电流传输中以低电压态具有了有功和无功的特性，电源负荷能力较差^[2]。

3.2对功角稳定性的影响

光伏发电系统本身对功角的稳定性影响较小，但在大规模发电后，电流经过电压器和逆变器并网，具有了随机波动、无转动惯量特性，导致电流的传输功率波动变化，影响了电网功角稳定性。具体分析是由于电网规模、拓扑结构、运行方式以及并网技术等因素决定的。这种变化带来的不稳定性，要结合具体的场景，通过技术手段进行深入分析才能够确定其正面影响还是负面影响。由于光伏的波动以及并网时的不同控制策略，导致电网系统运行点改变，进而造成震荡型失稳。可通过技术分析，独立控制并网的传输速率，以有功无功附加控制策略，抑制电网震荡。而严重的负面影响随着光伏规模化，将有可能导致脱网风险^[3]。

3.3对电能质量的影响

光伏发电在并网时，其大量非线性负荷也会实时施加到电网系统，对电网平稳运行造成一些影响，同时对整个电网系统中的配电设备负面影响，如逆变器反应迟缓，导致功率下降。进而导致电网系统谐波叠加、超标，造成电网系统不稳定，影响正常运行。抑制谐波是大规模光伏发电必须解决的必要问题，目前通过研究表明，添加隔离变压器，重新设计拓扑结构、检测矫正谐波等方法可以明显缓解其问题。

3.4对配电系统的影响

在光伏发电并网时，会对原有的电网系统保护机制以及相关设备的使用造成负面影响，这与光伏发电的运动模式和并网方式密切相关，由于光伏发电的低压分布形式，造成电源节点数量增加，在电流输入过程的协调能力需求较高，电网控制系统的复杂程度加大，在出现故障时，其电网保护机制将有可能迟缓反应，保护装置被挂起，影响电压稳定，产生严重风险。并网时电流大小、位置、方向的变化导致配电网络谐波指数上升，诱发铁磁谐振，因此，如何处理大规模光伏发电系统，控制并网时出现的一些电压、峰值、电能叠加等状况，以跟踪控制逆变器输出电流，抑制谐波电压，确保整个电网系统运行安全稳定，成为了当前研究重点^[4]。

3.5对无功电压发展的影响

大规模的光伏发电在分散并网时，造成单电源转变为多电源，同时受到多电源的分布、位置、方向等因素影响，电网电压发生改变，尤其目前，在运行的光伏电源，普遍支撑能力弱，发生电压波动时的风险更高。但无功电压的发展也会带来积极影响，在光伏电源技术突破，具有很好的稳定性后，两者可以起到了相互促进的作用^[5]。

3.6小扰动稳定性影响

光伏发电系统由本身发电集成性质因素，不具有因机械动能切割磁场，形成的电磁量不匹配情况，而导致的动力学不稳定问题，但在大规模并网时，仍然会对电流功率运行产生影响。从光伏功率并网看，在最大功率运行时，不稳定现象多出现于高出力水平。从等效阻抗方面看，由于电容的储能作用小，直流侧电容吸收功率，将直接导致电压上升，影响电网稳定。

4小结

大规模光伏发电将在对有功、无功电压、电能质量、小扰动稳定、配电系统、功角稳定等方面产生影响，但是随着社会经济发展，清洁、安全、高效能的光伏发电将备受人们重视，在能源结构体系中占有越来越重要的地位，本研究对光伏发电在功角稳定性、电能质量、配电系统、无功电压发展等方面的影响进行了分析，将为我国光伏发电的良性发展提供一定的参考。而这些问题也有待于通过技术的再突破突破，推动大规模光伏发电远景发展。

参考文献

[1]刘媛媛．关于大规模光伏发电对电力系统的影响分析[J]．通讯电源技术，2019，（219）. [2]王果，李民．光伏发电对电力系统影响综述[J]．科技展望，2016，（17）.

[3]辛东昊,郑东青.大规模光伏发电并网对电力系统的影响[J].电力系统装备,2019,(14):58-59.

[4]刘清源.基于微控制器的大规模光伏发电对电力系统影响分析[J].电脑迷,2018,(23):51.

[5] 路染妮,王钰洁,杜先君. 大规模光伏电站中箱式变电站对光伏组件的影响分析[J]. 电力系统保护与控制,2017,(20):123-128.