光伏發(fā)電并入堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的研究

摘 要：文章介紹了太陽(yáng)能發(fā)電的兩種方式和堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，論述了分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)與集中式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)及應(yīng)用，從電能質(zhì)量、孤島效應(yīng)、低電壓穿越、電能計(jì)量方式等方面探討了光伏發(fā)電在并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成的影響，提出了相應(yīng)的建議。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)；光伏并網(wǎng)

1 概述

近年來(lái)，全球資源正在以驚人的速度被消耗，而環(huán)境污染也越來(lái)越嚴(yán)重，如何保證高質(zhì)量的和穩(wěn)定的電能輸送給用戶，這對(duì)電力行業(yè)來(lái)說(shuō)既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。中國(guó)的能源分布是不均勻的，電力需求旺盛的是中東部地區(qū)，但能源資源主要分布在西部、西南和北部，能源資源與需求很難實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，所以發(fā)展清潔能源是減少資源消耗和保護(hù)環(huán)境的最佳選擇，風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿榷紝儆谇鍧嵞茉矗?yáng)能是應(yīng)用最廣泛的清潔能源[1]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)陸地表面每年有大概14700萬(wàn)億千瓦時(shí)的能量來(lái)自太陽(yáng)輻射，與4.9 萬(wàn)億頓煤燃燒時(shí)放出的熱量相同，大概有上萬(wàn)個(gè)三峽電站發(fā)出的電量。

2 光伏發(fā)電與堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)

太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式：太陽(yáng)能熱發(fā)電和光伏發(fā)電。太陽(yáng)能熱發(fā)電效率低，主要利用的是太陽(yáng)能產(chǎn)生的熱量，而光伏發(fā)電的原理是一種基于物體在光照下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)，是一種將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由太陽(yáng)電池組件、控制器、逆變器等構(gòu)成。在中國(guó)光伏發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟，適合廣泛推廣和使用。太陽(yáng)能熱發(fā)電現(xiàn)在仍然主要是在研究和示范階段，需要相對(duì)高的成本，規(guī)模的使用仍然需要時(shí)間，所以光伏發(fā)電占重要地位。

我國(guó)對(duì)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的定義是：特高壓電網(wǎng)作為主干網(wǎng)架，在通信信息平臺(tái)上，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個(gè)環(huán)節(jié)都具備信息技術(shù)、自動(dòng)化和交互功能，包含所有電壓等級(jí)，成為“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”相融合的現(xiàn)代電網(wǎng)[2]。每個(gè)國(guó)家對(duì)智能電網(wǎng)的定義是不同的，但對(duì)智能電網(wǎng)的基本要求是一致的，也就是說(shuō)，電網(wǎng)應(yīng)該更強(qiáng)大、更智能。

智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的較大區(qū)別是智能電網(wǎng)支持分布式電源的大量接入，能夠?qū)崿F(xiàn)各項(xiàng)功能的有機(jī)融合與科學(xué)配置，光伏電站屬于分布式電源，太陽(yáng)電池組件發(fā)出的是直流電，通過(guò)逆變器可以轉(zhuǎn)換為符合要求的交流電，此交流電條件滿足時(shí)可以直接或升壓后接入智能電網(wǎng)，在夜晚陽(yáng)光不充足或用電低谷時(shí)，負(fù)載由電網(wǎng)供電，當(dāng)陽(yáng)光充足或用電高峰時(shí)，光伏發(fā)電可以向電網(wǎng)輸送電能，達(dá)到光伏發(fā)電“即發(fā)即用”的智能控制，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的用戶與智能電網(wǎng)的雙向連接，對(duì)電網(wǎng)起到削峰填谷的作用，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的有效管理。智能電網(wǎng)是世界能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展和變化的最新趨勢(shì)，是未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展的目標(biāo)。

3 光伏并網(wǎng)的兩種形式

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，只要逆變器輸出的正弦電流的頻率與智能電網(wǎng)電壓的頻率相同、正弦電流的相位與智能電網(wǎng)電壓的的相位相同就可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，有兩種主要類型的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，分別是分布式并網(wǎng)和集中式并網(wǎng)。

分布式并網(wǎng)主要是接入低壓配電網(wǎng)，解決的是居民用電問(wèn)題，通過(guò)配電網(wǎng)來(lái)調(diào)整多余或不足的電能，光伏電站等清潔能源可以與常規(guī)能源或其他清潔能源一起接入智能電網(wǎng)，作為微網(wǎng)和智能電網(wǎng)的有效接口，特殊情況時(shí)也可以脫離電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，比較適用于用戶、城區(qū)等小規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)[3]。20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)前后制定了很多支持光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的政策，隨著科研的投入，并且預(yù)計(jì)在4年后，光伏發(fā)電的安裝容量會(huì)有36GW，每年會(huì)連續(xù)持續(xù)增長(zhǎng)。在日本，到2004年底，安裝太陽(yáng)能屋已達(dá)到20萬(wàn)戶住宅，在2004年一年就有5萬(wàn)多套用戶都安裝了光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。

集中式光伏并網(wǎng)應(yīng)用在太陽(yáng)能資源豐富的荒漠地區(qū)，電能直接接入中壓或高壓大電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，向遠(yuǎn)距離負(fù)荷進(jìn)行供電，二次設(shè)備的投入會(huì)相對(duì)比較大，無(wú)功功率和電壓控制可以很容易地進(jìn)行，更容易實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)，但是，在并網(wǎng)時(shí)需要依賴長(zhǎng)距離輸送線路，對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)會(huì)成為一個(gè)比較大的干擾源，同時(shí)還存在無(wú)功補(bǔ)償、線路損耗等問(wèn)題，在大容量的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，多臺(tái)變換裝置的協(xié)同工作也需要統(tǒng)一管理，還需要有待進(jìn)一步研究。到2005為止，德國(guó)Espenhain的太陽(yáng)能電站是世界上裝機(jī)容量最大的光伏發(fā)電站，里邊有3萬(wàn)多個(gè)太陽(yáng)能電池組件，于2004年9月開(kāi)始正式運(yùn)行。

在智能電網(wǎng)規(guī)?？焖侔l(fā)展的同時(shí)，美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家非常重視光伏發(fā)電系統(tǒng)及并網(wǎng)的研發(fā)和創(chuàng)新，近年來(lái)，我國(guó)在大規(guī)模清潔能源并網(wǎng)方面也加大了投入，傳統(tǒng)電網(wǎng)會(huì)向著光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的形式轉(zhuǎn)變，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)促進(jìn)電網(wǎng)向更強(qiáng)大、更智能的方向發(fā)展。

4 光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響

光伏發(fā)電作為清潔能源，與傳統(tǒng)的水力發(fā)電、火力發(fā)電相比在很多方面都有所不同，在并網(wǎng)時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)會(huì)有一定的影響。

4.1 電能質(zhì)量

電能存在著嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，如果電能質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，將會(huì)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人們的日常生活帶來(lái)?yè)p失。光伏發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模和數(shù)量有所不同，并且隨著溫度、日照、季節(jié)的不同具有波動(dòng)性、間歇性等特點(diǎn)，并網(wǎng)后，對(duì)原系統(tǒng)中的電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擴(kuò)充，對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成安全性和穩(wěn)定性的影響，電網(wǎng)系統(tǒng)中的電能質(zhì)量就不能得到保障，因此要進(jìn)行協(xié)調(diào)配合。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中比較重要的元件是逆變器，但在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成諧波污染，在逆變器輕載輸出時(shí)諧波會(huì)更大，光伏發(fā)電并入智能電網(wǎng)中的諧波源個(gè)數(shù)較多，高次諧波的功率諧振有可能發(fā)生，所以要降低諧波源的數(shù)量。文獻(xiàn)[4]提出了一種諧波抑制控制器，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)諧波的檢測(cè)，可以利用此控制器進(jìn)行諧波閉環(huán)，有效抑制了指定次數(shù)的諧波，并可應(yīng)用于實(shí)際中。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中會(huì)存在隨機(jī)波動(dòng)，則提供的有功部分會(huì)對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功平衡產(chǎn)生影響，會(huì)影響電網(wǎng)的整體平衡性[5]，會(huì)降低電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓質(zhì)量，需要光伏發(fā)電系統(tǒng)與無(wú)功補(bǔ)償裝置配合使用。

4.2 孤島效應(yīng)

孤島效應(yīng)是指當(dāng)系統(tǒng)因?yàn)樵O(shè)備停電檢修或發(fā)生故障而供電停止時(shí)，光伏發(fā)電裝置卻一直向公共電網(wǎng)饋送電量，此時(shí)對(duì)電網(wǎng)負(fù)載和用戶或線路維修人員都會(huì)造成危害。

為了保證用電安全和用戶能夠獲得比較高的電能質(zhì)量，應(yīng)該盡量避免孤島效應(yīng)，可以安裝孤島檢測(cè)與控制裝置，在檢測(cè)孤島狀態(tài)時(shí)采用的被動(dòng)檢測(cè)方法有：電壓和頻率檢測(cè)法、電壓諧波檢測(cè)法等，常用的主動(dòng)檢測(cè)方法有頻率偏移檢測(cè)法、滑模頻漂檢測(cè)法等，在電能質(zhì)量不滿足要求或電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)斷開(kāi)相應(yīng)的斷路器并啟動(dòng)保護(hù)裝置。

4.3 低電壓穿越

對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)，在并網(wǎng)時(shí)應(yīng)具有低電壓穿越能力，當(dāng)電力系統(tǒng)故障或光伏電站電網(wǎng)電壓驟降時(shí)，在一定時(shí)間間隔內(nèi)，電壓跌落在允許的范圍時(shí)，光伏發(fā)電站能夠在不脫網(wǎng)的情況下連續(xù)運(yùn)行?！豆夥娬窘尤腚娋W(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中對(duì)低電壓穿越有明確規(guī)定，當(dāng)遇到電力系統(tǒng)運(yùn)行不正常時(shí)，智能電網(wǎng)可以把系統(tǒng)中低電壓穿越能力的規(guī)定作為電壓是否滿足電能質(zhì)量的參考。

4.4 電能計(jì)量

用戶在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中只是耗電者，采用單向電能計(jì)量表進(jìn)行計(jì)量電能來(lái)計(jì)算電價(jià)，對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)的用戶可以采用雙向電能計(jì)量表，或者安裝兩個(gè)不同方向的電能計(jì)量表來(lái)計(jì)算電價(jià)，這樣用戶支付的電費(fèi)才會(huì)比較合理，可以提升電網(wǎng)與用戶雙向互動(dòng)能力和用電增值服務(wù)水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，全球資源和環(huán)境問(wèn)題日益突出，光伏發(fā)電可以節(jié)省常規(guī)能源消耗，減少污染物的排放，有利于環(huán)境保護(hù)，加強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)，以適應(yīng)不同類型清潔能源的發(fā)展，促進(jìn)清潔能源開(kāi)發(fā)和利用，光伏發(fā)電并入智能電網(wǎng)，在對(duì)電網(wǎng)起到削峰填谷作用的同時(shí)，還可以提高電能質(zhì)量和穩(wěn)定性，智能電網(wǎng)是將來(lái)國(guó)內(nèi)外電力發(fā)展的必然選擇。

參考文獻(xiàn)

[1]吳旭鵬，解大，戴敏，等.上海居民光伏發(fā)電并入電網(wǎng)的相關(guān)問(wèn)題分析[J].電力與能源，2014，35（4）：517-520.

[2]劉振亞.智能電網(wǎng)知識(shí)讀本[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011：24.

[3]賀鐵光，李明，等.小型新能源混合電源并網(wǎng)方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].智能電網(wǎng)，2016（1）：21-23.

[4]朱淇涼.光伏并網(wǎng)逆變器諧波抑制技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2013.

[5]張央.大規(guī)模光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響分析[J].低碳技術(shù)，2016，8：60-61.

*作者簡(jiǎn)介：楊娜（1985-），女，碩士，講師，研究方向：工業(yè)過(guò)程控制、電氣自動(dòng)化。

傅沈文（1967-），女，副教授，研究方向：工業(yè)控制。

方弄玉（1983-），女，講師，研究方向：電氣自動(dòng)化。