光伏發(fā)電系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)穩(wěn)定中的應(yīng)用

曲天祥 王羽祥 陳志峰 孫秀麗

摘要：由于光伏發(fā)電的安全性和抗擊外界環(huán)境的可靠性強，在解決普通能源發(fā)電供電不平衡的領(lǐng)域突出了巨大優(yōu)勢，也有效的滿足了人們?nèi)粘９ぷ鞯男枨蟆Ｎ覈鴳?yīng)加大這方面的資金技術(shù)投入，以彌補我國能源相對短缺的情況，為我國的可持續(xù)發(fā)展做出巨大貢獻。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；建模；穩(wěn)定分析

引言

一、光伏發(fā)電的概念及工作原理

（一）光伏發(fā)電概念

光伏發(fā)電是指利用半導(dǎo)體發(fā)展技術(shù)中的光生伏特效應(yīng)將自然光轉(zhuǎn)化為電能的新技術(shù)。光伏發(fā)電的主要是由太陽電池板、控制器和逆變器三大部分組成，利用電池串聯(lián)的原理將三種材料連接成太陽電池組，后期運用功率控制器等促進光能轉(zhuǎn)化，最終形成光伏發(fā)電設(shè)備。

（二）光伏發(fā)電的工作原理

光伏發(fā)電的工作原理主要利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電裝置中的半導(dǎo)體的主要組成部分硅原子和硼原子。這兩種原子具有較強的電子吸附功能，將太陽光中的正電荷離子吸附在半導(dǎo)體上，然后將運用光波和光能量轉(zhuǎn)化為電能量，最終形成電流。目前，我國大規(guī)模使用的光伏發(fā)電裝置通常采用多硅晶，這種多硅晶中融合了硅原子和硼原子，并且還擁有少量的磷元素，經(jīng)過燃燒板結(jié)后應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中，促進我國電力實業(yè)的進一步穩(wěn)定發(fā)展。

（三）光伏發(fā)電的優(yōu)點

光伏發(fā)電是一種新型發(fā)電手法，這種發(fā)電手法與常用的火力發(fā)電系統(tǒng)相比具有一定的優(yōu)點：其一，光伏發(fā)電是利用太陽光產(chǎn)生的新能源，因此這種能源不存在枯竭，為人類發(fā)展提供源源不斷的發(fā)展動力來源；其次，光伏發(fā)電主要利用物理的光伏特效應(yīng)進行發(fā)電，因此發(fā)電過程不會產(chǎn)生“附帶品”能夠保護環(huán)境，避免環(huán)境污染源的產(chǎn)生，保護了環(huán)境；其三，這種光伏發(fā)電的應(yīng)用原理——能源的產(chǎn)生根源是太陽光，通過物理原理將太陽光中的能源轉(zhuǎn)化為新能源，具有較高的質(zhì)量保障。我國電力企業(yè)中大量應(yīng)用光伏發(fā)電主要原因是光伏發(fā)電的產(chǎn)生和應(yīng)用上都存在其他能源無法比擬的優(yōu)勢，促進我國電力事業(yè)的進一步發(fā)展。

二、光伏發(fā)電系統(tǒng)的功能穩(wěn)定分析

（一）小信號穩(wěn)定

小信號穩(wěn)定即小干擾穩(wěn)定，是指系統(tǒng)遭受到負荷隨機波動、系統(tǒng)參數(shù)的緩慢變化等小擾動后保持系統(tǒng)同步運行的能力。電力系統(tǒng)小信號分析中，通常采用方法是特征值分析法。因此，在建立含光伏源的電力系統(tǒng)小信號穩(wěn)定模型時，采用了適于稀疏矩陣特征值算法的增廣狀態(tài)方程，其中發(fā)電機、光伏發(fā)電系統(tǒng)、調(diào)節(jié)器等動態(tài)元件用微分方程描述，而輸電線路等靜態(tài)元件用代數(shù)方程刻畫。在建模過程中分別建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)的詳細動態(tài)模型和簡化模型。詳細動態(tài)模型考慮了切換功能的非線性性質(zhì)，為了完全描述系統(tǒng)并評估其穩(wěn)定性，基于能量轉(zhuǎn)換的原理并只考慮理想開關(guān)設(shè)備的數(shù)學(xué)近似，建立了一個功率調(diào)節(jié)單元的微分代數(shù)方程模型。建立了同步發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、負載建立元件微分代數(shù)方程，將各方程組聯(lián)立從而得到基于網(wǎng)絡(luò)功率平衡的小信號分析模型。而穩(wěn)定器的最優(yōu)值是通過建立一個最優(yōu)模型來計算的。結(jié)合了光伏發(fā)電系統(tǒng)各元件的動態(tài)方程，建立了獨立光伏系統(tǒng)的非線性方程組的矩陣，該矩陣可在一個運行條件下線性化，成為線性方程組。由此，文章建立了特征值模型和特征值靈敏度模型。

（二）暫態(tài)穩(wěn)定

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)運行于某個狀態(tài)下突然發(fā)生諸如短路故障、沖擊負荷等大擾動時，電力系統(tǒng)經(jīng)過暫態(tài)過程保持穩(wěn)定同步運行的能力。光伏系統(tǒng)的暫態(tài)行為可以描述為兩種情況，一是當系統(tǒng)受到大擾動的影響時，繼電保護方案導(dǎo)致光伏系統(tǒng)突然與大電網(wǎng)斷開或關(guān)閉逆變器，在這種情況下斷開的光伏系統(tǒng)在擾動期間會對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定產(chǎn)生重大影響；二是存在于在低電壓穿越過程中的瞬態(tài)行為，對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的影響甚至破壞電力網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的數(shù)學(xué)模型，通?？梢杂靡唤M非線性代數(shù)-微分方程來描述。而對于含有光伏發(fā)電的電力網(wǎng)的建模問題還需進一步完善，以建立適合于光伏發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)模型。以小型風力和光伏混合發(fā)電系統(tǒng)并入低壓配電系統(tǒng)所組成的電力網(wǎng)為研究對象，其中光伏系統(tǒng)建立獨立光伏系統(tǒng)的非線性方程組的矩陣，并配合與風力發(fā)電機組的數(shù)學(xué)模型來探究網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

三、光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹及應(yīng)用

光伏發(fā)電系統(tǒng)包括獨立混合發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)以及光伏微網(wǎng)系統(tǒng)。光伏發(fā)電運用的儲能系統(tǒng)是著重體現(xiàn)在以下幾個方面：

（一）保證系統(tǒng)穩(wěn)定

不同于煤炭發(fā)電或者風力發(fā)電，光伏發(fā)電運動的是太陽能，太陽能是取之不盡用之不竭的能源。在能源充足的保證下，儲能系統(tǒng)通過能量存儲能夠保證系統(tǒng)的運動始終穩(wěn)固，防止其他因素波動的影響。

（二）能量備用

光伏發(fā)電的儲能系統(tǒng)可以有效的儲備資源，這樣在不是晴天或者其他不可抗因素導(dǎo)致不能正常發(fā)電的情況下，仍舊能夠快速的過度和有效的彌補負荷不足，這個系統(tǒng)對于保持資源穩(wěn)固起到重要作用。

（三）提高電力品質(zhì)和可靠性

常規(guī)的發(fā)電有很多安全隱患，例如：煤炭發(fā)電、灰塵、霧霾、顆粒，這些都是會影響到人的身體健康，并且機械設(shè)備用的時間久了會產(chǎn)生老化，造成電壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)高峰或者下跌，受到外界干擾比較多，對電網(wǎng)的沖擊性很大。而光伏儲備系統(tǒng)能有效避免這些問題的產(chǎn)生。

結(jié)語

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，生活節(jié)奏的加快，生產(chǎn)生活各個領(lǐng)域?qū)δ茉吹男枨笕找嬖龆?。然而能源是有限的，能源越來越短缺。面對能源需要，保護環(huán)境以及經(jīng)濟發(fā)展的多重壓力，無論發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，都在努力尋求各種發(fā)展策略。其中不容忽視的就是對可再生能源的挖掘和運用。

作者簡介：

曲天祥（1984.5.27）；性別：男；籍貫：吉林德惠；民族：漢；學(xué)歷：本科、學(xué)士；職稱：工程師；職務(wù)：主任工程師；研究方向：電力系統(tǒng)二次設(shè)計。

王羽祥（1990.3.14）；性別：男；籍貫：遼寧鳳城；民族：滿；學(xué)歷：本科、學(xué)士；職稱：助理工程師；職務(wù)：主設(shè)人；研究方向：電力系統(tǒng)二次設(shè)計。

陳志峰（1980.11.12）；性別：男；籍貫：江蘇蘇州；民族：漢；學(xué)歷：研究生 碩士；職稱：工程師；職務(wù)：主任；研究方向：電力系統(tǒng)二次設(shè)計。

孫秀麗（1984.10.23）；性別：女；籍貫：吉林通化；民族：漢；學(xué)歷：本科、學(xué)士；職稱：工程師；職務(wù)：主設(shè)人；研究方向：輸配電。

參考文獻：

[1]王一波，伍春生，廖華，等.大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型與潮流分析[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，49（8）：1093-1097

[2]趙爭鳴，雷一，賀凡波，等.大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)化，2015，35（12）：103-107