探析大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響

王皓

（江蘇 南京 210000）

我國電力能源組成以火力發(fā)電為主，然而化石燃料不僅對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，隨著其儲(chǔ)量的下降更會(huì)引發(fā)能一系列能源安全問題。因此，新型能源的大力開發(fā)與利用成為了一個(gè)必然選項(xiàng)。近年來我國光伏發(fā)電項(xiàng)目的規(guī)模越來越大，逐漸改變著電能供應(yīng)結(jié)構(gòu)，大批的燃煤電廠預(yù)建項(xiàng)目得以叫停，對我國中長期發(fā)展規(guī)劃具有重要意義。因此，保證電能供應(yīng)安全穩(wěn)定，探究大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)特性的影響已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

一、大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響

（一）功率特性的影響

受太陽能供給穩(wěn)定性，天氣因素，光照角度等影響，光伏系統(tǒng)存在熱能供應(yīng)波動(dòng)隨機(jī)性較大，取能模塊為靜止安裝，無功低電壓穿越特性，供能系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力差，發(fā)電系統(tǒng)過負(fù)荷能力差等問題，這些特性使光伏發(fā)電在并入電網(wǎng)后極易引起系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)效應(yīng)的改變，從而對電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成不良影響[1]。光伏發(fā)電系統(tǒng)功率的隨機(jī)波動(dòng)性會(huì)在一定程度上破壞電網(wǎng)系統(tǒng)平衡，增加了電力系統(tǒng)在電能調(diào)度和頻率協(xié)調(diào)上的困難。此外，光伏發(fā)電并網(wǎng)使電網(wǎng)系統(tǒng)形成了多電源的架構(gòu)，使配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，頻率穩(wěn)定性受到巨大沖擊，也讓電網(wǎng)潮流控制變的更加復(fù)雜。

（二）電壓特性的影響

目前我國光熱能充足的地方一般都處經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，能源需求量較低，電網(wǎng)容量較小的偏遠(yuǎn)荒漠地區(qū)，這種情況會(huì)使光伏電能在超遠(yuǎn)距離輸出時(shí)發(fā)生一定困難，電網(wǎng)電壓極易受外部環(huán)境影響而波動(dòng)，不利于電力穩(wěn)定輸送。此外，光伏發(fā)電受限于無功電壓補(bǔ)償不足的問題，使電壓頻率超限的概率大大增加。

（三）相角穩(wěn)定性的影響

電網(wǎng)系統(tǒng)的潮流分布與電力系統(tǒng)的等效慣量以及功率相角會(huì)由于光伏系統(tǒng)無轉(zhuǎn)動(dòng)變量且隨機(jī)波動(dòng)性較強(qiáng)等特性而受到影響。第一，受到異常穿越能力不足問題的影響，光伏系統(tǒng)容易出現(xiàn)拖網(wǎng)現(xiàn)象，從而破壞電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。第二，不同于傳統(tǒng)火電廠穩(wěn)定可調(diào)的熱能獲取方式，光伏發(fā)電缺乏穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)能源支撐，使其在接入電網(wǎng)后影響電能輸送的電壓穩(wěn)定性[2]。第三，與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)逆變器控制模式不同，也會(huì)使電力系統(tǒng)穩(wěn)定性發(fā)生震蕩。

（四）小擾動(dòng)穩(wěn)定性的影響

光伏發(fā)電會(huì)引起電力系統(tǒng)電氣設(shè)備的失穩(wěn)。光伏電力系統(tǒng)在故障發(fā)生時(shí)，由于其直流電容儲(chǔ)量較小使得控制直流側(cè)電壓上升的效率較差，進(jìn)而影響到電源的穩(wěn)定運(yùn)行，由此看見，小的光照擾動(dòng)也會(huì)使得電力系統(tǒng)穩(wěn)定性受到影響。

（五）配電保護(hù)系統(tǒng)的影響

光伏電源對配電系統(tǒng)存在很多影響。首先，光伏電源并入配電網(wǎng)，改變了配電網(wǎng)的故障特征，原有的配電系統(tǒng)變成了多電源構(gòu)架，電流電壓的差異會(huì)使配電系統(tǒng)保護(hù)裝置在故障發(fā)生時(shí)出現(xiàn)動(dòng)作異?，F(xiàn)象。其次，配電網(wǎng)繼電保護(hù)的布置會(huì)因光伏電力系統(tǒng)變壓器異于常規(guī)的連接方式發(fā)生改變。此外，光伏發(fā)電還會(huì)改變PV系統(tǒng)的反弧島保護(hù)時(shí)間，變電站的自投裝置。

（六）電能質(zhì)量的影響

大規(guī)模光伏大量的非線性負(fù)載容易引發(fā)電能的質(zhì)量問題。逆變器開關(guān)速度較快會(huì)使電力系統(tǒng)發(fā)生諧波疊加現(xiàn)象，加上直流電源的波動(dòng)使得對故障位置的判斷出現(xiàn)失真，保護(hù)裝置發(fā)生異動(dòng)，進(jìn)而影響了電能的質(zhì)量。

二、降低大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)影響的策略分析

（一）改進(jìn)電力輸送技術(shù)

第一，選擇通道沿線安裝高抗、無功補(bǔ)償SVC，串補(bǔ)等，使長通道外送光伏電源得到更好的管控。第二，利用特高壓直流輸電技術(shù)成本投入少、連接密集的直通性特點(diǎn)，為大規(guī)模光伏電站的建設(shè)創(chuàng)造了更多可行條件。第三，通過引進(jìn)新型直流輸電技術(shù)（VSC-HVDC），借助一定規(guī)模的資源交互穩(wěn)定光能的功率間歇性，更為有效的構(gòu)建光伏電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。第三，在偏遠(yuǎn)地區(qū)通過對半波長輸電與分頻輸電特征發(fā)展空間的分析，發(fā)展適合光伏電能超遠(yuǎn)距離輸送的技術(shù)。

（二）光伏電站設(shè)計(jì)改良

首先，對光伏電站的選址、修建技術(shù)、規(guī)模布置等方面進(jìn)行全面調(diào)研，合理配置光伏模塊與逆變器數(shù)量，并依據(jù)當(dāng)?shù)毓庹諏?shí)際情況選擇合適的安裝角度。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)把控電站的建設(shè)成本。其次，對電站的規(guī)模大小、光伏系統(tǒng)、裝機(jī)容量等子系統(tǒng)進(jìn)行合理規(guī)劃，應(yīng)用新技術(shù)結(jié)合地區(qū)經(jīng)緯度信息建造動(dòng)態(tài)光照跟蹤光伏模塊，提升對光能的利用效率。此外，在計(jì)算工程資金投入時(shí)，光伏電站設(shè)要兼顧供電穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)適用性，生產(chǎn)安全性，進(jìn)一步的還要改進(jìn)光伏發(fā)電站的連接網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將集中式與組合式相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)后期運(yùn)營維護(hù)成本的降低[3]。最后，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行參數(shù)推算，得出不同穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，基于光伏電站穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)得出光伏發(fā)電容量的最佳值與電站輸送穩(wěn)定性估計(jì)，進(jìn)而定位光伏電站最終的建設(shè)規(guī)模。

（三）優(yōu)化電網(wǎng)設(shè)計(jì)

科學(xué)的電網(wǎng)設(shè)計(jì)有助于降低大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響。例如，利用高壓輸電技術(shù)將光伏發(fā)電站電能輸送至省級(jí)電網(wǎng)負(fù)載基地，進(jìn)一步采用特高壓直流輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)光伏電能的跨區(qū)遠(yuǎn)距離輸送。隨著新能源電網(wǎng)的不斷并入，打破傳統(tǒng)配電結(jié)構(gòu)建立新型的現(xiàn)代配電網(wǎng)已經(jīng)成為了相關(guān)技術(shù)人員急需解決的主要任務(wù)之一。

三、結(jié)論

大規(guī)模光伏發(fā)電工程的建設(shè)符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，是“綠水青山就是金山銀山”的環(huán)保理念得以落實(shí)到實(shí)處的重要舉措。本文通過對大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)功率特性、電壓特性、擾動(dòng)影響、配電系統(tǒng)保護(hù)、電能質(zhì)量等方面的分析闡明了光伏發(fā)電在實(shí)際工程應(yīng)用中尚需解決的諸多問題，并提出了部分改進(jìn)策略。然而，大規(guī)模光伏發(fā)電在應(yīng)用技術(shù)方面仍然處于上升階段，許多領(lǐng)域還很不成熟，因此，加強(qiáng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的理論研究并積極推進(jìn)技術(shù)革新對進(jìn)一步完善我國新能源體系，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。