能源互聯(lián)網(wǎng)背景下大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)探討

楊 棟

北京京能清潔能源電力股份有限公司（北京 100028）

0 引言

能源革命和數(shù)字革命共同推動(dòng)我國電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級(jí)。與其他發(fā)電能源類型相比，太陽能具有清潔無污染及豐富可再生的突出優(yōu)勢，在我國新能源利用和開發(fā)過程中扮演著重要的角色。近期，中國鄭重宣布二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)12×108kW以上，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這對(duì)解決當(dāng)前能源緊缺及環(huán)境污染問題具有十分深遠(yuǎn)的影響。但是，就當(dāng)前的發(fā)展而言，仍存在很多尚未攻克的技術(shù)難題。切實(shí)加強(qiáng)對(duì)光伏電站的研究，對(duì)整個(gè)可再生能源持續(xù)高效發(fā)展具有十分深遠(yuǎn)的意義。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)與大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)概述

能源互聯(lián)網(wǎng)即以新能源技術(shù)和信息技術(shù)的深入結(jié)合為特征的一種新的能源利用體系。通俗而言，能源互聯(lián)網(wǎng)就像信息互聯(lián)網(wǎng)，所有的能量信息（分布式的產(chǎn)生、供應(yīng)、消耗）都可以通過網(wǎng)絡(luò)互連得到及時(shí)的反饋，并根據(jù)需求予以選擇控制。大容量并網(wǎng)光伏電站作為開發(fā)新能源的重要內(nèi)容，正從技術(shù)探索階段走向大范圍的推廣應(yīng)用，突破大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)難題可以有效促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。

在光伏電站的發(fā)展過程中，大容量并網(wǎng)光伏電站主要是將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詽M足電網(wǎng)要求的交流電，并將其并入公共電網(wǎng)的一種分布式發(fā)電方式[1]。并網(wǎng)逆變器是大容量并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)的重要組成部分，具有抗孤島、電網(wǎng)信號(hào)檢測、最大功率點(diǎn)跟蹤及輸出電流控制等多種功能，可以達(dá)到檢測、控制、并網(wǎng)及保護(hù)等工作目的。

大容量并網(wǎng)光伏的發(fā)電模式與傳統(tǒng)的發(fā)電模式之間存在較大的差異。對(duì)大容量并網(wǎng)光伏發(fā)電而言，其整體的穩(wěn)定性較差、調(diào)節(jié)能力不足、能量密度較低，同時(shí)天氣狀況及地域分布也會(huì)對(duì)其整體的發(fā)電量產(chǎn)生不良影響。

2 大容量并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)組成

大容量并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)主要是由大量的電池組件光伏陣列、匯流箱及逆變器組成，其各電池組件在經(jīng)過串聯(lián)之后連接到匯流箱，因而如果其中任何一個(gè)電池組件出現(xiàn)問題，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)發(fā)電故障，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。針對(duì)這種情況，技術(shù)人員必須根據(jù)大容量并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理其中存在的故障和隱患。因此，在大容量并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)組成中，技術(shù)人員一般會(huì)在匯流箱內(nèi)安裝具有通信功能的智能采集裝置，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，并將其監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及時(shí)反饋到監(jiān)控系統(tǒng)中，從而使技術(shù)人員對(duì)光伏陣列的運(yùn)行情況有一個(gè)清晰全面的認(rèn)識(shí)[2]。

逆變器在大容量并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要元器件，它可以將光伏陣列側(cè)的直流電直接轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)側(cè)的交流電，從而達(dá)到并網(wǎng)的目的，同時(shí)能有效處理系統(tǒng)運(yùn)行中的各種故障。對(duì)我國大多數(shù)區(qū)域而言，大型的光伏電站系統(tǒng)可以根據(jù)太陽的升起和降落完成自動(dòng)并網(wǎng)操作和自動(dòng)離網(wǎng)操作。與此同時(shí)，當(dāng)逆變器處于夜間切換及待機(jī)狀態(tài)時(shí)，其整體的功率消耗相對(duì)較低，并且已經(jīng)集成了RS485通信接口，因而可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和無人值守，同時(shí)還能在非逆流型光伏電站應(yīng)用場合配合逆功率檢測裝置協(xié)同作業(yè)，完成對(duì)逆流的控制工作和管理工作。對(duì)逆變器轉(zhuǎn)換的交流電而言，它通常要經(jīng)過濾波處理，并需經(jīng)過變壓器升到中高壓，才能轉(zhuǎn)變?yōu)榉嫌秒娰|(zhì)量要求的交流電，然后進(jìn)入并網(wǎng)柜并入電網(wǎng)[3]。并網(wǎng)柜主要由電力儀表及斷路器等各種器件組成，其功能主要為測量并網(wǎng)側(cè)的各項(xiàng)參數(shù)，其參數(shù)主要包括功率、功率因數(shù)、電流、電壓、電量及諧波等。

3 大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)的特點(diǎn)

大容量并網(wǎng)光伏電站與小型光伏電站之間存在較大的差異，其技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

首先，大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)的并網(wǎng)難度相對(duì)較大，當(dāng)相應(yīng)的電力參數(shù)設(shè)置不當(dāng)以及系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定時(shí)，其整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的電能質(zhì)量相對(duì)較低，并且功率也十分不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)本地電網(wǎng)造成巨大的干擾，使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致孤島效應(yīng)的形成。光伏發(fā)電技術(shù)主要是一種小時(shí)間尺度和無旋轉(zhuǎn)慣量的電能形式，其技術(shù)難度與電站的并網(wǎng)規(guī)模之間有著緊密的聯(lián)系，其電網(wǎng)運(yùn)行中的技術(shù)難度往往會(huì)隨著電網(wǎng)規(guī)模的增大而增大。

其次，大容量并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)逆變器的容量較大，并且種類組成十分繁雜，系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間通常需要多個(gè)逆變器進(jìn)行有效組合，同時(shí)還要經(jīng)過變壓器升到中高壓，才可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)操作。在大容量并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，技術(shù)人員往往會(huì)通過逆變器的數(shù)量，切實(shí)提高電站并網(wǎng)系統(tǒng)的冗余度，當(dāng)該地區(qū)的整體光照相對(duì)較差時(shí)，技術(shù)人員要通過相應(yīng)的技術(shù)操作，使部分逆變器處于關(guān)閉狀態(tài)，從而有效提高電能的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率。除此之外，隨著逆變器數(shù)量的不斷增加，整個(gè)系統(tǒng)中的環(huán)流和諧波放大現(xiàn)象也會(huì)出現(xiàn)大幅度的增加，這對(duì)電能的整體質(zhì)量造成了非常不利的影響[4]。

最后，大容量并網(wǎng)光伏電站光伏列陣的規(guī)模相對(duì)較大，因此各組件的性能也存在較大的差異。引起各組件性能差異的原因主要包括生產(chǎn)廠家和型號(hào)等固有特性，以及各電池組件的應(yīng)用環(huán)境。對(duì)光伏列陣的各電池組件而言，溫度及光照條件均會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生不同程度的影響，因此技術(shù)人員在開展日常工作的過程中，要有效減少電池組建的內(nèi)部損耗，從而使其能夠達(dá)到良好的光伏列陣組合特性要求。

4 大容量并網(wǎng)光伏電站的技術(shù)難題

4.1 諧波超標(biāo)，控制難度較大

在大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)的應(yīng)用過程中，單個(gè)逆變器產(chǎn)生的諧波相對(duì)較小，對(duì)電能質(zhì)量并沒有過大的影響。但是，當(dāng)多個(gè)逆變器并聯(lián)之后，其產(chǎn)生的諧波相對(duì)較大，并且濾波及長距離運(yùn)輸也會(huì)導(dǎo)致次諧波嚴(yán)重超標(biāo)，這對(duì)整個(gè)電能質(zhì)量造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響，并且其控制難度也相對(duì)較大，這是影響大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)良性發(fā)展的重要因素之一。

4.2 光伏陣列特性曲線的變化較大

對(duì)大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)而言，其光伏陣列的整體規(guī)模相對(duì)較大，并且各組件的特性也存在較大的差異，因而大面積的光伏組件輸出特性也更加復(fù)雜，這種復(fù)雜的變化規(guī)律在很大程度上影響了電站的發(fā)電效率。與此同時(shí)，當(dāng)多個(gè)光伏列陣組合之后，其輸出的特性曲線會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值，這種情況會(huì)嚴(yán)重影響最大效率跟蹤技術(shù)的實(shí)際效能，并且其整體作用大打折扣；在這種情況下，支流母系電壓無法有效跟蹤每一個(gè)光伏陣列的最大功率點(diǎn)，從而使后續(xù)逆變環(huán)節(jié)輸出電流的紋波會(huì)出現(xiàn)不同程度的增加[5]。到目前為止，該問題還沒有有效的解決措施。

4.3 光伏列陣的熱斑效應(yīng)

在太陽電池組件在陽光的照射下，其部分組件會(huì)受到一些遮擋，該情況會(huì)使這些組件帶有負(fù)壓，這與電池組的負(fù)載具有大致相同的效能，并且還會(huì)釋放出一定的熱量，隨著熱量的聚集就會(huì)形成一些燒壞的暗斑，這種現(xiàn)象被稱為光伏列陣的熱斑效應(yīng)。對(duì)大容量并網(wǎng)光伏電站的日常運(yùn)行而言，熱斑效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重?fù)p害整個(gè)系統(tǒng)的電池組件。與此同時(shí)，熱斑效應(yīng)與光伏列陣的自身暗電流及內(nèi)阻均有十分緊密的聯(lián)系。與小容量光伏電站相比，大容量并網(wǎng)光伏電站中熱斑效應(yīng)產(chǎn)生的危害更加顯著。

5 大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)對(duì)電網(wǎng)的影響

隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，我國對(duì)大容量并網(wǎng)光伏電站的技術(shù)研究給予了足夠的重視。目前，其研究主要集中在擾動(dòng)觀察法、最大功率點(diǎn)跟蹤及防孤島效應(yīng)等多個(gè)方面。在這種情況下，大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)也產(chǎn)生了十分重要的影響。

首先，大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃的影響。負(fù)荷預(yù)測是電網(wǎng)規(guī)劃的重要依據(jù)，直接影響著整個(gè)電網(wǎng)規(guī)劃的合理性。在這種情況下，技術(shù)人員要不斷優(yōu)化各機(jī)組的協(xié)同效果，并全面優(yōu)化其光伏發(fā)電預(yù)測、運(yùn)行配置管理、確定調(diào)度策略、安全運(yùn)行評(píng)估以及發(fā)電成本與系統(tǒng)擴(kuò)展分析等各環(huán)節(jié)，從而為電網(wǎng)規(guī)劃工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其次，大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響。當(dāng)光伏的滲透率達(dá)到一定比例時(shí)，光伏電站的行為將會(huì)直接決定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行特性。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在電流源并網(wǎng)模式中接入大規(guī)模的光伏電源，其電網(wǎng)的穩(wěn)定性會(huì)大打折扣，同時(shí)其自身也會(huì)成為一個(gè)很大的干擾源，因此技術(shù)人員在接入大量光伏電源的工作實(shí)踐，要嚴(yán)格遵循相應(yīng)的操作流程和操作規(guī)范，并高效利用天氣預(yù)報(bào)及發(fā)電預(yù)測技術(shù)，有效解決其中可能存在的光電隨機(jī)性及功率波動(dòng)性[6-7]。最后，大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)的影響。在配電網(wǎng)中接入分布式電源，會(huì)對(duì)其潮流方向產(chǎn)生一定程度的變化，從而對(duì)其電壓調(diào)節(jié)、短路電流與保護(hù)整定等產(chǎn)生一系列影響，并形成接地電壓源。

6 結(jié)束語

能源互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)多能融合、供需融合、物理信息融合，將賦能電網(wǎng)以彈性保安全、以彈性提效率、以彈性促低碳。研究大容量并網(wǎng)光伏電站關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用符合當(dāng)前我國開展綜合性能源資源發(fā)展的戰(zhàn)略需求，也能促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，加強(qiáng)新能源的利用和開發(fā)工作，緩解能源緊張。