光伏并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的影響

李家興 于鑫磊 曹麗娟

摘? 要：隨著光伏發(fā)電裝機(jī)容量持續(xù)擴(kuò)大，相應(yīng)地增加光伏發(fā)電系統(tǒng)的占比，成為重要能源形式。光伏出力具有波動(dòng)性和隨機(jī)性，光伏并網(wǎng)將會(huì)對(duì)電網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重沖擊，所以必須深入分析影響作用，確保光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行安全。該次研究主要是討論和分析光伏并網(wǎng)與電網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的影響關(guān)系，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng);電網(wǎng)自動(dòng)化;控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： U665? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

由于傳統(tǒng)能源與資源日益枯竭，并且出現(xiàn)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染問題，為了實(shí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，我國(guó)要求各行業(yè)領(lǐng)域都必須實(shí)行綠色節(jié)能，大力推廣使用清潔能源和可再生能源。對(duì)于電力行業(yè)來說，可以采用多種新型清潔能源發(fā)電方式，包括水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及光伏發(fā)電。所以必須注重能源與資源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，使用清潔型能源全面替代傳統(tǒng)能源。太陽(yáng)能屬于清潔型能源，可以達(dá)到節(jié)能減排的效果，且獲得難度比較小，因此被廣泛應(yīng)用于供熱與發(fā)電領(lǐng)域。在未來的發(fā)展中，光伏發(fā)電范圍會(huì)持續(xù)擴(kuò)大，且光伏出力的波動(dòng)性，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響非常大。在實(shí)際運(yùn)行期間，會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)與電壓系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀態(tài)，所以必須考慮電網(wǎng)自動(dòng)化洗與光伏并網(wǎng)的影響關(guān)系，全面維護(hù)電網(wǎng)自動(dòng)化的運(yùn)行效益[1-3]。

1 光伏并網(wǎng)和自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)

由于新能源普及率持續(xù)提升，出現(xiàn)了較多非常規(guī)能源，例如風(fēng)能、太陽(yáng)能和地?zé)崮艿?，可以代替石油和煤炭等。在新能源?xiàng)目中，應(yīng)用最為廣泛的就是太陽(yáng)能，可以結(jié)合環(huán)境領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和扶貧領(lǐng)域。隨著市場(chǎng)需求度的持續(xù)上升，國(guó)家也加大了政策扶持力度，相應(yīng)提升光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。由于市場(chǎng)需求度持續(xù)上升，光伏產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出多元化發(fā)展模式。當(dāng)前，“光伏扶貧”、“農(nóng)光互補(bǔ)”、“漁光互補(bǔ)”等模式的興起，可以提升光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展效益。此外，光伏發(fā)電出力具備波動(dòng)性、隨機(jī)性特點(diǎn)，太陽(yáng)光照強(qiáng)度變化中，光伏發(fā)電出力也會(huì)發(fā)生相關(guān)變化。

通過相關(guān)研究報(bào)道顯示，在日間時(shí)段內(nèi)，當(dāng)太陽(yáng)光照強(qiáng)度比較高時(shí)，會(huì)相應(yīng)增加光伏出力。在夜間時(shí)段內(nèi)，光照強(qiáng)度微弱，此時(shí)光伏出力為零。因光伏出力具備波動(dòng)性，會(huì)相應(yīng)加大系統(tǒng)發(fā)電控制難度。為了確保系統(tǒng)處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)確保系統(tǒng)功率的動(dòng)態(tài)化與平衡性。隨著時(shí)間的變化，相應(yīng)改變系統(tǒng)負(fù)荷，此時(shí)發(fā)電控制系統(tǒng)會(huì)面臨負(fù)荷不確定性影響。在連接光伏電站與自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，會(huì)導(dǎo)致光伏出力存在不確定性特點(diǎn)，因此需要擴(kuò)大旋轉(zhuǎn)備用容量，以此改善系統(tǒng)不確定性，以此滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。

光伏并網(wǎng)措施實(shí)行后，對(duì)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量會(huì)造成影響。如果光伏出力較低，則系統(tǒng)內(nèi)部的常規(guī)機(jī)組發(fā)電出力會(huì)加大，全面滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求。當(dāng)光伏出力較高時(shí)，則常規(guī)機(jī)組的發(fā)電出力比較小，使系統(tǒng)規(guī)律處于平衡狀態(tài)。

自動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，按照負(fù)荷變化、幅值大小，可以分別化和調(diào)整電力系統(tǒng)頻率。當(dāng)負(fù)荷變動(dòng)分量不同時(shí)，則可以分為一次、二次、三次調(diào)頻模式，以此確保機(jī)組調(diào)節(jié)功率分配的合理性。此外，注重分析系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性因素，考慮計(jì)劃發(fā)電的影響性。一般來說，在實(shí)行光伏并網(wǎng)之后，在開展系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用自動(dòng)發(fā)電控制與安全約束聯(lián)合方式，同時(shí)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，避免斷面出現(xiàn)越限現(xiàn)象，加大校正與控制效果，以此確保系統(tǒng)調(diào)度的最優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)效益最大化。

2 光伏并網(wǎng)與自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)

我國(guó)光伏行業(yè)的發(fā)展速度比較快，可以有效應(yīng)用于太陽(yáng)能電池生產(chǎn)、晶硅原材料生產(chǎn)、生產(chǎn)設(shè)備制造等領(lǐng)域。例如，某企業(yè)所產(chǎn)生的多晶黑硅太陽(yáng)能電池，該企業(yè)具備先進(jìn)生產(chǎn)工藝與設(shè)備支持，已經(jīng)成為一流的黑硅電池生產(chǎn)商。在光伏發(fā)電過程中，采用電力電子裝置，會(huì)相應(yīng)加大無功功率消耗，因此光伏并網(wǎng)會(huì)影響自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)和系統(tǒng)電壓。太陽(yáng)能資源會(huì)影響光伏電站出力，具有波動(dòng)性、規(guī)律性特點(diǎn)。

對(duì)于光伏發(fā)電來說，有功功率、無功功率會(huì)持續(xù)變化，且無功功率與電壓具有密切關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)的無功功率充足時(shí)，則可以抵抗電壓沖擊;當(dāng)無功功率不足時(shí)，將會(huì)降低電壓沖擊承受能力，還會(huì)引發(fā)電壓崩潰事故。對(duì)于系統(tǒng)電壓調(diào)整方式，主要涉及到優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，調(diào)整并聯(lián)電容器、有載變壓器分接頭等。當(dāng)負(fù)荷比較重視，可以將壓力比較大的負(fù)荷向其他線路轉(zhuǎn)移，保證系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)效果。當(dāng)?shù)貐^(qū)內(nèi)光伏并網(wǎng)充足時(shí)，首先要確保無功電源的供應(yīng)效果。當(dāng)系統(tǒng)比較缺乏無功功率時(shí)，通過無功電源及時(shí)響應(yīng)，使系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)電壓水平，全面確保系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。對(duì)于含光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)調(diào)度、模型優(yōu)化控制來說，可以采用系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓加大約束效果。如果節(jié)點(diǎn)電壓運(yùn)行狀態(tài)比較穩(wěn)定，則必須采用最優(yōu)化光伏并網(wǎng)控制機(jī)制。當(dāng)無功功率、電壓等級(jí)均處于標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，可以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定與安全。當(dāng)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)具有顯著作用時(shí)，在實(shí)行光伏大量并網(wǎng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)借助電壓調(diào)節(jié)功能，以此確保光伏并網(wǎng)效果。

3 光伏并網(wǎng)和系統(tǒng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)

在應(yīng)用光伏發(fā)電方式時(shí)，需要利用太陽(yáng)能電池光伏板接收太陽(yáng)光，同時(shí)將光能轉(zhuǎn)化為電能，屬于新型能源發(fā)電項(xiàng)目。我國(guó)多數(shù)地區(qū)都實(shí)行光伏扶貧政策，且不斷擴(kuò)大光伏總裝機(jī)容量。對(duì)于裝機(jī)容量小的分布式光伏、集中式光伏電站，都會(huì)受到光伏出力的不確定性與波動(dòng)性要求，因此需要設(shè)置大量的輔助服務(wù)，此時(shí)光伏并網(wǎng)后，自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。以下為系統(tǒng)功率平衡約束。如果光伏發(fā)電出力不斷變化，將會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)功率的平衡狀態(tài)，從而加大系統(tǒng)的運(yùn)行壓力。

（1）

（2）

在式（1）、（2）內(nèi)，PGi表示系統(tǒng)電源有功功率，QGi為無功功率，包含常規(guī)機(jī)組、光伏發(fā)電機(jī)組。PDi表示負(fù)荷有功功率，QDi為無功功率。NB表示系統(tǒng)總節(jié)點(diǎn)數(shù)。

為了提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要將穩(wěn)定控制措施配置到電網(wǎng)內(nèi)，可以應(yīng)用穩(wěn)定控制裝置，必須批量控制負(fù)荷、多輪切除負(fù)荷等。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性受到影響時(shí)，可以自動(dòng)控制負(fù)荷。按照負(fù)荷等級(jí)重要性、分布特點(diǎn)，可以采用分輪切除方式，使系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)多為光伏發(fā)電方式時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致光伏出力的大小存在差異，此時(shí)對(duì)系統(tǒng)控制穩(wěn)定裝置的控制策略、控制性能均具有嚴(yán)格要求。實(shí)行負(fù)荷切除操作后，采用多能互補(bǔ)措施、儲(chǔ)能裝置設(shè)施，可以符合系統(tǒng)棄光電量的標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了促使光伏發(fā)電的高效發(fā)展，不斷形成統(tǒng)一化標(biāo)準(zhǔn)體系，還應(yīng)當(dāng)處理好2個(gè)問題。1）提升電網(wǎng)發(fā)展的高效化、智能化水平，推廣應(yīng)用可再生能源，建立綠色生態(tài)型網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)加強(qiáng)太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)效率。提供高速雙向通信技術(shù)，可以發(fā)揮出測(cè)量功能、傳感功能、控制個(gè)數(shù)以及決策支持功能等，使電網(wǎng)朝著智能化方向發(fā)展。2）加大區(qū)域互聯(lián)技術(shù)的研究與開發(fā)，注重開發(fā)和消納清潔能源。在網(wǎng)絡(luò)體系發(fā)展過程中，必須關(guān)注微能源網(wǎng)發(fā)展問題，將其作為互聯(lián)網(wǎng)的核心能源單位，通過能源存儲(chǔ)、優(yōu)化配置等方式，可以實(shí)現(xiàn)本地能源生產(chǎn)，確保用能負(fù)荷的平衡性，按照實(shí)際需求供電，以此確保公共電網(wǎng)的互動(dòng)靈活性。

4 光伏發(fā)電的前景分析

根據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)可知，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)首位，不僅可以替代傳統(tǒng)能源，還可以成為新能源的主體。在2030年左右，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中的占比持續(xù)擴(kuò)大，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的比例也會(huì)持續(xù)上升。到2040年，可再生能源在總能耗中的占比將會(huì)超過50%。在22世紀(jì)前，可再生能源的占比將會(huì)達(dá)到80%以上，且太陽(yáng)能光伏發(fā)電的占比也會(huì)不斷增加。通過上述預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊，并且對(duì)發(fā)電行業(yè)的影響非常大。同時(shí)，隨著信息技術(shù)的成熟發(fā)展，分布式發(fā)電會(huì)逐漸形成集中式電站，發(fā)電系統(tǒng)可以和公共電網(wǎng)連接在一起，同時(shí)連接到高壓輸電系統(tǒng)，不僅能夠降低成本費(fèi)用，還可以減少運(yùn)輸損耗。當(dāng)光伏發(fā)電站建設(shè)規(guī)模比較大時(shí)，則會(huì)持續(xù)降低光伏系統(tǒng)成本。針對(duì)具備儲(chǔ)能功能的光伏并網(wǎng)體系，還能夠?qū)崿F(xiàn)光儲(chǔ)調(diào)控一提化，確保有功輸出的最大化，積極響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度需求，滿足電網(wǎng)調(diào)度的要求。通過應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)，還能夠降低充電對(duì)電網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的沖擊影響，全面維護(hù)電網(wǎng)質(zhì)量。通過應(yīng)用新信息技術(shù)，還能夠提升光伏并網(wǎng)的智能化水平，以此實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)維監(jiān)控，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)發(fā)電運(yùn)行，以此減少光伏并網(wǎng)難度，全面提升發(fā)電效率[4-7]。

在未來發(fā)展中，信息技術(shù)研究必須圍繞光伏并網(wǎng)產(chǎn)業(yè)開展，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的集成化開發(fā)，同時(shí)建立運(yùn)行能源裝置與智能化實(shí)驗(yàn)室。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，能夠結(jié)合云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能電網(wǎng)，全面處理光伏并網(wǎng)的儲(chǔ)能調(diào)功分配問題，同時(shí)可以優(yōu)化分層分級(jí)控制問題。實(shí)行集中式運(yùn)維管理，建立能源生態(tài)體系和物聯(lián)網(wǎng)體系，促使光伏并網(wǎng)進(jìn)入到低碳發(fā)展階段。針對(duì)光伏并網(wǎng)體系建立分級(jí)多目標(biāo)算法，全面掌握光伏電站信息數(shù)據(jù)，以此提升信息運(yùn)行維護(hù)效益，確保決策的科學(xué)性，提升光伏電廠運(yùn)行的高效性與安全穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，相對(duì)于傳統(tǒng)能源技術(shù)來說，光伏發(fā)電不產(chǎn)生環(huán)境污染，且應(yīng)用安全性比較高。該項(xiàng)技術(shù)采用太陽(yáng)能原料，可靠性與穩(wěn)定性高，且運(yùn)行期間不會(huì)產(chǎn)生噪聲污染，不會(huì)受到地域與資源分布的影響。我國(guó)多數(shù)地區(qū)都可以應(yīng)用太陽(yáng)能資源，相應(yīng)擴(kuò)大光伏發(fā)電的發(fā)展前景。由于光伏發(fā)電具具備可持續(xù)性特點(diǎn)，會(huì)持續(xù)提升能源結(jié)構(gòu)的占比。所以必須采用光伏并網(wǎng)處理方式，持續(xù)擴(kuò)大光伏并網(wǎng)的規(guī)模，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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