大規(guī)模光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)影響綜述

高 震，張亞菇

（國(guó)網(wǎng)大同供電公司，山西 大同 037000）

0 引 言

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)已經(jīng)成為清潔能源領(lǐng)域的重要組成部分。然而，其接入電力系統(tǒng)帶來(lái)的影響也不可忽視。文章旨在深入探討光伏系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)特性的影響，為實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的高效和穩(wěn)定并網(wǎng)提供理論支持。

1 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的基本概述

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)是一種利用太陽(yáng)能光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，并通過(guò)逆變器將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，最終與電網(wǎng)連接的系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由光伏組件、逆變器、電網(wǎng)連接設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)組成。光伏組件通過(guò)光照吸收光子產(chǎn)生電流，逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)所需的交流電，實(shí)現(xiàn)電能的高效輸送。

2 大規(guī)模光伏發(fā)電接入對(duì)電力系統(tǒng)特性的影響

2.1 對(duì)于有功頻率特性的影響

大規(guī)模光伏發(fā)電接入會(huì)對(duì)有功頻率特性產(chǎn)生一定的影響，主要表現(xiàn)在電力系統(tǒng)慣性減弱和頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)性變化2 個(gè)方面。

一方面，光伏電站產(chǎn)生的電力是直流電，通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電。與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)相比，其對(duì)系統(tǒng)慣性的貢獻(xiàn)較小，導(dǎo)致系統(tǒng)在面臨擾動(dòng)時(shí)，頻率波動(dòng)更為敏感，對(duì)電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性提出一定挑戰(zhàn)。

另一方面，光伏發(fā)電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中引入非線性逆變器，其響應(yīng)速度比傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)更快，能夠更快速地響應(yīng)瞬時(shí)頻率擾動(dòng)[1]。然而，頻率的瞬時(shí)變化可能增加系統(tǒng)運(yùn)行中的頻率不穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，因此需要采用有效的頻率調(diào)節(jié)措施，如輔助電源或儲(chǔ)能系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。

2.2 對(duì)于無(wú)功電壓特性的影響

首先，光伏電站本身不具備提供無(wú)功功率的能力，而傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)通常能夠提供一定的無(wú)功功率來(lái)維持電壓穩(wěn)定[2]。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入可能引起系統(tǒng)無(wú)功功率不足，影響電壓的穩(wěn)定性。為解決這個(gè)問(wèn)題，需要采用無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備，如靜止同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）等，以維持系統(tǒng)的無(wú)功平衡。其次，光伏電站的逆變器可能引起電壓波動(dòng)。由于光伏電站的輸出受日照條件的影響，其發(fā)電功率可能會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)變化，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的瞬時(shí)波動(dòng)。最后，大規(guī)模光伏發(fā)電接入可能對(duì)電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)范圍和電壓總諧波畸變產(chǎn)生一定的影響。

2.3 對(duì)小擾動(dòng)穩(wěn)定性的影響

首先，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出具有間歇性和不確定性，受日照條件等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電功率瞬時(shí)變化。這種瞬時(shí)變化通過(guò)光伏逆變器的響應(yīng)可能引起系統(tǒng)頻率和電壓的小擾動(dòng)。其次，光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入可能引起系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化。傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)具有慣性效應(yīng)，有助于維持系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。然而，光伏電站的逆變器缺乏類似的慣性效應(yīng)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)的響應(yīng)性變化[3]。最后，光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣特性和傳統(tǒng)同步機(jī)組存在差異，可能對(duì)系統(tǒng)的頻率阻尼和阻尼振蕩產(chǎn)生影響。

2.4 對(duì)于電能質(zhì)量的影響

首先，由于光伏發(fā)電的輸出具有波動(dòng)性和間歇性，引入的瞬時(shí)變化可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓和頻率產(chǎn)生波動(dòng)，為電能質(zhì)量帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)，尤其是在高比例光伏發(fā)電系統(tǒng)接入的情況下。其次，光伏逆變器的運(yùn)行特性可能造成諧波和電流不對(duì)稱，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染和負(fù)序電流影響的可能性。最后，大規(guī)模光伏發(fā)電接入可能對(duì)電壓穩(wěn)定性和短路能力產(chǎn)生影響。光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入可能改變電力系統(tǒng)的電流分布，影響電壓調(diào)節(jié)和短路電流的水平。

2.5 對(duì)于配電系統(tǒng)保護(hù)的影響

首先，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的非恒定性和不確定性，其輸出功率在短時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生劇烈波動(dòng)，這對(duì)傳統(tǒng)的過(guò)電流和短路保護(hù)裝置提出了更高的要求。因此，需要采用先進(jìn)的智能保護(hù)裝置和技術(shù)，以更精細(xì)地監(jiān)測(cè)和響應(yīng)系統(tǒng)中的電流與電壓波動(dòng)，確保在光伏系統(tǒng)故障或異常工況下迅速切除故障部分，保障系統(tǒng)的安全和可靠運(yùn)行[4]。其次，光伏系統(tǒng)的逆變器可能引入諧波和電流不對(duì)稱，導(dǎo)致傳統(tǒng)的過(guò)電流保護(hù)誤動(dòng)作。因此，需要配備先進(jìn)的保護(hù)裝置，能夠有效過(guò)濾諧波和快速響應(yīng)電流不對(duì)稱，防止誤動(dòng)作對(duì)系統(tǒng)造成不必要的干擾。最后，光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入可能改變配電系統(tǒng)的電流和短路電流路徑，因此需要重新評(píng)估和調(diào)整配電系統(tǒng)的保護(hù)策略，主要包括重新設(shè)定保護(hù)裝置的動(dòng)作參數(shù)、采用靈活的保護(hù)方案以及引入新型保護(hù)設(shè)備，以適應(yīng)光伏系統(tǒng)接入后的電網(wǎng)動(dòng)態(tài)變化。

3 大規(guī)模光伏外送和消納關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 大規(guī)模光伏外送新型輸電技術(shù)

大規(guī)模光伏外送需要采用先進(jìn)的輸電技術(shù)來(lái)確保電能的高效傳輸。其中，新型輸電技術(shù)如特高壓直流輸電（Ultra High Voltage Direct Current Transmission，UHVDC）和柔性直流輸電等發(fā)揮重要作用。這些技術(shù)能夠有效減少輸電損耗，提高電能輸送的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

一方面，UHVDC 技術(shù)通過(guò)提高輸電電壓水平，減小電流，從而降低電阻損耗，實(shí)現(xiàn)大容量、遠(yuǎn)距離的電能傳輸。這種技術(shù)的應(yīng)用使得光伏發(fā)電站產(chǎn)生的電能可以高效地輸送到遠(yuǎn)距離的消費(fèi)地，大大提升了電能利用率和經(jīng)濟(jì)性。另一方面，柔性直流輸電技術(shù)通過(guò)靈活控制電流，適應(yīng)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)變化，提高對(duì)不穩(wěn)定光伏發(fā)電的適應(yīng)性[5]。光伏發(fā)電具有不穩(wěn)定性，柔性直流輸電技術(shù)能夠根據(jù)光伏發(fā)電的實(shí)時(shí)情況，調(diào)整輸電參數(shù)，確保穩(wěn)定的電能輸送。這種技術(shù)的應(yīng)用使得光伏發(fā)電系統(tǒng)更加可靠，同時(shí)也降低了對(duì)備用發(fā)電設(shè)備的需求，節(jié)約了成本。

總之，UHVDC 和柔性直流輸電技術(shù)為大規(guī)模光伏外送提供了可靠的輸電方案，有效減小了輸電損耗，提高了電能傳輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性和可靠性，同時(shí)增強(qiáng)了對(duì)光伏發(fā)電不穩(wěn)定性的適應(yīng)性。在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展中，這些先進(jìn)的輸電技術(shù)將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，促進(jìn)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

3.2 光伏電站規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)

光伏電站規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)是有效利用光伏資源的關(guān)鍵。新技術(shù)的應(yīng)用涵蓋智能化電站布局設(shè)計(jì)、光伏組件優(yōu)化配置及先進(jìn)的陣列控制技術(shù)。

智能化電站布局設(shè)計(jì)利用先進(jìn)的地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）和人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)，通過(guò)分析氣象和地形等因素，優(yōu)化電站布局，從而提高光伏發(fā)電效益。GIS 技術(shù)能夠精確地獲取地理信息數(shù)據(jù)，結(jié)合AI 技術(shù)進(jìn)行智能分析和決策，使得電站布局更加科學(xué)合理。通過(guò)合理的布局，可以最大限度地利用光照資源，減少陰影遮擋，提高光伏組件接收陽(yáng)光的效率，進(jìn)而提高整個(gè)光伏電站的發(fā)電量。

光伏組件的優(yōu)化配置和陣列控制技術(shù)可以通過(guò)智能追蹤系統(tǒng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，最大限度地提高光伏電站的發(fā)電效率。光伏組件的優(yōu)化配置考慮光照、角度及陰影等因素，通過(guò)智能化的配置，太陽(yáng)可以最大限度地照射每個(gè)光伏組件。同時(shí)，陣列控制技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)光伏組件的工作狀態(tài)和環(huán)境條件，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，確保光伏電站在各種條件下都能夠達(dá)到最佳的發(fā)電效率。

3.3 增強(qiáng)光伏消納綜合規(guī)劃技術(shù)水平

增強(qiáng)光伏消納綜合規(guī)劃技術(shù)水平是確保大規(guī)模光伏發(fā)電與電網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行的關(guān)鍵，包括基于電網(wǎng)規(guī)劃的光伏容量配置和綜合考慮多元化因素的系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)。

基于電網(wǎng)規(guī)劃的光伏容量配置是一項(xiàng)重要的技術(shù)。通過(guò)電網(wǎng)規(guī)劃模型，可以合理配置光伏容量，以保障電網(wǎng)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。這意味著在確定光伏發(fā)電項(xiàng)目的容量和分布時(shí)，需要考慮電網(wǎng)的輸電能力、負(fù)荷情況以及可再生能源的波動(dòng)性等因素，從而確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成過(guò)載或不穩(wěn)定等影響。

綜合考慮儲(chǔ)能設(shè)備、柔性負(fù)荷等多元化因素是增強(qiáng)光伏消納綜合規(guī)劃技術(shù)水平的重要內(nèi)容。儲(chǔ)能設(shè)備的引入可以緩解光伏發(fā)電的波動(dòng)性，提高光伏消納的可靠性和靈活性。同時(shí)，利用柔性負(fù)荷調(diào)節(jié)負(fù)荷響應(yīng)來(lái)平衡光伏發(fā)電的波動(dòng)性，從而實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與電網(wǎng)的協(xié)同運(yùn)行。這些技術(shù)的應(yīng)用將為光伏發(fā)電的大規(guī)模接入提供可靠的技術(shù)支持，推動(dòng)可再生能源的可持續(xù)發(fā)展。

3.4 增強(qiáng)光伏消納源網(wǎng)協(xié)調(diào)技術(shù)

為保障大規(guī)模光伏消納的平穩(wěn)進(jìn)行，增強(qiáng)源網(wǎng)協(xié)調(diào)技術(shù)至關(guān)重要，包括智能化調(diào)度系統(tǒng)和先進(jìn)的電能質(zhì)量控制技術(shù)。智能化調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，調(diào)整發(fā)電計(jì)劃，提高系統(tǒng)的可調(diào)度性。電能質(zhì)量控制技術(shù)通過(guò)應(yīng)用高效的諧波濾波器和無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)，減小光伏系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的負(fù)面影響，提高源網(wǎng)協(xié)調(diào)水平。

3.5 提升光伏消納的有功和無(wú)功控制技術(shù)

提升光伏消納的有功和無(wú)功控制技術(shù)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性與電能質(zhì)量至關(guān)重要，包括先進(jìn)的逆變器控制策略和智能化電能儲(chǔ)備技術(shù)。逆變器控制策略通過(guò)智能調(diào)整輸出功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效控制，以適應(yīng)電網(wǎng)頻率和電壓的變化。智能化電能儲(chǔ)備技術(shù)則通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效運(yùn)用，提供靈活的有功和無(wú)功支持，優(yōu)化電能注入電網(wǎng)的品質(zhì)。

4 結(jié) 論

大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)接入對(duì)電力系統(tǒng)有著廣泛且深刻的影響，需要持續(xù)推動(dòng)新技術(shù)的應(yīng)用，包括輸電技術(shù)、智能化的電站規(guī)劃設(shè)計(jì)、源網(wǎng)協(xié)調(diào)技術(shù)、有功控制技術(shù)以及無(wú)功控制技術(shù)，以解決由光伏系統(tǒng)引起的各種挑戰(zhàn)。通過(guò)不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，可以更好地實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的清潔、可持續(xù)并網(wǎng)，為電力系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展提供可行的解決方案。