大容量光伏发电关键技术与并网影响综述

顾 鑫

（国网江苏省电力有限公司 淮安供电分公司，江苏 淮安 223001）

0 引 言

有些大型并网光伏还处在试运行过程中，缺乏统一的接入标准和设计规范，影响着整个并网光伏系统的规范化生产和电站的全面管理，甚至有些电站在实际建设时都没有充分考虑可能会给并网带来的影响。对此，为进一步促进大容量光伏发电的有效发展，需要在了解其关键技术的基础上进行分析。

1 大容量光伏发电并网概述

1.1 基本原理

通常大型并网光伏系统的构成单元较多，且每一单元的容量基本为0.3～1.0 MW[1]。在这之中较大面积的光伏阵列组件在进行光电转换之后，会通过汇流器将直流分配在逆变当中。如果使用逆变器和滤波装置实施转换，则应用逆变器进行控制，通过光伏阵列输出电压达到调节和控制的目的。为进一步满足用电要求的交流电，还应将变压器进行升压之后再进行使用，每个单元的逆变器无论是单台还是多台并联皆可。典型的光伏并网发电原理如图1所示。

图1 典型的光伏并网发电原理

1.2 主要特点

光伏发电并网基本是通过太阳能组件生产直流电，再通过并网和逆变器对其进行转换，以生成和国家电网标准相符合的交流电从而进入公共电网。该光伏发电并网系统中主要包含了有无蓄电池两类系统，其中有蓄电池的能够依照实际需求并入或退出电网，同时充作备用电源，确保在出现停电故障的时候能够实现紧急供电，而没有蓄电池的并网系统则无法实现有效调度，更不能作为备用电源，所以通常被安装在大型设备当中。现阶段，该并网系统主要包含了并网逆变器和太阳能电池阵列两部分，同时被安装在了中央集控系统之中。实际运行时，其模式主要利用中低压配电网接入超高压大电网中，在满足其正弦波电流频率等内容的基础上，达到光伏发电系统并网的目的[2]。

2 大容量光伏发电技术分析

2.1 设备技术

光伏电站和电网间实现沟通的主要渠道就是逆变器，大容量光伏并网给逆变器提出了一定要求，这就需要其能够实现迅速控制、减少有功变化率、控制无功和有功以及拓展通信功能等，并在技术方面要求逆变器产生更高的电压等级，以此输出更高的电能品质，拥有更强的抗干扰能力，产生与智能电网标准相符合的网源互动技术[3]。为达到大容量能量转换的目的，各类多机并联协作的实现方案基本都处在论证竞争中，其中是否存在变压器隔离和变压器共用方案是否实现等也都是目前大容量光伏设备的主要问题。这类光伏设备的一项重要指标就是转换效率，其中开关器件、拓扑结构以及开关频率等都是当前影响较大的核心要素。另外在其变换器保护方面，还特别增加了输出谐波超标、低电压穿越以及三相不平衡保护等内容。

通常光伏电站输出谐波含量不超过5%，但也有一些用户要求不超过3%。所以往往会在合理的滤波拓扑结构、控制算法以及电感电容参数计算等方面确保谐波含量达到既定标准。对于一些大容量的光伏电站，电网对于逆变器及逆变器对于控制部分都多少存在电磁兼容的问题，对此可以应用隔离变压器和控制算法等实现有效控制[4]。

一般在并网控制中，往往需要电网电压信号锁相技术保持高度的精准性和迅速性，以防止在大功率并网的时候电压采样产生波动性影响，从而在条件不对称的情况下达到精准锁相的目的。这对于孤岛检测技术的抗干扰能力要求比较高，检测盲区也必须控制在最小范围内。孤岛检测和低电压穿越中有着无法规避的矛盾，所以还需进一步探究两项功能同时实现的相关策略。分布式光伏电站在控制方面进行孤岛检测，主要是利用配电网上的能量管理系统发出低电压穿越信号指令，而集中式的光伏电站要想在变换器控制方面达到低电压穿越的目的，孤岛检测及指令都必须通过输变电系统级别的能量管理系统完成[5]。

2.2 电站技术

利用逆变器同时输出有功与无功功率，能够实现电站功率因素的进一步控制，促进系统电压调节。针对这点，有学者在瞬时无功理论的基础上对无功和有功电流进行网络检测，在指令下达到了补偿功能。同时也有人在其基础上将无功控制与最大功率点跟踪和直流母线电压控制融合在一起，达到了功率因数的超前和滞后控制。

源流在有功输出中，常规性的光伏并网发电往往希望可以发出更多电能，因此最大功率点的跟踪技术一直备受关注。在实际跟踪时必须要求满足准确、迅速和稳定的基本要求，目前的常见技术主要有恒定电压法、电导增量法以及干扰观测法等。但只通过跟踪最大功率往往无法实现对有功输出的有效调节，还必须要有储能，从而满足对电网的有功支持。不管是飞轮储能、超导储能，还是压缩空气储能，其价格都较为昂贵同时无法实现大容量。储能投入必须要经过一定时间，难以达到实时补偿，所以储能的作用也会受到极大限制[6]。虽然有些研究应用仿真证明揭示了光伏频率控制会给系统静态频率特点带来一定优化作用，但因为其调节速度不快，所以动态过程改观整体不强。

3 大容量光伏发电给并网带来的影响

3.1 给电网规划带来的影响

电网规划中主要包含了电源和输配电网络两类规划，大容量光伏并网会先给电源规划带来影响。电源规划通常需要负荷的供电可靠性要求得到充分满足，其中涉及负荷缺电率和光伏渗透率两项参数。前者是指负荷因为机组定期检修或者其他无法预知原因不能正常出力而引起的缺电概率，一般该数值必须控制在一个较小的范围内，后者是指某一地区电网的光伏装机容量和系统峰值负荷所产生的比值。在实际进行电网规划的时候，其主要依据就是负荷预测，而新能源的随机出力促使电源规划方向产生了巨大转变，所以在负荷预测之中就应以净负荷为核心[7]。

目前，各种新型的规划方式主要就是在负荷能耗增长分析之后引入新能源，再通过净负荷将电网特点归纳出来实施常规机组规划，最后在迭代作用下满足机组的协同性要求。其中迭代主要包含了地址确定的优化、储能应用、机组协同的具体措施、负荷管理以及降低某些新能源机组的利用率等，最终实现可靠供电和并网成本最低化。实际操作步骤主要有预测光伏发电、全面管理运行配置问题、明确具体的调度方案、评估运行安全等级与发电成本投入以及探析系统的扩展5项。

3.2 给电网运行带来的影响

在光伏渗透率达到相应的比例之后，其系统特性基本都是由光伏电站的行为所决定的。相关研究表明，一旦使用电流源并网模式，大容量光伏电源的接入就会直接给电网稳定性带来影响，并形成一个巨大的干扰源，只有实施无功和有功控制之后才会有所转变。另外，有些研究还得出了在光伏电站各类运行方式下系统短路故障之后得以恢复的相关结论。一是加强电站的电压控制能够促进系统的电压得以恢复。二是除了出力具有很大不确定性外，光伏的另一项缺陷就是不能提供较大的系统惯量，而光伏系统稳定性往往取决于系统惯量的减少情况。三是在具体的接纳方式中，大机组停运之后会使系统惯量减少，影响系统的稳定性，而接纳较高比重的光伏则要常规机组增加旋转备用容量，从而强化协作本身的灵活程度[8]。四是低电压的穿越功能会导致电网的恢复特性得到有效强化。五是主动孤岛检测会给整个系统的震荡性能带来一定不良影响，所以要接纳大容量光伏发电的电网应该以相应的运行规程相符合，并应用精准的发电预测技术和常规能源相互统一的调度平台实施运行（图2）。

图2 电站运行图

3.3 给配电网带来的影响

通过给配电网接入光伏电站，分析其是否能够给输电网倒送功率，主要分为不可逆与可逆两种接入方式[9]。但不管哪种方式，因为其中引入了分布式电源，所以配电网当中的潮流方向都会产生变化，由此引起各种影响，这些影响主要包含以下几种。

3.3.1 电压调节

在光伏渗透率达到相应的程度之后，会因为光伏出力的时变特点，使得馈线上潮流产生实时变动，甚至出现逆潮流注入电网的情况，最后导致馈线电压调节设备的正常运行受到不良影响[10]。一旦出现潮流倒送的问题，光伏电源和变电站就会产生电压降的梯度性转变，具体可以应用调节变压器的调压开关对其实施修正，但应该与光伏电源及其他的相关无功电压补偿装置之间实现协调作业。

3.3.2 短路电流和保护整定

一般情况下，光伏逆变器都是被当作电流源实施控制的，只要其中出现故障，为了确保逆变器不受影响就会马上将其切除。所以和常规机组相比较，逆变器的短路电流并不会给电网带来较大的影响。再次实施保护整定的原因较多，第一种是潮流变化导致电压分布产生了很大差异，第二种则是和变压器相互连接的逆变器额外形成了接地回路，给零序电流带来了不良影响。

3.3.3 形成了接地电压源

由于变压器连接方式有所差异，因此它和逆变器之间可能会形成接地回路，进而给零序电流带来不良影响，或者是在单相接地故障的时候使得没有短路的对地电压被增大。

4 结 论

电力系统中各类光伏电站必须要有输出有功和无功的能力，同时还要能在电网异常的时候发挥良好的支撑作用。其中光伏发电的随机出力是影响电网的主要因素，较小的系统惯量也会给电网稳定和故障解决能力带来直接影响。逆变器是影响电能质量的干扰源，通过控制逆变器可以达到无功与谐波补偿。该类光伏发电并网的运行必须通过净负荷等保证供电可靠性，在其设备中，高效率和大容量的变换器极具优势，只有达到该标准，才能最大程度上保证发电质量。