论述我国的大规模光伏发电对电力系统的重大影响

刘启明

武汉工程大学湖北武汉430000

论述我国的大规模光伏发电对电力系统的重大影响

刘启明

武汉工程大学湖北武汉430000

现如今，充分利用可再生能源已经是全世界人民达成的共同意识，由于环境的不断恶化，人们不断加深对能源安全的担忧，大规模的可再生能源作为新型的电力系统，在全球范围内的发展速度逐渐加快，例如太阳能和风能等，该趋势的产生凸显出电力系统的深层次影响，各个国家在能源研究中投入了极大的经历，所以本文主要论述了我国的大规模光伏发电对电力系统的重大影响，以提出进一步的研究内容以供参考。

光伏发电；电力系统；影响

引言

随着社会的快速发展，人们对化石能源和能源安全等方面加大了关注力度，由于环境的不断恶化导致人们对清洁能源和可再生能源的需求逐渐增加，大多数国家都致力于开发利用太阳能和风力发电，大规模的展开决策和规划，促使着电力系统的新时代来临，将新能源发电作为今后发展的标志所在。在电力线同当中，光伏发电在装机容量之中占据的比例较大，人们的关注点都在于电力系统的规划和仿真方面，以及调度控制方面的影响，目前的光伏发电具有两种方式并存的格局：其一是规模化的分散开发，低压接入和就地消纳；其二是集中大规模的开发，中高压接入和高压远距离外送消纳。这两种方式的出发点都是从电力系统的角度，从深度和广度角度考虑都有极强的影响，都是国内外对光伏发电的主要研究方向。

一、光伏发电的概念以及工作原理

（一）光伏发电的概念

光伏发电主要就是指借助半导体发展技术，将光生伏特效应中的自然光转化为电能，这种新型的技术中主要是由太阳电池板、控制器和逆变器这三个组成部分结合而成，光伏发电利用了电池串联的原理，将上述的三种材料连接在一起，组成太阳电池组，在后期可以通过功率控制器等器械进行光能的转化，最终组合而成光伏发电设备。

（二）光伏发电的工作原理

其主要的工作原理就是借助半导体光电效应，对光能进行一种转换，最终成为电能，在光伏发电装置当中，半导体是由硅原子和硼原子这两个主要部分组合而成，由于这两种原子都具备了电子吸附功能，在光能的转化中起着较强的作用，半导体能够借助这两种原子将太阳光中的正电荷例子进行吸附，利用光波和光能量转换成为电能，电流就由此形成。现如今我国大规模光伏发电装置都利用到了多硅晶，其中蕴含着硅原子和硼原子这两大元素，还融合了些许磷元素，在光伏发电系统中结合了燃烧板，能够有效帮助其稳定发展，促使我国的电力企业可持续化。

（三）光伏发电的优点

作为新型的发电手法之一，光伏发电与传统的发电手法相比具有一定的优势，首先光伏发电中利用到了新能源，由太阳光来产能，所以不容易出现能源枯竭的情况，能够为人类的未来发展提供充足的发展动力来源；其次光伏发电借助的是物理原理，通过光伏特效应发电能够有效的保护社会环境；最后光伏发电的应用原理就是借助太阳光，太阳光是能源的根源，通过太阳光的能源转化，才能产生新能源，有效的保障了能源的产生质量。在我国的电力企业当中，对光伏发电的应用较为广泛，主要的原因就是光伏发电具有传统发电所不具备的优势，在产能和应用中都能够促使我国电力事业的快速发展。

二、大规模光伏发电系统的建模

（一）光伏电池及其阵列建模

单二级管模型作为光伏电池的等效电路基础，要想科学的建立完成就需要建立在KCL的基础上，将相关的光伏电池数学表达式表达出来，所以相关的工作人员可以通过电池的提供商来获取相关的技术参数值，例如在使用过程中可能出现的短路电流和最大功率电流以及电压等，通过上述的数据来获取关于大规模光伏系统的模型表达式，并且可以借用光伏电池模型和串并联组合，得出光伏列阵集成模型，但是在形成光伏电池及其列阵模型之中仍然存在着较多问题，例如光伏组件间的差异和逆变器某型出现问题等。

（二）换流器以及内环控制模型

作为光伏发电系统的重要组件之一，换流器的主要作用就是直接影响到光伏发电单位的暂态，并且作用于其他并网，但是在现如今的换流器运用中，都是借助内外环结构控制方式，从该方式的内环为出发点，主要围绕着电流输入展开，而外环控制生成的电流参考值是重要的基准，二者相结合通过换流器将电流纳入输电网络系统。此外，外环控制的主要输入就是电压，与外环控制相关的各个控制环节都需要电压输入，并且生成内环控制的电力参考值，最为直接的影响就是换流器的并网策略，或者换流器的外特征等。

在设计换流器以及内外装置的时候，工作人员通常会利用解耦控制策略进行解耦处理，涉及到换流器机电暂态某型下的电压和电流等，最终将信息融入到内环控制过程当中。为了保证模型的应用更加合理，相关工作人员需要不断的简化换流器以及内环控制环节，针对外环控制某型而言，工作人员的设定就需要按照电网系统的要求进行，以实现光伏发电系统中的换流器并网功能实现。

（三）光伏发电动态模型

在电力系统中的工作人员构建大规模光电发电系统，需要借助方程组法，针对系统中的各个状态性方程进行解答，得出联合方程组，在方程组的基础上，能够建立起大规模光伏发电系统的动态模型。

（四）光伏发电系统模型

光伏发电系统模型是一种稳态模型，利用逆变器接入电网，相关的工作人员在该过程中对PV节点和PI节点等进行测算，与此同时还可以构建变压器问题模型的方程以及其他问题模型方程等。总而言之大规模光伏发电系统在运行的过程中需要控制多个模型，相关的工作人员要对光伏阵列和换流器的组合方式进行着重考虑，综合考虑变压器的参数等，对全过程的仿真模型的深入研究后，进行并网分析工作。

三、大规模光伏接入对系统特性的影响

（一）对有功频率特性的影响

光伏发电具有五种特性：

（1）外出力的随机波动性；

（2）电源能够利用换流器并网来达到无转动惯量，是无旋转的静止元件；

（3）是在低电压穿越期间，具有有功动态特性和无功动态特性；

（4）需要考虑到电力电子等设备元件的安全性特点，由于电源抗扰动较差，较低的过负荷能力十分容易导致脱网；

（5）是通过逆变器并网具备有功解耦控制能力和无功解耦控制能力和四象限控制能力。

只有具备以上五种特性，才能够促使大规模光伏接入系统的稳态/暂态特性发生一定的变化，最后对系统的运行和规划有所影响。冲击系统有功平衡主要是光伏电力大幅、频繁的随机波动性造成的，但是也可能造成一定的风险，例如在系统的一次调频运行和二次调频运行中，系统具备的特性和有功经济调度运行特征所受的影响较大，十分容易产生频率质量越限的风险问题。光伏接入后悔产生一定的变化，系统备用优化策略就是将这一变化对与常规机组等其他多类型电源的有功频率协调控制提出了适应性的需求，包括有调频参数整定等。并且作为一种非旋转静止元件，光伏电源随着接入规模的不断增加扩大，使得常规电源被替换，促使了系统等效转动惯量下降，系统的应对功率缺额受到了直接的影响，还影响到了系统的功率波动能力，不断恶化使得极端工况产生了较大的变化，频率跌落速率和深度都是频率急剧变化的表现，还有可能影响到低频减载和高频切机等，作为需要高度重视的严重运行问题，需要得到工作人员的重视。

（二）对无功电压特性的影响

在我国的戈壁、荒漠等地区，由于受到当地的负荷水平的影响，大规模光伏集中接入到该类地区，由于地区内的电网短路容量相对于其他地区而言较小，大量光伏电力要想实现远距离外送，都要利用到高压输电网，在近区电网和长输电通道的穿越之中，若是产生了随机波动的有功出力，就可能对电网的无功平衡特性造成直接的影响，促使沿途中的母线电压波动幅度逐渐增加。但是在目前的光伏电源中的并网运行情况而言，无功电压的支撑能力相对较小，所以无法保证电压稳定，增加了失稳的风险，甚至发生电压质量越限的情况。光伏分散在接入配电网的过程中具有规模化的特性，既可能影响到既有的辐射状网架结构，还能够改变单电源结构，将单电源结构转变为双电源结构，或是转变为多电源结构，电网潮流分布大小和方向都可能影响到配电网的电压质量，尤其是在控制过程中，复杂的电网潮流更难控制，其中主要涉及到光伏接入位置、规模和出力等。

（三）对功角稳定性的影响

作为静止元件中的一种，光伏电源自身并没有加入到功角震荡的过程中，所以并不需要考虑到功角稳定问题，但是光伏电源的特性决定了当出现大规模光伏接入时，原有的电网潮流分布情况和通道传输公路情况将直接受到改变，还影响到了系统的等效惯量。并且在机器故障穿越期间，光伏和常规机组之间存在一定的差异性，光伏具有动态支撑性能，所以光伏接入之后就会产生一定的变化，受到电网拓扑结构和运行方式的影响，电网功角稳定性出现了变化，而光伏电源控制技术、光伏并网位置和光伏并网规模这三者都受到了电网拓扑结构和运行方式的直接影响。光伏接入后对电网的功角稳定性的影响具有不确定性，有可能改善，也可能恶化功角稳定性，所以在具体的运用中需要结合实际的情况，利用仿真分析来确定最后的光伏接入。光伏并网还受到故障穿越能力的影响，由于先天不足导致故障穿越能力较低，大大增加了脱网问题，而系统的稳定性受到脱网问题的影响更为直接，集中化和规模化的光伏还存在有许多问题，因此需要根据实际的情况，来考虑到并网的合理性以及科学评估大规模光伏的脱网风险。例如我国的第一次百万千瓦级光伏基地，其坐落于青海，在集中接入光伏基地后直接对通道的潮流分布均匀性起作用，光伏电源体现了弱动态支撑性特点，所以综上所述，光伏基地的集中接入降低了通道传输极限，可以借助切除光伏电源的方式，以及光伏电站配置动态无功补偿的方式，来提高光伏接入的安全性。

震荡型失稳是功角失稳中的一种，在此过程中会出现光伏出力波动问题，直接影响到系统的运行点，但是工作人员也要意识到并网逆变器和常规机组之间的差异性，二者中的控制策略差异能够直接影响到系统的阻力，改变了原有的机电震荡模式，还能够导致新频段范围的震荡。在一般情况下，光伏接入对原震荡稳定的影响也需要根据实际情况来确定，涉及到接入位置和穿透率大小等。

（四）对小扰动稳定性的影响

光伏电池存在有电气运行不稳定的问题，在以往的预测中光伏电池具有动力学稳定问题，但在实践中证明其和机械与电磁量不平衡之间并不存在有关联系，因此在大规模的光伏并网后，电网的稳定性受其影响较大。尤其是将特定的光伏功率注入到其中后，两个运行点间的分析就可以利用小扰动法进行，实践后发现，其中一个运行点具有不稳定性，该现象的出现主要集中于接近最大功率运行点的高出力水平。在分析光伏电气运行不稳定点的机理中，借助动态等效阻抗适配概念发现，光伏电站的直流侧电容是故障期间的不平衡功率吸收的主体，但由于电容储能作用较小，所以导致直流测电压快速增加，对电源的运行可靠性有较大的影响。此外还可以借助含光伏电池和逆变器等小信号数字模型的建立，来分析小干扰后的电源稳定性，通过仿真验证的方法来观察光照扰动后的稳定性。

（五）对电能质量的影响

电力电子的应用在大规模光伏接入后逐渐扩大了应用范围，在系统中也融合了大量的非线性负载，因此在分析电力系统的过程中还需要考虑到污染和电能质量问题，谐波的产生主要是因为逆变器开关速度延缓导致的，但是在太阳光急剧变化的过程中，或是出现输出功率过低等情况的时候，也可能产生谐波，尤其是在大规模光伏集中并网后出现的越来越多的电流谐波叠加问题。虽然单台并网逆变器的输出电流谐波较小，但是将多台并网逆变器并联之后就可能出现输出电流谐波超标问题，因此需要通过多台逆变器组合的谐波问题进行建模，在此基础上分析稳定性问题，再对大型光伏电站逆变器并联系统中的电网阻抗耦合效应进行分析，保证并网逆变器控制回路的带宽和稳定裕度，才会形成并网电路谐波含量超标问题。此外，还可以利用长距离输电线揽接入弱点网，分析光伏电站，滤波电容也会引起谐振导致次谐波放大问题。

光伏并网的问题要想得到解决，最为关键的就是解决直流注入问题，由于直流注入问题产生的原因包括有多个方面，不仅光伏出力的大幅、高频随机波动可能导致电压波动、闪变和电压偏差、频率波动等问题，根据光伏接入后的电能质量问题所提出的方法能够有效抑制谐波，其中包括有增加谐波补偿器和有源滤波器以及混合滤波器等；而要想有效解决治理直流注入的方法，主要包括有安装隔离变压器和设计合理的逆变器拓扑结构、电容隔直、检测补偿以及虚拟电容法等。

借助太阳光来收集和存储电离子从而形成电流是光伏发电的主要技术，该电流具有较高的稳定性，与传统的电路相比更能够保证电力系统的供电质量。首先是保障供电的电流质量，光伏发电产生的电流有较强的抗干扰能力，能够在输送的过程当中，促使电流的阻碍降低，有效的降低电流内部质量的损耗程度，维持电力供应的正常；其次是保障电流供应的电力供应速率，而在我国的电力应用系统当中，光伏发电的应用大量使得管理和输送更加直接、便捷，通过电力输送环节的提升带动电力系统的输电效率。

（六）对配电系统保护的影响

配网故障特征的变化受到光伏电源接入配电网的影响，更能够影响到继电保护和自动装置。首先是网架结构，原有的单电源辐射状网络结构最终转变为双电源结构或是多电源结构，这种复杂的拓扑结构使得故障电流的大小、方向和持续时间都产生了变化，直接影响到了原有的馈线保护，使得误动或拒动保护装置；其次是按不同的变压器连接方式影响到了零序电流，主要是由于与变压器相连的逆变器中产生了额外接地回路，当出现单相接地故障时增加了未短路相的对地电压，对继电保护的动作特性做出了改变；再次是并网光伏变换器的扰动较为敏感，在此基础上需要增加保护内容；最后，影响到了配电系统中的线路三相一次重合闸，以及变电站的备用电源自投装置应用。因此为了防止非同期合闸的出现，就可以借助接有逆变器变网的线路和母线，其中的三相一次重合闸的启动时间需要大于逆变器反孤岛保护的最大动作时间，备用电源自投断路器的动作时间同上。

分布式和高密度光伏发电系统最终都会接入到同一母线并网发电，借助多条或是一条低压配电线路接入，但是受到同一区域的光伏发电功率受光照变化的影响，具有一定的相关性，当高密度光伏发电系统并网后就可能加剧配电网局部潮流变化的幅度，或者影响到电压的波动范围。

四、结语

本文论述了我国的大规模光伏发电对电力系统的重大影响，目前大规模光伏发电系统能够在一定程度上帮助社会环节用电紧张的问题，但是也存在有一些问题，能够影响到电力系统，当大规模光伏发电系统接入到电网系统的过程中需要分析其中存在的不确定因素，有效的防止大规模光伏发电系统对电网运行的负面影响，在此基础上发挥大规模光伏发电系统的整体功效。

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