光伏发电系统及其在电力系统稳定中的应用

曲天祥 王羽祥 陈志峰 孙秀丽

摘要：由于光伏发电的安全性和抗击外界环境的可靠性强，在解决普通能源发电供电不平衡的领域突出了巨大优势，也有效的满足了人们日常工作的需求。我国应加大这方面的资金技术投入，以弥补我国能源相对短缺的情况，为我国的可持续发展做出巨大贡献。

关键词：光伏发电系统；建模；稳定分析

引言

一、光伏发电的概念及工作原理

（一）光伏发电概念

光伏发电是指利用半导体发展技术中的光生伏特效应将自然光转化为电能的新技术。光伏发电的主要是由太阳电池板、控制器和逆变器三大部分组成，利用电池串联的原理将三种材料连接成太阳电池组，后期运用功率控制器等促进光能转化，最终形成光伏发电设备。

（二）光伏发电的工作原理

光伏发电的工作原理主要利用半导体的光电效应将光能转化为电能。光伏发电装置中的半导体的主要组成部分硅原子和硼原子。这两种原子具有较强的电子吸附功能，将太阳光中的正电荷离子吸附在半导体上，然后将运用光波和光能量转化为电能量，最终形成电流。目前，我国大规模使用的光伏发电装置通常采用多硅晶，这种多硅晶中融合了硅原子和硼原子，并且还拥有少量的磷元素，经过燃烧板结后应用于光伏发电系统中，促进我国电力实业的进一步稳定发展。

（三）光伏发电的优点

光伏发电是一种新型发电手法，这种发电手法与常用的火力发电系统相比具有一定的优点：其一，光伏发电是利用太阳光产生的新能源，因此这种能源不存在枯竭，為人类发展提供源源不断的发展动力来源；其次，光伏发电主要利用物理的光伏特效应进行发电，因此发电过程不会产生“附带品”能够保护环境，避免环境污染源的产生，保护了环境；其三，这种光伏发电的应用原理——能源的产生根源是太阳光，通过物理原理将太阳光中的能源转化为新能源，具有较高的质量保障。我国电力企业中大量应用光伏发电主要原因是光伏发电的产生和应用上都存在其他能源无法比拟的优势，促进我国电力事业的进一步发展。

二、光伏发电系统的功能稳定分析

（一）小信号稳定

小信号稳定即小干扰稳定，是指系统遭受到负荷随机波动、系统参数的缓慢变化等小扰动后保持系统同步运行的能力。电力系统小信号分析中，通常采用方法是特征值分析法。因此，在建立含光伏源的电力系统小信号稳定模型时，采用了适于稀疏矩阵特征值算法的增广状态方程，其中发电机、光伏发电系统、调节器等动态元件用微分方程描述，而输电线路等静态元件用代数方程刻画。在建模过程中分别建立了光伏发电系统的详细动态模型和简化模型。详细动态模型考虑了切换功能的非线性性质，为了完全描述系统并评估其稳定性，基于能量转换的原理并只考虑理想开关设备的数学近似，建立了一个功率调节单元的微分代数方程模型。建立了同步发电机、励磁系统、光伏系统、电力系统网络、负载建立元件微分代数方程，将各方程组联立从而得到基于网络功率平衡的小信号分析模型。而稳定器的最优值是通过建立一个最优模型来计算的。结合了光伏发电系统各元件的动态方程，建立了独立光伏系统的非线性方程组的矩阵，该矩阵可在一个运行条件下线性化，成为线性方程组。由此，文章建立了特征值模型和特征值灵敏度模型。

（二）暂态稳定

电力系统暂态稳定是指电力系统运行于某个状态下突然发生诸如短路故障、冲击负荷等大扰动时，电力系统经过暂态过程保持稳定同步运行的能力。光伏系统的暂态行为可以描述为两种情况，一是当系统受到大扰动的影响时，继电保护方案导致光伏系统突然与大电网断开或关闭逆变器，在这种情况下断开的光伏系统在扰动期间会对电力系统的暂态稳定产生重大影响；二是存在于在低电压穿越过程中的瞬态行为，对电网产生很大的影响甚至破坏电力网络。传统电力系统暂态稳定分析的数学模型，通常可以用一组非线性代数-微分方程来描述。而对于含有光伏发电的电力网的建模问题还需进一步完善，以建立适合于光伏发电系统的动态模型。以小型风力和光伏混合发电系统并入低压配电系统所组成的电力网为研究对象，其中光伏系统建立独立光伏系统的非线性方程组的矩阵，并配合与风力发电机组的数学模型来探究网络的暂态稳定性。

三、光伏发电系统介绍及应用

光伏发电系统包括独立混合发电系统，并网光伏发电系统以及光伏微网系统。光伏发电运用的储能系统是着重体现在以下几个方面：

（一）保证系统稳定

不同于煤炭发电或者风力发电，光伏发电运动的是太阳能，太阳能是取之不尽用之不竭的能源。在能源充足的保证下，储能系统通过能量存储能够保证系统的运动始终稳固，防止其他因素波动的影响。

（二）能量备用

光伏发电的储能系统可以有效的储备资源，这样在不是晴天或者其他不可抗因素导致不能正常发电的情况下，仍旧能够快速的过度和有效的弥补负荷不足，这个系统对于保持资源稳固起到重要作用。

（三）提高电力品质和可靠性

常规的发电有很多安全隐患，例如：煤炭发电、灰尘、雾霾、颗粒，这些都是会影响到人的身体健康，并且机械设备用的时间久了会产生老化，造成电压不稳定，出现高峰或者下跌，受到外界干扰比较多，对电网的冲击性很大。而光伏储备系统能有效避免这些问题的产生。

结语

随着经济的发展，生活节奏的加快，生产生活各个领域对能源的需求日益增多。然而能源是有限的，能源越来越短缺。面对能源需要，保护环境以及经济发展的多重压力，无论发达国家还是发展中国家，都在努力寻求各种发展策略。其中不容忽视的就是对可再生能源的挖掘和运用。

作者简介：

曲天祥（1984.5.27）；性别：男；籍贯：吉林德惠；民族：汉；学历：本科、学士；职称：工程师；职务：主任工程师；研究方向：电力系统二次设计。

王羽祥（1990.3.14）；性别：男；籍贯：辽宁凤城；民族：满；学历：本科、学士；职称：助理工程师；职务：主设人；研究方向：电力系统二次设计。

陈志峰（1980.11.12）；性别：男；籍贯：江苏苏州；民族：汉；学历：研究生 硕士；职称：工程师；职务：主任；研究方向：电力系统二次设计。

孙秀丽（1984.10.23）；性别：女；籍贯：吉林通化；民族：汉；学历：本科、学士；职称：工程师；职务：主设人；研究方向：输配电。

参考文献：

[1]王一波，伍春生，廖华，等.大型并网光伏发电系统稳态模型与潮流分析[J].清华大学学报（自然科学版），2016，49（8）：1093-1097

[2]赵争鸣，雷一，贺凡波，等.大容量并网光伏电站技术综述[J].电力系统化，2015，35（12）：103-107