光伏发电在电站接入系统问题探究分析

国家能源集团新疆开都河流域水电开发有限公司 邹洪暖

太阳能作为一种理想的可再生性能源，取之不竭、用之不尽，是一种无污染的清洁型能源。我国国土广袤，是世界上太阳能资源较为丰富的国家之一，全年的太阳能辐射总量位居全球前列。我国荒地区分布者丰富的光照资源，尤其是在西北地区非常适合发展光伏发电产业。从上个世纪70年代起光伏发电产业在我国进入了起步阶段，直至90年代中期光伏发电产业得到了稳定的发展。

随着太阳能电池组件以及光伏发电技术的不断提升，经过几十年的努力我国已迎来光伏发电快速发展的阶段，尤其是国家近年来对新能源产业的支持力度不断加大，在碳达峰、碳中和的目标下，光伏产业的发展也得到了国家政策的大力支持。但大规模光伏发电在并网过程中还是会存在一系列的问题，只有有效地解决这些问题才能让光伏发电的价值更好地发挥出来。

1 光伏并网电站的主要特征

光伏发电的系统大致可分为三大类型：离网光伏蓄电系统、光伏并网发电系统、离网光伏蓄电系统与光伏并网发电系统的混合系统，而并网型光伏发电系统主要有分布式和集中式光伏电站系统。分布式屋顶光伏系统在发电的过程中可应用建筑物本身自带的供电电路直接并网，且在电网末端还能构建分布式的供电系统。而集中式光伏电站系统需建立在较为空旷的场所中，与高压电网间相连接，同时这也是大规模光伏发电未来发展的重要趋势。随着我国光伏发电技术的飞速发展，光伏电池组件的工作效率也在不断提升。国内很多区域的光伏电站建设规模逐渐扩大。2009年我国敦煌光伏电站投产发电，成为国内首个光伏并网发电示范项目，与此同时国电宁夏中卫光伏发电项目也已投入到了并网发电建设过程中[1]。

规模较大的集中式并网发电站与目前已经投入运行、建设的分布式屋顶光伏系统具有一定差异性，这种大规模的集中式光伏并网电站不可能像小规模的分布式屋顶光伏发电系统一样，通过低压配电线路直接并入本地的配电系统中，而是需要通过升压器和变压器，以中压或高压的方式接入到区域电网中。虽然光伏电站的容量并入电网后能为区域电网提供数万千瓦的电能，但这种电能相对于电网的装置来讲发电比例还是较小。由于很多光伏电站的安装容量较小，因此光伏电站一般布置在电力负荷枢纽附近作为电网系统的一种辅助能源，随时对电网系统的电能进行补充。因此大规模的光伏电站能够直接归入分布式的电源方式中。

2 光伏电站接入电网系统过程中可能会出现的问题

2.1 谐波效应

光伏电站在并入区域电网过程中会经过逆变器，而逆变器中存在大量结构较为复杂的电力电子元件，当逆变器将直流电流转换为交流电流时不可避免的会产生一定的频率波动，这就是所谓谐波效应。由此可见，光伏发电系统在并网过程中，逆变器的质量与其中的电子元件性能会直接对并网过程中的交流电路造成一定的影响。因此在光伏电网并入区域配电系统过程中，须谨慎选择并网逆变器，对其质量及其中电子元件的相关性能进行严格的控制，避免并网过程中出现电路频率波动的问题。

光伏系统并入区域电力系统中的谐波电压及电流接入水准，主要取决于配电系统的运行特性及供电类型，还与配电系统所连接的其他电力输送设备及国家电网信息的相关政策管理[2]有关。按照《光伏发电站接入电力系统技术规定》中的相关政策，光伏发电站在接入电网运行过程中，在公共接入点中注入的谐波电流须满足国家相关标准要求。尤其是针对不同频次的叶波，还应控制在一定的百分比中。在通常情况下，偶次谐波的谐波限值低于奇次谐波限制的25%。针对接入公共点的谐波电流需求，建议供电公司在光伏电网并入区域供电系统中测试相关电网接入点的谐波电流，确保光伏电网并入区域供电系统中电压的稳定性。

2.2 孤岛效应

光伏电站在发电过程中与传统的火电、水电发电存在巨大差异，当光伏发电站接入到区域电力系统时，需作为分布式电源通过并网逆变器进行并网，这时就可能会出现孤岛效应的问题，因此在并网过程中发电站必须要采取防孤岛效应保护措施。

孤岛效应主要是指当电网运行过程中出现失压状况时，光伏系统由于没有接收到指令、仍保持对失压电路中某一线路继续供电的状态。换句话说，就是当电力公司的供电系统由于故障问题或停电检修出现跳闸状况时，并网发电系统没有及时地检测出停电状况，从而将并网系统自动切离供电网络。在这种自动剥离的状态下，就会形成由并网发电系统与当地电力负荷系统共同组成的供电孤岛，这种供电孤岛无法由当地的电力公司掌控，在运过程中可能会产生巨大的危险。其危害归结为四点：

对电网负荷及人身安全造成威胁。很多用户在用电过程中并不会意识到孤岛供电系统的存在，这时孤岛电力系统由于无法被当地电力公司掌控，很可能会出现电流电压不稳定状态，从而对电网用户造成人身威胁。此外线路维修人员在维修过程中也可能会忽视孤岛供电系统的存在，也会不可避免地造成人身威胁[3]。

没有电网系统的供电支持，孤岛供电系统在供电过程中可能会出现电压或电流频率不稳定的状况，在这种状况下如用电设备还处于运行状态下就可能会损坏用电设备；电网恢复正常状态时，光伏供电系统就可能会重新并入到区域配电系统中，这时由于电力相位不同就可能会带来巨大的电流冲击，从而引起线路的损坏；孤岛效应的产生本身就脱离了当地电力管理部门及电力监测系统的控制，在独立运行的状态下这种孤岛电网存在较高的不可控性，如管理人员未及时察觉可能会带来巨大的安全隐患[4]。

孤岛效应的电力保护措施主要分为被动式和主动式两种。被动式的孤岛效应包括电压相位的跳动、多次电压谐波变动、频率变化速度过快等问题，也就是说在不改变光伏系统并网输出特性的基础上，对并网光伏电流的输出状态进行自动检测及保护；主动式的孤岛效应主要包括了频率偏离、有功功率变动、无功功率变动、电流脉冲注入引起的抗阻变动等问题[5]。

被动式保护的缺陷是，在负载与逆变器输出功率匹配的过程中很难检测出孤岛效应的问题。而主动式的检测方式能通过对逆变器输出状态进行波动干扰，即使在孤岛状态下负载和逆变器的输出功率能成功匹配，也会破坏到并网的平衡系统，造成并网系统中的电压或电流频率出现明显变动，这样就可有效的确定孤岛效应的产生，但在某些特殊状况下也会出现检测盲区[6]。

主动式和被动式的电网保护措施在应用过程中具有各自的优缺点，光伏系统在并网设置时须设置至少一种类型的主动和被动防孤岛效应保护系统，当电网处在失压状态时防孤岛效应保护动作应在两秒内感应、并断开与电网间的连接。

2.3 短路比问题

光伏电网系统并入到电力系统中需经过并网逆变器，而并网逆变器在运用的过程中具有快速调节电压的性能。对电力系统来说，这种快速调节的特性容易引起短暂的电压波动问题[7]。为有效地避免分布式电源在并入过程中对电网系统电压产生较大波动，根据国家城市电力网相关科学指导的要求，分布式电源短路比、也就是分布式电源并网接入点短路电流与分布式电源机组的额定电流之比不能小于十。尤其是针对大规模的光伏电站，由于受到了投资成本的限制，在通常情况下不会设置蓄电设备。这就导致光伏系统在并网过程中传输功率与运行方向的昼夜变化较大，因此在并网设计过程中应优先选择有在载压变压器。

综上，大力推广太阳能等其他可再生能源进行发电，是当前解决国内资源短缺以及环境污染的有效方法。但光伏并网电站受到技术及成本投资的限制，在国内发展起步较晚，在最近几年内光伏电站才正式走上规模化应用的道路。光伏电网在并网的过程中可能会引发孤岛效应、谐波效应、短路比等多种问题，只有明确控制这些问题的关键点，才能促进我国光伏发电行业的长远发展。