光伏发电与风力发电并网技术探讨

国网江苏省电力有限公司徐州市铜山区供电分公司 谢雨函

1 新能源并网的电力电子控制

1.1 新能源技术并网的基本要求

光伏与风力发电系统并网电能质量直接关系到电力系统稳定性，在理想状态下，应确保新能源电力系统可提供恒定频率的正弦波，减少各种原因造成电能波动问题。根据上述情况，我国在相关标准中对新能源并网做出详细规定：电压扰动。逆变器输出电压应小于等于并网点额定电压的5.0%；频率扰动。当频率大于50.5Hz 或者小于49.5Hz 时应自动关闭逆变器；直流分量。小于逆变器额定疏导电流的0.5%；功率因数。大于0.85。

1.2 控制器的实现方案

1.2.1 控制器选型

控制器是光伏与风能发电系统的核心，具有保护蓄电池以及平衡系统能量的功能，本文使用脉宽调制型控制器，该控制器以脉冲形式控制组件，并且可以通过调整开关器件的导通时间与频率调整电流数值，其蓄电压越高则证明装置的电能量越充足。同时，在大功率的光伏与风电发电系统中，通常将电池设置为不同分路并作单独控制，因此需使用多路控制器，且随着蓄电池电量不断充足，控制器即可将新能源发电支路断开。

1.2.2 检测电路实现

在新能源并网期间，无论是何种充放电控制器都需要根据蓄电池两端电压值控制通断状态。为实现上述目标，在控制器设计中可利用检测电路采集蓄电池电压等关键信息，在控制充放电开关的运行参数后即可调整并网数据。例如当反相输入为基准电压时，则同相输入为蓄电池的实时电压；如果蓄电池实时电压大于基准电压，输出为高电平，开关元器件导通时，则蓄电池对负载供电。相应若蓄电池的实时电压值低于基准电压，系统即可认定装置输出低电平，即可自动关断开关元器件[1]。

1.3 逆变器

本文所介绍的光伏发电与风力发电的逆变系统结构如图1所示。其应实现以下功能：系统所输出的电流波形良好，并且各种原因造成的波形畸变率等数据应明显低于门槛值；在各种原因造成的系统故障处理中（如系统短路或者丧失主网电压时），逆变器可自动解列；系统所产生的电压波动应足够低，确保新能源发电系统可始终维持在最大功率点；当新能源发电系统发生过负荷情况时，逆变器可向新能源光伏发电特性曲线的开路电压方向调整运行点，将输入功率限定在特定范围内；设备噪声应尽可能地低。

图1 并网逆变器系统结构

2 最大功率点的追踪方法

最大功率点追踪是新能源发电系统中的重要组成部分，这是因为新能源发电技术的发电量受到自然环境因素的影响，如风量、光照以及温度等因素的变化都会导致系统发电量改变。同时，新能源发电系统所产生的负载也会导致电池输出特性改变，这是在新能源系统并网中不容忽视的问题。为保证并网安全，应通过最大功率点追踪的方法，将光伏电池工作维持在最大功率点周围，进而提高光伏电池的转换效率。

因此，本次研究中采用干扰法，其本质思想为：在线路系统结构中增设控制器，通过该控制器可随时监测因为电压波动问题所产生的电压信号扰动；经系统处理比较后自动判断产生干扰前后的输出功率差值，并根据功率差做出快速反应。例如，当检测结果显示输电线路整体处于功率增加状态，则系统可按照预先设定的方向产生扰动信号，通过反追踪即可确定功率点位置。目前，该方法主要分为两种形式。

一是固定步长扰动法。实施流程后：采样新能源发电系统的电池电压、电流量并计算功率→对新能源系统电压做扰动→比较扰动前后的数据差，当二者相同时，电压保持不变并直接更新电压与电流值；扰动前后的数据不相等，若扰动前的数据大于扰动后，即可向反方向扰动；若扰动前小于扰动后，继续沿着原有方向扰动。在采用该方法时，如何选定适宜的步长成为影响功率点追踪结果的重要因素，根据现有并网工程的经验可知，随着步长的增加会导致追踪范围扩大，因此有更高风险出现控制失灵问题。

二是变步长扰动法。该方法在功率电位追踪期间应根据电池曲线变化情况，根据现场测试结果快速划分功率点，包括最大功率点的最近位置与最远位置等，通过现场检测功率点的范围区间变化情况即可快速响应功率追踪、检测结果。除此之外，在变步长扰动法中随着反应过程与最大功率点距离缩短，则步长值会下降，因此有助于提升相应精度，确定最优解[2]。

3 新能源发电系统孤岛效应检测方法

3.1 孤岛效应简析

分布式发电系统与电网并网后，导致电网结构及其运行方式发生重大改变，而如何解决分布式新能源技术并网时产生的孤岛效应，成为技术人员不容忽视的问题。所谓孤岛效应，是指各种原因造成故障事故时，由于现有的电网系统未能针对线路故障问题做出响应，尤其是没有在第一时间切离市电网络后，导致故障点位置的电路供给出现异常，最终形成具有自我供给特性的电网孤岛。在新能源技术并网过程中，孤岛效应的存在会严重影响电网运行质量，不容忽视。

3.2 孤岛效应的远程检测

远程监测中可通过无线通信设备识别电力系统运行的异常状态并产生报警信息，根据系统报警数据即可将分布式发电设备与电网断开连接。

传输断路器的跳闸信号识别。在此类信号识别中可检测连接在分布式发电机与电网间断路器与合闸装置的运行状态，若因为各种原因造成合闸断开，上述动作可利用无线传输装置直接上传至系统的中央处理器中，系统自动利用算法判定孤岛范围，并根据系统计算结果产生断路器的运行信号，最终使发电机从电网中解列出来。若新能源发电系统有固定拓扑结构，则发电机可通过一定数量断路器与电网连接时，上述信号传递过程则可以进一步优化，即断路器的状态信息可直接上传至发电机中，避免中央处理器需要大量处理信息而造成效率下降的问题。若不同断路器的开断状态导致配电线路的网络拓扑结构发生改变，则需要运用复杂处理算法确定孤岛发生范围，导致该方法的数据更新烦琐。

电力线路载波通信技术。从信息检测技术先进性来看，通过识别线路载波情况可评估电力传输效果，利用输电信号传输情况判断是否存在信息孤岛问题。例如，通过变电站信号发生器随时跟踪、记录所有可识别的信号，其中在整个配电线路正常情况下，系统可以检测出连续且稳定的输送信号，根据该信号传输特征即可确定存在故障；而在故障发生后，接收器无法接收信号，或者所接收的信号信息不连续。根据上述现象，即可判断孤岛现象的发生。

在综合比较上述两种方法的优势后可以发现，电力线路载波通信技术具有操作简单、系统功能拓展难度低等优点，一般只需要增设一个信号接收器即可了解线路的运行状态。同时，由于电力线路载波通信技术可以连续采集线路信号，因此可靠性更高。但需要注意的是，电力线路载波通信技术的信号发生器与接收器的采购成本高，若并网接入时的设备少，则会影响总成本。

3.3 孤岛效应本地检测

3.3.1 谐波突变孤岛效应检测

考虑到孤岛效应对整个电力系统检测效果的影响，通过谐波突变检测即可判断有无谐波畸变值，一旦检测到谐波畸变即可确认存在孤岛，若检测结果证明孤岛效应发生，其原理为：并网运行期间谐波所产生的畸变率数据差基本可忽视，无限接近于0，此时可将电网视为低阻抗电压源。但线路孤岛问题的存在会导致整个输电线路电阻值水平发生改变，尤其是随着电阻进一步提升而导致本地荷载产生谐波变化，在电路检测中通过识别上述情况即可判断是否存在信息孤岛。尤其是在本地负载为非线性时，孤岛现象可能会造成本地电压失真等严重问题。基于上述特性，在孤岛检测中通过识别谐波突变现象作出判断。

而电压谐波突变检测方法在实施阶段也存在一定的技术问题，例如关于孤岛阈值的选择直接关系到检测结果精度，只有阈值足够低才能保证系统检测结果的灵敏度，并在孤岛效应发生后表现出极高的灵敏度，但是目前关于阈值的选择一直是难点。

3.3.2 电压相位突变孤岛效应检测方法

考虑到公共电网在正常状态下可视为输出偏低的电压源，可维持逆变器端电压，此时当电网从系统中断开后，则会导致逆变器端电压相位角改变而应对可能出现的负载值改变情况。在孤岛效应检测中，考虑到逆变器中存在锁相环确保自身输出的电压值与电力系统同步，因此在本方法中只需要增加测量逆变器输出电流相位，并能在电压电流相位超过阈值时关断的开关元件即可，具有操作工艺简单等优点。

4 并网接入要求

4.1 接入容量设置

在光伏发电与电力发电接入电网时，应按照当地并网容量初步确定接入容量设置方式，本文统计了几种常见的接入容量确定方法具体资料：小于8kW。新能源电站通常为普通居民接入220V 电压即可；8kW 至0.4MW。可直接介入380V 电压等级系统；0.4～6.0MW。直接接入10kV 电压等级系统；＞6.0MW。提升至35kV 及以上电压等级中。

4.2 介入方式设计

专项并网接线方式。当前，在经济开发区等电力基础设施建设落后但用电量高的地区，开关站与变电站的母线间隔数量少，在新能源发电接入时应先增加间隔。同时，在设置专线时需配置对应的保护装置、升压变压器、专用电缆等，具有投资偏高等问题，因此为达到成本控制目的，专线并网接入技术通常不用于中小型新能源发电站，目前该方法通常被应用在项目资金充裕、光伏容量较大、接入位置较远的大型分布式光伏发电系统中。

T 接共用线路并网方式。一般针对小型分布式光伏发电与风力发电站中，T 接共用线路并网方式较为常见，该操作方法的核心是将电站出线加装并网开关后，直接通过T 接的方式与公用线路连接。此类并网方式的优势是时间少、成本低、效率高，并且在并网时通常不需要配置其他专用线路，也不会因为占用昂贵的变电站或开闭所间隔。但不容忽视的是，此类并网方式会直接影响配电网的潮流，造成原有线路的继电保护装置的定值配置方案不适用，进而危及电力系统的运行稳定性，不容忽视。

分散接入方式。针对容量更小的分布式光电与风电发电系统，可采用分散式接入方式，例如直接并入配电变压器的400V 侧，向380V 电压等级的低压负荷供电。在操作阶段应注意的是，为确保光伏发电装置可持续向电网反向输出输送功率，则需要在配电变压侧位置增设逆功率保护装置。

4.3 接入实例分析

本单位规划的5.5MW 新能源发电项目采用光伏发电技术，由一条35kV 线路供电，在该项目电力系统接入中，新能源电路经过断路器直接连接在配电变压器低压侧母线，输出电能就地消纳，不向电网提供有用功率。同时在新能源发电站内建设一座0.4kV/10kV 升压站和一条10kV 线路，当新能源系统输出的电压利用变压器集中升压至10kV 后即可接入企业车间母线上。

本项目的一次接入系统方案为：光伏发电站发电力汇流升压至10kV 后，通过新建1回10kV 线路接入本单位35kV 变电站2号车间10kV 配电室10kV 母线，在第二次接入系统设置上，在并网中采取以下措施：将电网系统35kV 进线侧配置微机过电保护装置；在10kV 并网线路中增设微机过电流保护装置；最后配置一套防孤岛装置，该装置可确保电站有满意的防孤岛功能。通过上述方法，本单位顺利解决了光电系统接入的不稳定性，配电网电压稳定性显著提升，使光伏发电系统发出来的电量能最高效地消纳，充分体现国家绿色节能环保高效的电网建设发展理念。