大规模光伏发电对电力系统的影响

王 欢

（国网湖北省电力有限公司超高压公司，湖北 武汉 430050）

0 引 言

大规模光伏发电系统是指将大量光伏电池组成的光伏电站接入电力系统，利用光能转换为电能进行发电的系统。光伏发电系统主要借助半导体界面的光伏效应将太阳能转化为电能。通过对光伏电池进行串联管理、施加隔离保护、安装电流传感器，能够将光伏发电系统吸收的太阳能顺利转化为电能。大规模光伏发电系统具有清洁、环保、资源丰富、分布广泛等特点，可以有效减少对化石能源的依赖，缓解能源紧张压力，具有良好的经济和社会效益。通过采用大规模光伏发电，不断提升对光伏发电调度管理和安全设计的控制力度，充分发挥光伏发电的应用优势。随着光伏技术的不断进步和推广应用，大规模光伏发电系统将逐步成为未来能源发展的主要方向之一。

1 大规模光伏发电对电力系统的影响

1.1 质量影响

由于光伏发电系统的输出功率随着太阳辐射强度的变化而波动，因此光伏发电系统的接入会对电力系统的电压稳定性产生影响。特别是在光伏发电系统的接入容量较大时，电网电压的波动会反过来影响光伏发电系统的输出，从而影响系统的电压稳定性。大规模光伏发电系统接入电力系统后，其瞬时功率响应也会对电力系统产生影响[1]。瞬时功率响应不足会导致电力系统中的设备熔断或停机，而瞬时功率响应过大则会对电力系统的稳定性产生不利影响。并且光伏发电系统的输出电流具有谐波等非线性特性，因此其接入电力系统后会对电力质量产生影响，如引起谐波污染、电磁干扰等。

虽然光伏发电系统的并网可以加快电力系统的输电速度，但在并网过程中可能会产生谐波电流，导致电流波形稳定性不足。由于谐振效应，电容器容易出现深度谐波失真问题。接入分布式光伏电源后，电力系统中的谐波成分会增加，谐波污染也会增加，对电网产生一定影响，甚至可能导致电能质量下降。

1.2 稳定性影响

由于光伏发电系统的输出功率与太阳辐射强度有关，因此其接入会对电力系统的频率稳定性产生影响[2]。特别是在光伏发电系统接入容量较大时，其波动会导致电网频率波动加剧，从而影响电力系统的频率稳定性。并且大规模光伏发电系统的接入还会对电力系统的动态稳定性产生影响。光伏发电系统接入后，由于其输出功率的变化具有一定的时间常数，因此会导致电力系统的振荡频率和阻尼变化，从而影响系统的动态稳定性。此外，如果光伏发电系统出现故障或停机，则将导致电力系统的供电能力下降，甚至可能导致系统崩溃。2011 年，德国的逆变器发生大规模故障，导致500 万kW 的光伏电站瞬间停止发电。这次故障引起了对光伏发电系统稳定性的广泛关注，促进了逆变器技术的改进和电力系统对光伏发电的管理。

1.3 运行效率影响

由于光伏发电系统接入电力系统后，电流的传输距离和功率的分配方式发生了变化，因此会影响电力系统的损耗率[3]。大规模光伏发电系统的接入还会对电力系统的运行成本产生影响。一方面，光伏发电系统接入后可替代一部分传统的火电发电，从而降低燃料成本；另一方面，光伏发电系统的建设和维护成本较高，会对电力系统造成一定的经济压力。

1.4 规划和管理影响

光伏发电系统的接入需要进行合理的系统规划，包括容量规划、接入点选取等，合理的规划可提高电力系统的可靠性和稳定性。大规模光伏发电系统的管理也是一个重要的问题，需要建立完善的管理机制，包括监测、维护、故障排除等。同时，还需要加强对光伏发电系统的监管，防止对电力系统产生不利影响[4]。

1.5 降低电网的无功平衡性

考虑到大规模光伏发电系统大多被架设在荒漠、高原等人烟稀少、光照充足的环境中，系统产生的电量除了少量供应当地用户近距离使用，更多是通过远距离传输的方式，满足电能相对匮乏区域用户的用电要求。对电能供应情况进行分析后可以发现，在短距离供电过程中，大规模光伏发电系统产生的电能电压能够满足用户的实际需要，但在长距离传输后，大规模光伏发电系统产生的电能电压可能会因传输过程中电压随机波动情况的出现，导致出现电能无法切实满足用户需要的情况。

这种电网无功运输现象的出现不仅会对母线电压产生影响，增加电网系统无功调节的难度，进而降低电网整体电能运输质量，还会给电能供应区域的社会经济稳定发展造成严重的阻碍。总之，现阶段，我国大规模光伏发电系统所能支持的远距离电能传输电压都不够高，无法切实满足输电工作的实际需要，降低了电网系统的工作质量。

2 大规模光伏发电的应对策略

2.1 储能技术

大规模光伏发电系统的输出功率具有时变性和不稳定性，这是由于光伏发电的输出会受到日照、天气和季节等因素的影响。电力系统需要保持供需平衡和电压稳定，以确保电网的稳定运行和可靠性。储能技术是解决这一问题的重要手段之一[5]。目前，常用的储能技术包括电池储能、压缩空气储能、水泵储能等。通过对光伏电池进行串联管理、施加隔离保护、安装电流传感器，能够将光伏发电系统吸收的太阳能顺利转化为电能。这些技术可以平衡光伏发电系统输出功率和电力系统负荷需求之间的差异，提高电力系统的稳定性和可靠性。例如，在美国，大规模的锂离子电池储能系统已经被广泛应用于光伏发电系统，可以在光伏发电系统产生的电力超过负荷需求时进行充电，在光伏发电系统产生的电力不足以满足负荷需求时进行放电，平衡光伏发电系统输出功率与电力系统负荷需求之间的差异。

2.2 电力电子技术

电力电子技术是大规模光伏发电系统中不可或缺的核心技术之一。通过电力电子技术，可以将光伏发电系统的直流电转换为交流电，实现高效转换和控制。其中，最常见的电力电子器件是逆变器，它可以将直流电转换为交流电，并控制输出电流的波形和频率，以满足电力系统的需求。此外，电力电子技术还可以实现光伏发电系统的最大功率点跟踪、功率因数校正和电压控制等功能。最大功率点跟踪技术可以实现在不同光照条件下，使光伏电池组的输出功率最大化，从而提高系统的效率。功率因数校正技术可以优化系统的功率因数，避免系统中出现无效功率，提高系统的稳定性和效率。电压控制技术可以控制系统的电压，保证电力系统的稳定性和可靠性。

2.3 智能电网技术

智能电网技术是一种非常有前途的技术，在光伏发电系统中的应用前景广阔，是在现代电力工程领域的一个创新方向。它将先进的信息技术、通信技术与传统电网系统相结合，提供更为智能、高效且环保的电力服务。智能电网技术是指利用信息通信技术和自动化技术，实现电力系统的智能化和自动化。采用智能电网技术可以实现光伏发电系统和电力系统的协调运行与优化调度，提高电力系统的效率和可靠性。同时，智能电网技术还可以实现对光伏发电系统的远程监测和管理，及时发现故障并进行处理，避免对电力系统的影响。

2.4 光伏发电厂规划设计技术

现阶段，为了切实提升电能质量，给用户带来良好的用电体验，在大规模光伏发电系统并网前，需要对可能影响电能质量的因素进行分析，并以此为基础，将光伏发电厂规划的设计技术应用到大规模光伏发电系统的并网工作中，提升电能转化与输送工作的可靠性。

例如，在大规模光伏发电系统的架设过程中，可以通过提升光伏发电站施工地点的可靠性、切实解决光伏发电站装机容量问题、优化光伏发电站规划建设过程中的投资时间与投资成本、增强光伏发电站规划设计的安全性与可靠性、保证光伏模块与逆变器模块使用数量满足施工活动需要，提升大规模光伏发电系统的整体工作质量，降低发生电能质量问题的可能性。

2.5 应用新型输电技术

近年来，随着光伏发电装机量的不断增加，如何降低大规模光伏发电系统对电力系统的影响，提升电力供应的可靠性，成为人们关注的重点。一般情况下，大规模光伏发电系统并网后，会对公共电网无功电压产生较大的影响。同时，大规模光伏发电系统远距离传输的电能将会在电能传输过程中产生一定的电力波动，影响电网系统的平衡性。

现阶段，为解决上述问题，对大规模光伏发电系统的输电技术进行优化，成为保证电力系统正常运行的重要举措之一。例如，可以通过在一些海拔较高并且日照充足的大规模光伏发电系统架设区域安装合适类型的FACYS 装置，不断提升大规模光伏发电系统的对外输电能力，实现电能远距离传输过程中波动问题的有效改善[6]。

2.6 市场机制改革

市场机制改革是指通过调整市场规则和价格机制等手段，促进清洁能源的发展和应用。通过实行绿色证书制度、智能电价制度等市场机制改革，可以提高清洁能源的竞争力和市场占有率，从而推动大规模光伏发电系统的发展和应用。除了绿色证书和智能电价制度，市场机制改革还包括其他的手段和政策。例如，采用可再生能源配额制度，鼓励电力企业在其电力销售中使用可再生能源，促进清洁能源的应用。同时，通过完善市场化交易机制，如直接交易、竞价上网等方式，提高光伏发电系统的市场化程度，降低其发展成本。

3 对大规模光伏发电发展的展望

随着技术的不断进步，大规模光伏发电系统的效率和稳定性将不断提高。高效光伏电池、新型太阳能材料、新型储能技术等技术的应用将有助于提高光伏发电系统的性能。预计未来光伏电池的价格将进一步下降，促进大规模光伏发电系统的快速发展。各国政府将继续出台鼓励清洁能源发展的政策，为大规模光伏发电系统的发展提供政策支持。例如，各国政府将加大对光伏发电的补贴和奖励力度，促进清洁能源的发展和应用。并且随着智能化技术的不断发展和应用，大规模光伏发电系统的智能化程度将不断提高。通过智能化技术的应用，可以实现对光伏发电系统的远程监测和管理，提高系统的效率和稳定性。

4 结 论

大规模光伏发电系统是一种清洁、可再生能源，对电力系统产生了积极影响，同时也带来了一些挑战。在影响方面，大规模光伏发电系统对电力系统质量、电压稳定性、瞬时功率响应和电力质量污染等方面均有影响。针对这些影响，应对策略包括储能技术、电力电子技术、智能电网技术以及市场机制改革等。在未来，随着技术的进步、价格的下降和政策支持的不断增强，大规模光伏发电系统将得到快速发展，同时也将与其他能源形成协同发展，推动清洁能源的发展和应用。