胡仁祥，王曉斌，常喜強(qiáng)

(1.吐魯番電業(yè)局 新疆 吐魯番 838000;2.新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 830002)

隨著世界能源危機(jī)和全球氣候變暖等問題的日益突出，發(fā)展可再生能源已成迫切需要，其中太陽能光伏發(fā)電是再生能源利用的重要形式之一［1］。目前人們對太陽能資源的利用非常重視，世界范圍內(nèi)的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，光伏發(fā)電已從解決邊遠(yuǎn)地區(qū)和游牧家庭的用電等零星發(fā)電，過渡到規(guī)?；淄呒壣踔涟偃f兆瓦級的光伏發(fā)電站，并且發(fā)展十分迅速。

從電網(wǎng)運(yùn)行管理這個(gè)角度而言，光伏發(fā)電本身具有的特性異于常規(guī)發(fā)電方式(如火電、水電的可控性)，這對電網(wǎng)的運(yùn)行管理，特別是電能質(zhì)量、可靠性以及安全性等方面提出了更高的要求?，F(xiàn)階段人們對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特性(包括光伏發(fā)電系統(tǒng)自身、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響以及電網(wǎng)對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響)認(rèn)識還不夠。所以研究實(shí)際的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響就變得非常有實(shí)際意義。

下面以新疆吐魯番地區(qū)20 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)通過35 kV輸電線路接入配網(wǎng)，現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電4 MW。通過對實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合現(xiàn)階段的光伏并網(wǎng)發(fā)電的特點(diǎn)，分析光伏發(fā)電接入對該地區(qū)配電網(wǎng)的電網(wǎng)調(diào)度、無功電壓和繼電保護(hù)等方面的影響。

1 并網(wǎng)光伏電站情況

永盛光伏電站是吐魯番地區(qū)首座接入系統(tǒng)的光伏發(fā)電站，通過35 kV萄煤中電支線“T”在35 kV萄煤線上，再通過110 kV葡萄溝變電站與主系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，接入系統(tǒng)示意圖如圖1所示。本期規(guī)模為20 MW，目前試并網(wǎng)的為4 MW。站內(nèi)采用35 kV單母線，由20臺分列升壓變壓器分成4組升壓集至35 kV母線，35 kV母線接有一臺 SVG(－3.2～3.2Mvar)。

圖1 永盛光伏電站系統(tǒng)接線示意圖

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電特點(diǎn)

永盛光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件、直流檢測配電箱、并網(wǎng)逆變器、計(jì)量裝置以及上網(wǎng)配電系統(tǒng)組成。自然界的太陽能照射在光伏組件上轉(zhuǎn)化為直流電能，再通過直流監(jiān)測配電箱匯集至并網(wǎng)型逆變器，將光伏組件上轉(zhuǎn)化過來直流電在轉(zhuǎn)化為與接入電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波交流電。

光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電站容量不同，并網(wǎng)有兩種形式［1］:集中式并網(wǎng)和分散式并網(wǎng)。

集中式并網(wǎng)的特點(diǎn)是光伏發(fā)電站所發(fā)的電能通過高電壓等級輸電線全部直接送大電網(wǎng)，由大電網(wǎng)集中統(tǒng)一調(diào)度，與電網(wǎng)的電能交換是單向的(上網(wǎng)模式)。如圖2所示，特別適合于大中型光伏電站并網(wǎng)，如荒漠、戈壁光伏電站，離負(fù)荷中心點(diǎn)比較遠(yuǎn)。新疆吐魯番七泉湖20 MW永盛光伏發(fā)電站和鄯善20 MW光伏發(fā)電站都是通過35 kV輸電線路并網(wǎng)。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)集中式并網(wǎng)

分散式并網(wǎng)的特點(diǎn)是單個(gè)光伏發(fā)電板所發(fā)的電能直接用于用戶的戶載上消耗，有多余的電能或電能不足時(shí)，再通過連接大電網(wǎng)下網(wǎng)電量，這與大電網(wǎng)在能量交換上是雙向的(可上、可下模式)。如圖3所示，特別適合于建筑式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)分散式并網(wǎng)

3 對地區(qū)電網(wǎng)的影響

3.1 對電壓的影響

由于文中的光伏發(fā)電站接入等級為35 kV的電網(wǎng)中，該等級電網(wǎng)多為輻射狀。在正常運(yùn)行方式下，電壓沿輸電線潮流方向逐漸降低。而當(dāng)接入光伏電站后，光伏發(fā)電使得輸電線的傳輸功率下降，使得輸電線上的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓被抬高，從而導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)的電壓越上限，分析表明電壓上升的幅度與接入光伏電站的位置和總量的大小密切相關(guān)。

對于上述電壓越上限的問題，通常采取的措施是調(diào)節(jié)配電網(wǎng)中有載變壓器的分接頭、電壓調(diào)節(jié)器和投退電抗器等設(shè)備。然而合理設(shè)置光伏電站的運(yùn)行方式對于配電網(wǎng)中的電壓調(diào)整也是至關(guān)重要的。如正午光伏發(fā)電出力最大時(shí)，線路若輕載，那么接入的電壓降明顯被抬高。此時(shí)接入點(diǎn)電壓將可能越上限，這時(shí)就必須合理的設(shè)置光伏電站的運(yùn)行方式。比如規(guī)定光伏電站必須參與電網(wǎng)的調(diào)壓，吸收輸電線路中多余的無功功率。在線路重負(fù)荷期間，光伏電站必須多發(fā)無功，以改善線路的電壓質(zhì)量。

光伏發(fā)電對電壓的影響還表現(xiàn)在諧波、電壓偏差、電壓不平衡度、直流分量、電壓波動(dòng)和閃變等方面。光伏發(fā)電的出力受太陽的入射輻照度而變，可造成局部線路電壓波動(dòng)和閃變，若與負(fù)荷的波動(dòng)疊加在一起，又將帶來更大的電壓波動(dòng)和閃變。如圖3、4、5所示為永盛光伏電站容量為4 MW的出力情況和對接入點(diǎn)電壓的影響。

圖4 聯(lián)絡(luò)線光伏電站側(cè)有功曲線(單位:kW)

圖5 聯(lián)絡(luò)線光伏電站側(cè)無功曲線(單位:kvar)

從圖3、4可以看出，永盛光伏電站在12:00—15:00有功出力最大，幾乎接近滿發(fā)狀態(tài);同時(shí)光伏電站也能發(fā)出一部分無功功率，對電網(wǎng)電壓有一定的支撐能力。從圖5中可以看出電壓受出力的影響，不停的來回波動(dòng)，最高電壓在37.74 kV，最低電壓在 36.67 kV，振幅達(dá)到1.07 kV。

圖6 接入點(diǎn)35 kV母線電壓曲線(單位:kV)

3.2 對繼電保護(hù)的影響

吐魯番電網(wǎng)中的配電網(wǎng)保護(hù)主要是斷路器的電流三段保護(hù)，主線路上裝設(shè)有自動(dòng)重合閘，支路上為熔斷器。永盛光伏電站接入配電網(wǎng)的末端，改變了原有的單側(cè)電源和輻射型網(wǎng)絡(luò)，使其變成了雙斷網(wǎng)絡(luò)，從而改變了故障電流的方向、大小和持續(xù)時(shí)間。

圖7 光伏并網(wǎng)與配電網(wǎng)典型接線示意圖

如圖7所示，當(dāng)線路AB段K1點(diǎn)發(fā)生短路故障，依據(jù)選擇性原則應(yīng)由保護(hù)QF1動(dòng)作切除故障。故障點(diǎn)K1的故障電流由系統(tǒng)電源和PV共同提供，此時(shí)的故障電流要大于PV接入前的故障電流，然后QF1感受到的故障電流僅由電源側(cè)提供，由于PV分流作用使得QF1感受到的故障電流減小，影響了保護(hù)QF1的靈敏性，若接入點(diǎn)PV的容量很大，保護(hù)QF1可能會(huì)拒動(dòng)。當(dāng)K2點(diǎn)故障，故障電流由系統(tǒng)電源和PV共同提供，由于PV的助增電流作用，使得保護(hù)QF2的靈敏性增加。

光伏電站自身的故障也會(huì)對并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行和保護(hù)產(chǎn)生影響。另外，當(dāng)光伏系統(tǒng)抗孤島保護(hù)功能時(shí)間不能和自動(dòng)重合閘裝置協(xié)調(diào)配合時(shí)，也會(huì)引起非同期合閘等危害。

當(dāng)配電網(wǎng)故障時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可能采取解列運(yùn)行方式，但解列后重新接人電網(wǎng)的同期過程中，應(yīng)盡量減少對配電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，且應(yīng)采取一定的控制策略和手段給予保證。

3.3 對調(diào)度運(yùn)行的影響

光伏發(fā)電受光照變化的影響出力不受控制。永盛光伏發(fā)電站也不具有調(diào)度自動(dòng)化功能，電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行部門不能對其直接控制，所以不能參與電網(wǎng)電壓的調(diào)整和電網(wǎng)的調(diào)頻。這無疑會(huì)減少配電網(wǎng)中的可調(diào)度發(fā)電廠的容量，給配電網(wǎng)控制與調(diào)度運(yùn)行帶來更大的難度。

3.4 對短期負(fù)荷預(yù)測的影響

現(xiàn)行的電網(wǎng)發(fā)電計(jì)劃，尤其是日負(fù)荷預(yù)測是當(dāng)天上午預(yù)測第3天的負(fù)荷，主要依靠于對本地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷的準(zhǔn)確預(yù)測。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后，所發(fā)出的電能往往被當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷消耗。由于光伏發(fā)電站的發(fā)電量受氣候影響，使得整個(gè)電網(wǎng)的負(fù)荷總量具有了更多的時(shí)變性和隨機(jī)性，從而給電網(wǎng)的發(fā)電計(jì)劃，尤其是日負(fù)荷預(yù)測的合理制定，帶來了較大的難度。

3.5 對電能計(jì)量的影響

在永盛光伏發(fā)電站接入配電網(wǎng)前，配電網(wǎng)中的潮流方向是單一的。并網(wǎng)后，配電網(wǎng)中個(gè)別區(qū)域內(nèi)的潮流流向發(fā)生變化為雙向。所以將原有的電能計(jì)量裝置由單向表改為雙向計(jì)量裝置才能滿足要求。

4 結(jié)論

光伏作為新能源發(fā)電的一種形式，越來越受到人們的青睞，其發(fā)展的步伐不可阻擋。然而大量的光伏并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行，對傳統(tǒng)的輸配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)。

根據(jù)實(shí)際的永盛光伏電站運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，指出光伏電站對配電網(wǎng)電壓、短路電流、電網(wǎng)調(diào)度和日負(fù)荷預(yù)測等方面的影響。因此，有必要深入研究并網(wǎng)發(fā)電對配電網(wǎng)的影響，使接入光伏的配電網(wǎng)能夠更加安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

［1］王廠貴.并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)綜述(上)［J］.太陽能，2008(2):14－17.

［2］方廷，韓郁，張嵐.一種多逆變器太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組群控制方法［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009，25(7):57－60.

［3］馬勝紅，陸虎俞.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)儲(chǔ)能蓄電池［J］.大眾用電，2006(4):40 －43.

［4］趙春江，楊金煥，陳中華，等.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.節(jié)能技術(shù)，2007，25(5):461 －465.