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(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊 830006)

光伏發(fā)電具有資源豐富、永不衰竭、分布廣、無(wú)污染、無(wú)噪聲、運(yùn)行安全、維護(hù)簡(jiǎn)便等突出的優(yōu)點(diǎn)。這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)使光伏發(fā)電近幾年來(lái)迅速發(fā)展。隨著光伏電站發(fā)電容量逐漸增大，受其裝置昂貴的費(fèi)用所限制，在提高其能量轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)還應(yīng)當(dāng)充分提高裝置的利用率。目前并網(wǎng)運(yùn)行的光伏電站能向系統(tǒng)發(fā)送的最大有功功率隨太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度而隨機(jī)變化，人們通過(guò)最大功率跟蹤(maximum power point trowking，MPPT)技術(shù)讓其發(fā)送最大有功功率，但不向系統(tǒng)發(fā)送無(wú)功，這對(duì)裝置本身沒(méi)有充分利用。此外，因?yàn)橛泄β什豢煽兀谒统鍪茏钑r(shí)也不能得到資源利用的最大化，因此，如果光伏電站并網(wǎng)積極參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，進(jìn)行必要的有功和無(wú)功控制，那么即可以保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，也提高了設(shè)備利用率。針對(duì)新疆電網(wǎng)目前并網(wǎng)運(yùn)行的光伏電站的運(yùn)行情況及存在問(wèn)題，提出其參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的設(shè)想建議，從而為最大化的利用光伏資源提供借鑒。

1 新疆電網(wǎng)光伏電站情況

至2013年年底，新疆電網(wǎng)內(nèi)共投運(yùn)光伏電站23座，設(shè)計(jì)電站裝機(jī)容量510 MW，主要分布在吐魯番、哈密、和田、阿勒泰、喀什地區(qū)，基本上多以35 kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，僅少數(shù)電站以110 kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，由于目前光伏電站投運(yùn)接入系統(tǒng)的容量相對(duì)較小，因此對(duì)電網(wǎng)的影響較小。圖1所示為一光伏電站的發(fā)電曲線，曲線a近似拋物線，最大功率點(diǎn)出現(xiàn)在13∶10～14∶10之間,顯示了光伏發(fā)電的功率特性。

圖1 光伏電站發(fā)電曲線

2 新疆電網(wǎng)光伏電站存在的問(wèn)題

目前現(xiàn)有的光伏電站基本運(yùn)行正常，但在運(yùn)行過(guò)程中還是存在一些問(wèn)題，具體如下。

(1)部分光伏電站送出受阻。

喀什地區(qū)的英吉沙光伏一電站目前采用臨時(shí)過(guò)渡接入方案，其“T”接在35 kV木康線上，具體參見(jiàn)圖2，由于其連接35 kV木華里水電站和35 kV康帕水電站上，且線路為L(zhǎng)GJ-95導(dǎo)線，在冬季運(yùn)行方式下，其可通過(guò)35 kV線路將電力送至英吉沙變電站，但在夏季，水電大發(fā)時(shí)期，其存在與兩個(gè)水電站共用一個(gè)送出通道，出力嚴(yán)重受阻。

(2)繼電保護(hù)及重合閘方式存在不足

所有的光伏電站，基本發(fā)電集中在10∶00～18∶00之間，其余時(shí)間不發(fā)電，這就使得光伏電站送出線路一天中有三分之二的時(shí)間不發(fā)電，聯(lián)絡(luò)線承接無(wú)源，三分之一時(shí)間發(fā)電，聯(lián)絡(luò)線承接有源，聯(lián)絡(luò)線重合閘和保護(hù)無(wú)法完全滿足運(yùn)行方式變化，特別是重合閘方式處于對(duì)端有源和無(wú)源方式之間變化，不利于重合閘的正確動(dòng)作。保護(hù)也存在同樣類似的問(wèn)題。

圖2 光伏一電站“T”型接線圖

(3)電壓控制方式存在不足

目前所有的光伏電站通過(guò)最大功率跟蹤(MPPT)技術(shù)讓其發(fā)送最大有功功率，但不向系統(tǒng)發(fā)送無(wú)功，以功率因數(shù)為1的方式并網(wǎng)運(yùn)行。這就存在著系統(tǒng)電壓控制與功率因數(shù)控制的弊端，電壓合格時(shí)功率因數(shù)不一定合格，功率因數(shù)合格時(shí)電壓不一定合格，出現(xiàn)前圖中發(fā)電出力最大時(shí)，電壓最高，雖然采用逆調(diào)壓方式，但不是最優(yōu)方式，不能充分利用好現(xiàn)有的設(shè)備。

3 新疆電網(wǎng)光伏電站對(duì)電網(wǎng)的影響

新疆電網(wǎng)光伏電站基本以35 kV等級(jí)并入電網(wǎng)，且該等級(jí)電網(wǎng)多為輻射狀。下面以新疆喀什地區(qū)永盛光伏電站為例進(jìn)行分析。

3.1 對(duì)電壓的影響

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(duì)于上述電壓越上限的問(wèn)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(duì)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(wú)功功率。在線路重負(fù)荷期間，光伏電站必須多發(fā)無(wú)功，以改善線路的電壓質(zhì)量。

光伏發(fā)電對(duì)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(yáng)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(lái)更大的電壓波動(dòng)和閃變。如圖3所示為永盛光伏電站容量為4 MW時(shí)，出力情況和對(duì)應(yīng)接入點(diǎn)電壓的影響。

圖3 光伏出力對(duì)電壓的影響

從圖5a、b可以看出，該光伏電站在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(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)電壓有一定的支撐能力。從圖5c中可以看出電壓受出力的影響，不停的來(lái)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。

3.2 對(duì)繼電保護(hù)的影響

新疆吐魯番地區(qū)電網(wǎng)中的配電網(wǎng)保護(hù)主要是基于斷路器的電流三段式保護(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。如果該光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不能與原有的繼電保護(hù)協(xié)調(diào)配合并相適應(yīng)，當(dāng)35 kV萄煤線上其他并聯(lián)分支元件發(fā)生故障時(shí)，便可能引起35 kV萄煤線上的繼電器保護(hù)誤動(dòng)，失去選擇性，進(jìn)而造成無(wú)故障分支失去主電源。此外，當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電出力后，會(huì)使原來(lái)的繼電器保護(hù)范圍縮小，影響繼電保護(hù)裝置的正常工作。

光伏電站自身的故障也會(huì)對(duì)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，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(guò)程中，應(yīng)盡量減少對(duì)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(duì)調(diào)度運(yùn)行的影響

光伏發(fā)電受光照變化的影響，其出力是隨機(jī)波動(dòng)的，存在間隙性的特點(diǎn)，因此對(duì)負(fù)荷難以平衡，增大了系統(tǒng)調(diào)頻和調(diào)峰的壓力，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成一定影響。根據(jù)光伏電站出力狀況，有時(shí)還存在“反調(diào)峰”的特性，進(jìn)而加大峰谷差值，惡化了負(fù)荷特性。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(duì)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(wú)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(lái)更大的難度。

此外，當(dāng)光伏裝機(jī)容量較大的地區(qū)并入電網(wǎng)時(shí)，其運(yùn)行的無(wú)法確定性導(dǎo)致發(fā)電功率存在較大的波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的頻率產(chǎn)生一定影響，極端情況下導(dǎo)致頻率嚴(yán)重下降，加大了調(diào)頻難度。在電網(wǎng)斷面的潮流監(jiān)控、地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定及聯(lián)絡(luò)線的功率調(diào)節(jié)等調(diào)度運(yùn)行的難度方面，也提出了高水平的調(diào)度控制要求。

3.4 對(duì)短期負(fù)荷預(yù)測(cè)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(cè)是當(dāng)天上午預(yù)測(cè)第3天的負(fù)荷，主要依靠于對(duì)本地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。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(cè)的合理制定，帶來(lái)了較大的難度。

3.5 對(duì)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 光伏電站并網(wǎng)參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的分析

針對(duì)新疆電網(wǎng)光伏電站的發(fā)電情況及存在問(wèn)題，考慮到目前光伏電站正在積極建設(shè)有功和無(wú)功控制系統(tǒng)，可以充分利用系統(tǒng)的控制，最大化的利用好光伏發(fā)電設(shè)備，最大限度地參與系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，具體如下。

(1)針對(duì)光伏電站出力受阻情況采取的措施

針對(duì)疆南喀什地區(qū)光伏電站出力受阻情況，加快完善網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，以110 kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)，在目前現(xiàn)有接入系統(tǒng)方案的運(yùn)行過(guò)渡期，考慮到與水電的水光互補(bǔ)，利用光伏電站一天有三分之二的時(shí)間不發(fā)電，將水電站大發(fā)，最大程度的利用水能，而在10∶00～18∶00之間，利用光伏電站發(fā)電出力的拋物線曲線特性，水電反拋物線運(yùn)行，保持風(fēng)電、水電外送出力之和為一水平線運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)此運(yùn)行控制模式，需優(yōu)化10∶00～18∶00的水電運(yùn)行，同時(shí)可以在光伏電站加裝儲(chǔ)能裝置，將10∶00～18∶00的受阻能量進(jìn)行儲(chǔ)存，在晚高峰負(fù)荷時(shí)期發(fā)出，積極參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

(2)針對(duì)重合閘和繼電保護(hù)采取的措施

針對(duì)光伏電站發(fā)電運(yùn)行特性，開展繼電保護(hù)方案的多方式校驗(yàn)，充分考慮其有源發(fā)電和無(wú)源情況，校核其保護(hù)動(dòng)作四性情況；

針對(duì)重合閘方式，進(jìn)行重合閘原理的改進(jìn)，增加自適應(yīng)情況，滿足不同方式下的重合閘自適應(yīng)，充分考慮水電、光伏電站電源出力的穩(wěn)定性情況，在重合閘中增加聯(lián)絡(luò)線送電功率的附加輔助判據(jù)，以達(dá)到自適應(yīng)。

(3)針對(duì)電壓控制方式采取的措施

光伏電站并網(wǎng)結(jié)構(gòu)中含有1個(gè)三相逆變橋，通過(guò)對(duì)逆變器的控制可以使發(fā)送的無(wú)功也雙向可控，在極限范圍內(nèi)可達(dá)到有功、無(wú)功的控制。光伏電站在發(fā)電的同時(shí)還可作為無(wú)功補(bǔ)償器?？梢酝ㄟ^(guò)無(wú)功控制穩(wěn)定母線的電壓，從而提高設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)恒功率因數(shù)及恒電壓方式綜合利用。但在發(fā)送一定有功的情況下，發(fā)送無(wú)功受所設(shè)計(jì)的逆變器開關(guān)管容量的限制;其次，在逆變器容量足夠大的情況下，還受傳輸線路的限制，因此需要對(duì)無(wú)功功率發(fā)出和吸收的容量進(jìn)行分析和核算，以優(yōu)化出參與系統(tǒng)無(wú)功調(diào)節(jié)的最大能力。

5 結(jié) 論

在光伏電站控制系統(tǒng)中增加電壓和頻率控制環(huán)節(jié)，使光伏電站能夠響應(yīng)電網(wǎng)電壓和頻率的變化，使光伏電站具備類似于同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，依靠?jī)?chǔ)能裝置，避免出力突變對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響；避免水電大發(fā)時(shí)，由于通道的限制光伏出力受阻問(wèn)題；通過(guò)控制系統(tǒng)，積極響應(yīng)電網(wǎng)電壓和頻率的變化，調(diào)整其無(wú)功功率和有功功率出力大小，從而更好地保障整個(gè)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

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