秦睿，董開松，汪紅燕，楊萍，劉海燕

(1.甘肅省電力公司 電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050;2.蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

目前，某省電網共并網光伏電站33座，總裝機達到了943.5 MW，主要集中在網架薄弱的偏遠地區(qū)，其中甲地區(qū)436 MW，乙地區(qū)378.5MW，丙地區(qū)69MW。按該省光伏發(fā)展規(guī)劃，預計年底并網光伏電站將達62座，光伏總裝機將達到2000 MW［1］。光伏并網發(fā)電系統(tǒng)沒有旋轉慣量、調速器及勵磁系統(tǒng)，不具備調壓、調頻以及調峰能力。受其發(fā)電特性影響，出力變化大，電壓控制困難，對電網會產生一定程度的諧波污染［2－4］。在大規(guī)模風電并網的前提下，電網全部消納大規(guī)模光伏電量能力嚴重不足，而國家對光伏電站接入的寬松政策和新能源優(yōu)先調度政策的執(zhí)行，使常規(guī)電源運行和經營越發(fā)困難，大規(guī)模光伏電站并網發(fā)電后對電網運行的影響日益顯現(xiàn)。

1 大規(guī)模光伏電源并網對大電網和配網的影響

1.1 大規(guī)模光伏集中并網對大電網運行的影響

(1)資源與負荷逆向分布帶來的送出與消納問題

大規(guī)模光伏電站“遠離負荷、集中開發(fā)、高壓輸送”給電網帶來的影響是送出線路距離較長、線損增加、線路復合利用率低［5－7］。某地區(qū)常規(guī)電源裝機容量加上超過6000 MW風電的投運，已遠遠超過當?shù)刎摵伞?/p>

考慮電網穩(wěn)定極限限制及疆電送西北電力兩方面因素。在750 kV二通道投運前，已投光伏和風電僅能送出1600～2600 MW，新建大規(guī)模光伏電站只能起到對風電的互補作用。二通道投運后，規(guī)劃中的大規(guī)模光伏也將陸續(xù)建成投產，屆時該地區(qū)新能源總容量將達到10000MW，該地區(qū)光伏和風電外送容量約為2100～4600 MW之間。因此，750 kV二通道的投入運行并不能從根本上緩解新增光伏的送出壓力。

另外，大部分光伏電站均通過35 kV或110 kV并入電網。而該地區(qū)110 kV及以下電網網架結構、設備狀態(tài)等方面已不能適應大量光伏電力輸送要求，無法達到對光伏電力的最大理論送出值，部分110 kV線路不滿足N－1原則，形成了光伏送出的瓶頸。

(2)幅照強度波動性、隨機性強帶來的運行控制問題

光伏電源出力波動性和隨機性特點明顯，且光伏電站自身無慣性環(huán)節(jié)，呈現(xiàn)有功功率階躍性變化特點，需要增加旋轉備用容量進行調節(jié)。受省級電網光伏裝機容量快速增加、網內機組設備容量不足、網架結構限制、風電反調峰作用等因素影響，電網調峰將面臨很大的困難。

目前，某省電網主要依賴省內水火電機組調峰。電網內水電具備調峰能力的容量約3620MW，受季節(jié)性來水因素限制了調峰能力，受防凌、灌溉等外在因素全年調峰能力差異較大;火電具備調峰能力的容量約10600MW，其一受運行方式制約，特別是在水電大發(fā)期間，火電開機容量小，純凝火電機組發(fā)電負荷率低，調峰能力受到制約;其二是部分主力火電廠的調峰能力受電煤限制，不能達到額定出力，削弱其調峰能力。在大規(guī)模光伏發(fā)電投運后，區(qū)域電網總調峰能力也無法滿足該省大規(guī)模光伏并網后的調峰要求。

(3)大規(guī)模接入電網的安全穩(wěn)定

隨著光伏電站規(guī)模的不斷加大，光照強度短期波動和周期性變化引起的線路電壓超限現(xiàn)象將逐步出現(xiàn);而光伏發(fā)電的運行控制特性完全由電力電子逆變器決定，沒有轉動慣量和阻尼特性，與常規(guī)發(fā)電機組有較大的區(qū)別。

大規(guī)模光伏接入電網后，會造成電網電壓運行控制困難。一是目前光伏電站均在恒功率因數(shù)1下運行，不具備對電網的無功支撐能力。二是受光伏發(fā)電特性影響，電網潮流變化大，無功電壓難以實現(xiàn)分層分區(qū)、就地平衡，造成運行中并網點變電站電壓波動范圍大，電壓調整困難。三是光伏電站雖配置了動態(tài)無功補償設備，但由于存在動態(tài)補償容量不足，均運行于功率因數(shù)1的狀態(tài)下，且缺乏統(tǒng)一運行調整，當系統(tǒng)發(fā)生較大擾動時，無法參與無功調節(jié)，不僅不能給予電網有力的無功支撐，一定程度上反而加劇了故障切除后的電網過電壓。

(4)大量使用電力電子并網設備帶來的電能質量等問題

光伏發(fā)電并網逆變器易產生諧波、三相不平衡，輸出功率不確定性易造成電網電壓波動、閃變。嚴重的情況下，需要配置相應的電能質量治理裝置。

1.2 大規(guī)模分布式光伏電源接入對配電網的影響

大規(guī)模分布式光伏電源的接入將使配電網中的潮流方向發(fā)生一定的變化，從而造成一系列的影響，歸納整理后就是兩大類問題，一是分布式電源并網系統(tǒng)本身的結構和性能各異的問題，二是分布式電源并網后對電力系統(tǒng)運行、控制、保護、結構設計等各方面產生的影響。

(1)電壓控制和保護不確定性

配電網內光伏發(fā)電系統(tǒng)一般不主動參與電壓調節(jié)，但此類間歇性電源的接入不但會影響穩(wěn)態(tài)電壓分布，還會引起系統(tǒng)電壓波動，特別是大規(guī)模光伏電站并入配網后，可能導致系統(tǒng)電壓越限，因此配電網的電壓控制將是主要的問題之一。分布式光伏發(fā)電接入后，配電網將成為一個多電源系統(tǒng)，形成新的接地電壓源對配網保護會帶來不確定性，要求繼電保護設備具有方向性，因此繼電保護裝置的設計和應用思路必須在新的標準下開發(fā)和應用。

(2)故障處理及可靠性分析

光伏電源與配電系統(tǒng)并網后，配電網的整體結構和運行特性都將發(fā)生顯著變化，其故障處理及可靠性分析不能直接套用傳統(tǒng)方法。大量研究和實踐結果表明:如果光伏等分布式電源僅作為備用電源，可以提高系統(tǒng)的供電可靠性;如果光伏等分布式電源與配電系統(tǒng)并網運行，則可能降低系統(tǒng)的可靠性。

(3)配電網重構和抗擾動能力

各類分布式電源接入后會形成新的拓撲接入結構，但目前國內外對各類結構的認識仍顯不足，為適應分布式電源接入，配電網面臨的重構問題，是影響配網安全穩(wěn)定運行的非常重要的問題，需要超前規(guī)劃與開展相關的研究工作。各類光伏發(fā)電接入配電網后，也會帶來各種擾動，影響系統(tǒng)電能質量，主要體現(xiàn)在電壓閃爍和諧波、電壓脈沖、浪涌、電壓跌落、頻率偏移、瞬時供電中斷等動態(tài)電能質量問題。

(4)分布式電源與微網安全穩(wěn)定運行

微電網非正常運行狀態(tài)包括故障狀態(tài)和孤島運行狀態(tài)。微電網處于故障狀態(tài)和孤島運行狀態(tài)時，會對配電網產生不可預知的影響，影響較大則就可危及配電網的供電可靠性;配電網發(fā)生故障或較大波動時，同樣也會對微電網產生較大影響，輕則分布式發(fā)電離網運行，重則微電網系統(tǒng)崩潰。因此微電網與配電網互動影響必須考慮故障擾動、大負荷、大發(fā)電設備投切擾動的影響。

(5)分布式電源與微網核心技術研究

無論是美國的Intelligrid計劃，還是歐洲的FENIX計劃，都將含分布式發(fā)電供能系統(tǒng)的新型配電系統(tǒng)快速仿真視為其整個研究計劃的核心和基礎。因此，分布式電源與微網和配電網協(xié)調優(yōu)化控制技術、多微網與配電網協(xié)調優(yōu)化控制技術、微電網數(shù)字仿真技術等是當前急需要研究和掌握的。

1.3 功率預測不確定和不準確性問題

目前光功率預測系統(tǒng)尚不成熟。雖然大規(guī)模集中開發(fā)的光伏電站均按照要求建立了光功率預測系統(tǒng)。但從運行情況看，預測精度較差，預測結果仍不能對調度運行計劃的安排提供足夠有效的數(shù)據(jù)支持。受發(fā)電峰谷、晝夜變化、東西部時差、季節(jié)變化、氣象條件變化等因素影響，給預測工作帶來了不確定性。分布式光伏電源(或微網)建立單獨的功率預測系統(tǒng)可能性更小，更多的是基于公共系統(tǒng)或經驗，其預測工作的不確定性表現(xiàn)更為突出。

2 應對措施

2.1 建立新能源技術支持系統(tǒng)平臺

建設分布式新能源與微網實驗室，以新能源的規(guī)劃、接入評估、調度運行、預測、檢測等需求為目標，開展各類光伏發(fā)電特性和分布式電源與微網系統(tǒng)研究，制定大規(guī)模光伏發(fā)電并網和分布式接入的應對策略。主要研究分布式電源接入對大電網規(guī)劃、設計、調度運行、智能控制、電量消納等的影響;研究基于大電網環(huán)境下光伏、風力發(fā)電的運行控制特性及并網檢測技術;研究在智能配電網環(huán)境下大量分布式電源和微電網運行、協(xié)調和控制問題;研究分布式能源并網對配電網的影響，增加配網可靠性、降低饋線損耗、保持本地電壓穩(wěn)定。

2.2 系統(tǒng)開展風光互補性試驗與分析

風能和太陽能作為可再生新能源具有很好的互補性。與獨立的大規(guī)模風力發(fā)電或光伏發(fā)電相比，大規(guī)模風光互補發(fā)電系統(tǒng)能使功率輸出較平穩(wěn)，增加電網對間歇性可再生能源的吸收接納程度，風光互補發(fā)電技術能有效增強系統(tǒng)對天氣變化的適應能力，具有更好的實用價值，它既可增加供電可靠性，又可降低系統(tǒng)的成本。某地區(qū)太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性。夏季太陽光強度大而風小，冬季太陽光強度弱而風大。良好自然條件給開展風光互補試驗研究創(chuàng)造了很好的機遇。因此，開展大規(guī)模風光互補發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)模型建立、并網運行特性分析以及風光協(xié)調調度管理等方面的研究可以更好的掌握大規(guī)模風光互補系統(tǒng)的系統(tǒng)配置、能量控制方式及市場應用前景，從而產生更好的經濟和社會效益。

2.3 提高光伏集中接入地區(qū)電力外送及消納能力

(1)加快電力外送新通道建設

盡早促成特高壓直流輸電工程開工建設，該工程投產后，其送電能力可達8000MW，可從根本上解決新能源送出，實現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化配置。同時優(yōu)化完善區(qū)域電網的網架結構，盡快建設一批330 kV變電站，切實有效地解決光伏集中區(qū)域的送出瓶頸問題。

(2)提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平，深挖外送潛力，促進就地消納

根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析計算，在不同開停機方式下，電網輸電極限隨著通道上各主力電廠開機數(shù)目的減少而降低。當通道主力電廠全停機時，通道送電極限將大幅下降，但在地區(qū)負荷較小時增開火電機組會擠占新能源送出通道。因此，在兼顧維持系統(tǒng)穩(wěn)定與盡可能少地占用通道的基礎上，合理安排輸電通道上火電機組的運行方式，可提高電網穩(wěn)定水平，支撐風電外送。同時，在地區(qū)規(guī)劃布局適應新能源消納的負荷點，可進一步減輕外送壓力。已投產的東興鋁業(yè)、三新硅產業(yè)園等高耗能企業(yè)，實現(xiàn)了部分新能源發(fā)電的就地消納，一定程度上緩解了送出壓力。

2.4 提高電網調峰能力

(1)完善現(xiàn)有技術手段，深挖火電調峰能力

建立調度光功率預測系統(tǒng)，提高預測的準確度。根據(jù)功率預測結果，在滿足系統(tǒng)旋轉備用的前提下，盡量減小火電開機容量，提高火電調峰能力，從而實現(xiàn)對調度計劃提供足夠有效的數(shù)據(jù)支持。從開展《火電機組快速調節(jié)和深度調峰技術研究及示范應用》等科研攻關項目在現(xiàn)場的實際應用看，部分火電機組的調峰能力得到了充分挖掘和提高，采取相關技術及措施預計最大能夠提高900MW調峰容量。

(2)加強調度管理，提高水電的調峰能力

加強水電發(fā)電計劃及水電實時調度的管理，統(tǒng)一安排好水電機組調峰，充分挖掘水電機組的聯(lián)合調峰能力，盡可能提高電網水電調峰力度。

2.5 優(yōu)化電壓控制手段，提高電網電壓控制能力

(1)加快AVC和無功設備容量建設，統(tǒng)一協(xié)調電網無功控制

正在建設的AVC系統(tǒng)，統(tǒng)籌考慮了電網和光伏、風電場動態(tài)無功補償裝置、電容/電抗器等無功設備之間的協(xié)調控制。隨著750 kV變電站兩組線路可控高抗和兩組主變低壓側動態(tài)無功補償裝置的投運，甲地電網的無功控制能力將大幅度提升，電壓調節(jié)手段也將更為靈活。

(2)充分挖掘光伏電源對電網無功貢獻的潛力

加強光伏電站動態(tài)無功補償裝置設備管理，充分挖掘其對電網無功貢獻的潛力。根據(jù)囯網相關規(guī)定要求［8］，大中型光伏電站均具備一定的動態(tài)無功補償能力。因此，和制造廠家、發(fā)電企業(yè)緊密合作，深入研究光伏發(fā)電技術，合理利用這部分無功調節(jié)能力，使大量光伏電站介入無功調節(jié)，對電網(至少在區(qū)域電網)電壓的運行控制將產生實際意義。

3 光伏電站并網管理及技術監(jiān)督

3.1 加強光伏電站并網檢測和運行、評估管理

根據(jù)相關文件，認真開展光伏電站低電壓穿越、電網適應性、電能質量、有功功率輸出特性、SVG性能測試五項并網檢測試驗［9－10］。研究開展人工短路擾動試驗，對大規(guī)模光伏電站的抗短路能力進行驗證。嚴格按照接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定、接入電網技術規(guī)定，把好光伏電站接入關和現(xiàn)場設備驗收的評估工作:(1)光伏電站有功調節(jié)、無功電壓控制的能力;(2)光功率預測系統(tǒng)建設和預測能力;(3)全站涉網保護定值與低電壓穿越的邏輯關系和低電壓穿越能力;(4)電站接入技術條件是否滿足相關規(guī)范要求。

3.2 重視光伏電站技術監(jiān)督

隨著國家鼓勵光伏發(fā)展政策的出臺，諸如光電建筑、分布式接入電源等，會促進光伏電源的增長，對電網安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。光伏機組類型復雜，對電網運行和穩(wěn)定特性影響深刻，使得開展技術監(jiān)督工作成為必要且十分迫切，矛盾也會日益突出。主要原因一是目前國家還未出臺光伏電站技術監(jiān)督標準;二是所有光伏發(fā)電企業(yè)對技術監(jiān)督工作的認識不夠，缺乏足夠的重視。

4 結束語

大規(guī)模光伏電站和風電的疊加并網以及分布式光伏接入配網，給電網帶來的消納與送出、運行與控制、電網調峰、安全穩(wěn)定、電能質量和配電網電壓控制、抗擾動能力等是十分復雜的難題，需要從電網規(guī)劃、設計、調度運行、智能控制、電量消納等方面綜合研究，同時對各類光伏發(fā)電特性、大電網環(huán)境下光伏發(fā)電的運行控制特性、智能配電網環(huán)境下分布式電源和微電網運行、協(xié)調和控制等問題進行研究，制定大規(guī)模光伏發(fā)電并網和分布式接入的應對策略，開展并網檢測技術，努力降低大規(guī)模光伏電站并網和分布式光伏接入配網電網的影響。

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