顧 鑫

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 淮安供電分公司，江蘇 淮安 223001）

0 引 言

有些大型并網(wǎng)光伏還處在試運(yùn)行過(guò)程中，缺乏統(tǒng)一的接入標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，影響著整個(gè)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的規(guī)范化生產(chǎn)和電站的全面管理，甚至有些電站在實(shí)際建設(shè)時(shí)都沒(méi)有充分考慮可能會(huì)給并網(wǎng)帶來(lái)的影響。對(duì)此，為進(jìn)一步促進(jìn)大容量光伏發(fā)電的有效發(fā)展，需要在了解其關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。

1 大容量光伏發(fā)電并網(wǎng)概述

1.1 基本原理

通常大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的構(gòu)成單元較多，且每一單元的容量基本為0.3～1.0 MW[1]。在這之中較大面積的光伏陣列組件在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換之后，會(huì)通過(guò)匯流器將直流分配在逆變當(dāng)中。如果使用逆變器和濾波裝置實(shí)施轉(zhuǎn)換，則應(yīng)用逆變器進(jìn)行控制，通過(guò)光伏陣列輸出電壓達(dá)到調(diào)節(jié)和控制的目的。為進(jìn)一步滿足用電要求的交流電，還應(yīng)將變壓器進(jìn)行升壓之后再進(jìn)行使用，每個(gè)單元的逆變器無(wú)論是單臺(tái)還是多臺(tái)并聯(lián)皆可。典型的光伏并網(wǎng)發(fā)電原理如圖1所示。

圖1 典型的光伏并網(wǎng)發(fā)電原理

1.2 主要特點(diǎn)

光伏發(fā)電并網(wǎng)基本是通過(guò)太陽(yáng)能組件生產(chǎn)直流電，再通過(guò)并網(wǎng)和逆變器對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以生成和國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)相符合的交流電從而進(jìn)入公共電網(wǎng)。該光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中主要包含了有無(wú)蓄電池兩類系統(tǒng)，其中有蓄電池的能夠依照實(shí)際需求并入或退出電網(wǎng)，同時(shí)充作備用電源，確保在出現(xiàn)停電故障的時(shí)候能夠?qū)崿F(xiàn)緊急供電，而沒(méi)有蓄電池的并網(wǎng)系統(tǒng)則無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效調(diào)度，更不能作為備用電源，所以通常被安裝在大型設(shè)備當(dāng)中。現(xiàn)階段，該并網(wǎng)系統(tǒng)主要包含了并網(wǎng)逆變器和太陽(yáng)能電池陣列兩部分，同時(shí)被安裝在了中央集控系統(tǒng)之中。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，其模式主要利用中低壓配電網(wǎng)接入超高壓大電網(wǎng)中，在滿足其正弦波電流頻率等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，達(dá)到光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的目的[2]。

2 大容量光伏發(fā)電技術(shù)分析

2.1 設(shè)備技術(shù)

光伏電站和電網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)溝通的主要渠道就是逆變器，大容量光伏并網(wǎng)給逆變器提出了一定要求，這就需要其能夠?qū)崿F(xiàn)迅速控制、減少有功變化率、控制無(wú)功和有功以及拓展通信功能等，并在技術(shù)方面要求逆變器產(chǎn)生更高的電壓等級(jí)，以此輸出更高的電能品質(zhì)，擁有更強(qiáng)的抗干擾能力，產(chǎn)生與智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)相符合的網(wǎng)源互動(dòng)技術(shù)[3]。為達(dá)到大容量能量轉(zhuǎn)換的目的，各類多機(jī)并聯(lián)協(xié)作的實(shí)現(xiàn)方案基本都處在論證競(jìng)爭(zhēng)中，其中是否存在變壓器隔離和變壓器共用方案是否實(shí)現(xiàn)等也都是目前大容量光伏設(shè)備的主要問(wèn)題。這類光伏設(shè)備的一項(xiàng)重要指標(biāo)就是轉(zhuǎn)換效率，其中開(kāi)關(guān)器件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及開(kāi)關(guān)頻率等都是當(dāng)前影響較大的核心要素。另外在其變換器保護(hù)方面，還特別增加了輸出諧波超標(biāo)、低電壓穿越以及三相不平衡保護(hù)等內(nèi)容。

通常光伏電站輸出諧波含量不超過(guò)5%，但也有一些用戶要求不超過(guò)3%。所以往往會(huì)在合理的濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制算法以及電感電容參數(shù)計(jì)算等方面確保諧波含量達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于一些大容量的光伏電站，電網(wǎng)對(duì)于逆變器及逆變器對(duì)于控制部分都多少存在電磁兼容的問(wèn)題，對(duì)此可以應(yīng)用隔離變壓器和控制算法等實(shí)現(xiàn)有效控制[4]。

一般在并網(wǎng)控制中，往往需要電網(wǎng)電壓信號(hào)鎖相技術(shù)保持高度的精準(zhǔn)性和迅速性，以防止在大功率并網(wǎng)的時(shí)候電壓采樣產(chǎn)生波動(dòng)性影響，從而在條件不對(duì)稱的情況下達(dá)到精準(zhǔn)鎖相的目的。這對(duì)于孤島檢測(cè)技術(shù)的抗干擾能力要求比較高，檢測(cè)盲區(qū)也必須控制在最小范圍內(nèi)。孤島檢測(cè)和低電壓穿越中有著無(wú)法規(guī)避的矛盾，所以還需進(jìn)一步探究?jī)身?xiàng)功能同時(shí)實(shí)現(xiàn)的相關(guān)策略。分布式光伏電站在控制方面進(jìn)行孤島檢測(cè)，主要是利用配電網(wǎng)上的能量管理系統(tǒng)發(fā)出低電壓穿越信號(hào)指令，而集中式的光伏電站要想在變換器控制方面達(dá)到低電壓穿越的目的，孤島檢測(cè)及指令都必須通過(guò)輸變電系統(tǒng)級(jí)別的能量管理系統(tǒng)完成[5]。

2.2 電站技術(shù)

利用逆變器同時(shí)輸出有功與無(wú)功功率，能夠?qū)崿F(xiàn)電站功率因素的進(jìn)一步控制，促進(jìn)系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)。針對(duì)這點(diǎn)，有學(xué)者在瞬時(shí)無(wú)功理論的基礎(chǔ)上對(duì)無(wú)功和有功電流進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)，在指令下達(dá)到了補(bǔ)償功能。同時(shí)也有人在其基礎(chǔ)上將無(wú)功控制與最大功率點(diǎn)跟蹤和直流母線電壓控制融合在一起，達(dá)到了功率因數(shù)的超前和滯后控制。

源流在有功輸出中，常規(guī)性的光伏并網(wǎng)發(fā)電往往希望可以發(fā)出更多電能，因此最大功率點(diǎn)的跟蹤技術(shù)一直備受關(guān)注。在實(shí)際跟蹤時(shí)必須要求滿足準(zhǔn)確、迅速和穩(wěn)定的基本要求，目前的常見(jiàn)技術(shù)主要有恒定電壓法、電導(dǎo)增量法以及干擾觀測(cè)法等。但只通過(guò)跟蹤最大功率往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)有功輸出的有效調(diào)節(jié)，還必須要有儲(chǔ)能，從而滿足對(duì)電網(wǎng)的有功支持。不管是飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能，還是壓縮空氣儲(chǔ)能，其價(jià)格都較為昂貴同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)大容量。儲(chǔ)能投入必須要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，難以達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償，所以儲(chǔ)能的作用也會(huì)受到極大限制[6]。雖然有些研究應(yīng)用仿真證明揭示了光伏頻率控制會(huì)給系統(tǒng)靜態(tài)頻率特點(diǎn)帶來(lái)一定優(yōu)化作用，但因?yàn)槠湔{(diào)節(jié)速度不快，所以動(dòng)態(tài)過(guò)程改觀整體不強(qiáng)。

3 大容量光伏發(fā)電給并網(wǎng)帶來(lái)的影響

3.1 給電網(wǎng)規(guī)劃帶來(lái)的影響

電網(wǎng)規(guī)劃中主要包含了電源和輸配電網(wǎng)絡(luò)兩類規(guī)劃，大容量光伏并網(wǎng)會(huì)先給電源規(guī)劃帶來(lái)影響。電源規(guī)劃通常需要負(fù)荷的供電可靠性要求得到充分滿足，其中涉及負(fù)荷缺電率和光伏滲透率兩項(xiàng)參數(shù)。前者是指負(fù)荷因?yàn)闄C(jī)組定期檢修或者其他無(wú)法預(yù)知原因不能正常出力而引起的缺電概率，一般該數(shù)值必須控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，后者是指某一地區(qū)電網(wǎng)的光伏裝機(jī)容量和系統(tǒng)峰值負(fù)荷所產(chǎn)生的比值。在實(shí)際進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃的時(shí)候，其主要依據(jù)就是負(fù)荷預(yù)測(cè)，而新能源的隨機(jī)出力促使電源規(guī)劃方向產(chǎn)生了巨大轉(zhuǎn)變，所以在負(fù)荷預(yù)測(cè)之中就應(yīng)以凈負(fù)荷為核心[7]。

目前，各種新型的規(guī)劃方式主要就是在負(fù)荷能耗增長(zhǎng)分析之后引入新能源，再通過(guò)凈負(fù)荷將電網(wǎng)特點(diǎn)歸納出來(lái)實(shí)施常規(guī)機(jī)組規(guī)劃，最后在迭代作用下滿足機(jī)組的協(xié)同性要求。其中迭代主要包含了地址確定的優(yōu)化、儲(chǔ)能應(yīng)用、機(jī)組協(xié)同的具體措施、負(fù)荷管理以及降低某些新能源機(jī)組的利用率等，最終實(shí)現(xiàn)可靠供電和并網(wǎng)成本最低化。實(shí)際操作步驟主要有預(yù)測(cè)光伏發(fā)電、全面管理運(yùn)行配置問(wèn)題、明確具體的調(diào)度方案、評(píng)估運(yùn)行安全等級(jí)與發(fā)電成本投入以及探析系統(tǒng)的擴(kuò)展5項(xiàng)。

3.2 給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的影響

在光伏滲透率達(dá)到相應(yīng)的比例之后，其系統(tǒng)特性基本都是由光伏電站的行為所決定的。相關(guān)研究表明，一旦使用電流源并網(wǎng)模式，大容量光伏電源的接入就會(huì)直接給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來(lái)影響，并形成一個(gè)巨大的干擾源，只有實(shí)施無(wú)功和有功控制之后才會(huì)有所轉(zhuǎn)變。另外，有些研究還得出了在光伏電站各類運(yùn)行方式下系統(tǒng)短路故障之后得以恢復(fù)的相關(guān)結(jié)論。一是加強(qiáng)電站的電壓控制能夠促進(jìn)系統(tǒng)的電壓得以恢復(fù)。二是除了出力具有很大不確定性外，光伏的另一項(xiàng)缺陷就是不能提供較大的系統(tǒng)慣量，而光伏系統(tǒng)穩(wěn)定性往往取決于系統(tǒng)慣量的減少情況。三是在具體的接納方式中，大機(jī)組停運(yùn)之后會(huì)使系統(tǒng)慣量減少，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而接納較高比重的光伏則要常規(guī)機(jī)組增加旋轉(zhuǎn)備用容量，從而強(qiáng)化協(xié)作本身的靈活程度[8]。四是低電壓的穿越功能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的恢復(fù)特性得到有效強(qiáng)化。五是主動(dòng)孤島檢測(cè)會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)的震蕩性能帶來(lái)一定不良影響，所以要接納大容量光伏發(fā)電的電網(wǎng)應(yīng)該以相應(yīng)的運(yùn)行規(guī)程相符合，并應(yīng)用精準(zhǔn)的發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)和常規(guī)能源相互統(tǒng)一的調(diào)度平臺(tái)實(shí)施運(yùn)行（圖2）。

圖2 電站運(yùn)行圖

3.3 給配電網(wǎng)帶來(lái)的影響

通過(guò)給配電網(wǎng)接入光伏電站，分析其是否能夠給輸電網(wǎng)倒送功率，主要分為不可逆與可逆兩種接入方式[9]。但不管哪種方式，因?yàn)槠渲幸肓朔植际诫娫?，所以配電網(wǎng)當(dāng)中的潮流方向都會(huì)產(chǎn)生變化，由此引起各種影響，這些影響主要包含以下幾種。

3.3.1 電壓調(diào)節(jié)

在光伏滲透率達(dá)到相應(yīng)的程度之后，會(huì)因?yàn)楣夥隽Φ臅r(shí)變特點(diǎn)，使得饋線上潮流產(chǎn)生實(shí)時(shí)變動(dòng)，甚至出現(xiàn)逆潮流注入電網(wǎng)的情況，最后導(dǎo)致饋線電壓調(diào)節(jié)設(shè)備的正常運(yùn)行受到不良影響[10]。一旦出現(xiàn)潮流倒送的問(wèn)題，光伏電源和變電站就會(huì)產(chǎn)生電壓降的梯度性轉(zhuǎn)變，具體可以應(yīng)用調(diào)節(jié)變壓器的調(diào)壓開(kāi)關(guān)對(duì)其實(shí)施修正，但應(yīng)該與光伏電源及其他的相關(guān)無(wú)功電壓補(bǔ)償裝置之間實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)作業(yè)。

3.3.2 短路電流和保護(hù)整定

一般情況下，光伏逆變器都是被當(dāng)作電流源實(shí)施控制的，只要其中出現(xiàn)故障，為了確保逆變器不受影響就會(huì)馬上將其切除。所以和常規(guī)機(jī)組相比較，逆變器的短路電流并不會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)較大的影響。再次實(shí)施保護(hù)整定的原因較多，第一種是潮流變化導(dǎo)致電壓分布產(chǎn)生了很大差異，第二種則是和變壓器相互連接的逆變器額外形成了接地回路，給零序電流帶來(lái)了不良影響。

3.3.3 形成了接地電壓源

由于變壓器連接方式有所差異，因此它和逆變器之間可能會(huì)形成接地回路，進(jìn)而給零序電流帶來(lái)不良影響，或者是在單相接地故障的時(shí)候使得沒(méi)有短路的對(duì)地電壓被增大。

4 結(jié) 論

電力系統(tǒng)中各類光伏電站必須要有輸出有功和無(wú)功的能力，同時(shí)還要能在電網(wǎng)異常的時(shí)候發(fā)揮良好的支撐作用。其中光伏發(fā)電的隨機(jī)出力是影響電網(wǎng)的主要因素，較小的系統(tǒng)慣量也會(huì)給電網(wǎng)穩(wěn)定和故障解決能力帶來(lái)直接影響。逆變器是影響電能質(zhì)量的干擾源，通過(guò)控制逆變器可以達(dá)到無(wú)功與諧波補(bǔ)償。該類光伏發(fā)電并網(wǎng)的運(yùn)行必須通過(guò)凈負(fù)荷等保證供電可靠性，在其設(shè)備中，高效率和大容量的變換器極具優(yōu)勢(shì)，只有達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，才能最大程度上保證發(fā)電質(zhì)量。