國網(wǎng)山東省電力公司寧津縣供電公司 溫艷潔 仝 偉

隨著能源需求的不斷增長和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，新能源技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用逐漸受到重視。光伏發(fā)電作為一種清潔、可再生的能源形式，其在電力生產(chǎn)中的地位日益重要，光伏發(fā)電系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行具有諸多優(yōu)勢，其中之一便是其在大型電網(wǎng)事故時(shí)，可提供安全穩(wěn)定的備用電源。本文旨在探討光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中新能源電力質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù)與方案，以期為推動(dòng)新能源在電力系統(tǒng)中的更廣泛應(yīng)用提供理論和實(shí)踐的支持。

1 光伏發(fā)電技術(shù)概述

1.1 光伏基本工作原理

光伏效應(yīng)是一種光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，其基本工作原理是利用半導(dǎo)體材料的光電特性，將光能轉(zhuǎn)化為電能。在典型的光伏器件中，通常采用p-n 結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，當(dāng)光子能量高于半導(dǎo)體的帶隙能量時(shí)，光子被吸收并提供足夠能量，以激發(fā)價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下一個(gè)電子空穴對(duì)，轉(zhuǎn)換過程中需要光子能量大于或等于半導(dǎo)體帶隙能量，才能發(fā)生有效的光電轉(zhuǎn)換[1]。

在p-n 結(jié)構(gòu)中，由于p 區(qū)和n 區(qū)之間存在內(nèi)建電場，在光照條件下，激發(fā)的自由載流子將受到電場的作用而分離，電子向n 區(qū)移動(dòng)，而空穴則向p 區(qū)移動(dòng)。這樣就在p-n 結(jié)構(gòu)中形成了一個(gè)電勢差，即電壓。通過連接外部電路，這個(gè)電壓將驅(qū)動(dòng)自由載流子在外部電路中形成電流，從而完成光能到電能的轉(zhuǎn)換。對(duì)于光伏電池的材料選擇和設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于選擇合適的半導(dǎo)體材料和調(diào)控p-n結(jié)構(gòu)的參數(shù)，最大限度地提高光伏效率，還需要考慮光伏器件的光吸收特性、載流子傳輸效率以及接觸電阻等因素，以確保光伏器件具有良好的性能和穩(wěn)定性。

光伏電站由多個(gè)光伏電池組成，而光伏電池的基本單元是p-n 連接。每個(gè)p-n 連接產(chǎn)生的額定電壓通常約為0.48V，根據(jù)光照條件和溫度的變化，實(shí)際電壓可能會(huì)有所波動(dòng)。光伏電池被安裝在光伏組件中，組成光伏陣列，以便將光能轉(zhuǎn)化為電能。光伏電站通常還包括支撐結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備（如配電箱、變壓器等）、監(jiān)控系統(tǒng)和連接電纜等輔助設(shè)備，以確保光伏電站的安全運(yùn)行和有效管理[2]（如圖1所示）。

圖1 光伏電站組成

1.2 光伏并網(wǎng)原則

光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)設(shè)計(jì)中，原則上應(yīng)考慮不同電源的容量、類型和重疊影響，最大限度優(yōu)化系統(tǒng)性能，確定相關(guān)的并網(wǎng)點(diǎn)是必要的，應(yīng)盡量減少并網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)量，通過合理規(guī)劃并網(wǎng)點(diǎn)的位置和布局，可以有效地降低系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行成本，并提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[3]。光伏發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行過程中，除了有功輸出外，還需要具備無功控制的功能。有功控制用于調(diào)節(jié)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率，以適應(yīng)電網(wǎng)的負(fù)荷需求和運(yùn)行狀態(tài)，而無功控制則用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率因數(shù)，維持電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定。

2 光伏系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)及其對(duì)電網(wǎng)的影響

2.1 光伏系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

光伏系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)包括光伏陣列、兩級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)和逆變器。本文選擇了兩級(jí)光伏發(fā)電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中光伏陣列是核心部分，將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)作為關(guān)鍵組成部分，相比單級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更多技術(shù)優(yōu)勢，第一級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)光伏陣列產(chǎn)生的電能，第二級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)如超級(jí)電容器，或儲(chǔ)熱系統(tǒng)則提供更快的響應(yīng)速度和更長的持續(xù)輸出時(shí)間，逆變器則負(fù)責(zé)將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測和控制，包括功率調(diào)節(jié)和無功控制等功能，以確保光伏系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]（如圖2所示）。

圖2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 光伏電源對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響（見表1）

表1 光伏電源接入電網(wǎng)正面和負(fù)面影響表

2.2.1 正面影響

光伏電源作為一種清潔、可再生的能源形式，其接入電網(wǎng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)就地能量平衡，減少投資成本，還能提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和改善電能質(zhì)量。通過合理配置儲(chǔ)能裝置、充分利用光伏逆變器的無功調(diào)節(jié)能力，并結(jié)合統(tǒng)一電力質(zhì)量控制器等先進(jìn)設(shè)備，光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的良好融合為電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供了有力支撐[5]。

接入電網(wǎng)的光伏電源在多個(gè)方面對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生積極影響。光伏電源具備就地能量平衡的獨(dú)特優(yōu)勢，能夠在本地實(shí)現(xiàn)能量的產(chǎn)生和消耗，無須進(jìn)行長距離的電能傳輸，因而避免了遠(yuǎn)距離傳輸所帶來的較大投資和能源損失。通過合理配置儲(chǔ)能裝置和充分利用光伏逆變器的無功調(diào)節(jié)能力，可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)與統(tǒng)一電力質(zhì)量控制器（UPQC）等先進(jìn)設(shè)備相結(jié)合，UPQC 能夠監(jiān)測和控制電網(wǎng)的電壓、頻率和諧波等電能質(zhì)量問題，提高了電網(wǎng)的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性。

通過與UPQC 的結(jié)合，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的交互作用，進(jìn)而有效降低了對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的投資需求，這種整合不僅提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，還能進(jìn)一步改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，為用戶提供更加穩(wěn)定、更加可靠的電力供應(yīng)[6]。

2.2.2 負(fù)面影響

光伏電源的引入在某些方面對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生了負(fù)面影響，傳統(tǒng)的單向電流被改變?yōu)榫哂须p向變化的電流，這導(dǎo)致了一系列的挑戰(zhàn)。光伏電源的輸出電流具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和不可調(diào)度性等特點(diǎn)，這意味著其輸出電流難以事先預(yù)測和控制。這種不確定性容易引發(fā)電網(wǎng)的電壓波動(dòng)問題，尤其是在天氣變化劇烈或光照條件不穩(wěn)定的情況下，可能導(dǎo)致電壓的快速變化，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

光伏電源的輸出特性還可能引發(fā)諧波污染問題，電源輸出的電流不斷變化，可能會(huì)產(chǎn)生頻率較高的諧波，從而對(duì)電網(wǎng)的電壓和電流波形產(chǎn)生扭曲，影響電網(wǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行，諧波污染不僅會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，還可能導(dǎo)致電力設(shè)備的過熱、損壞甚至故障，增加了電網(wǎng)維護(hù)和運(yùn)營的成本，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。

光伏電源的隨機(jī)性還可能導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)過電壓問題，當(dāng)光照強(qiáng)度突然增加時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓可能會(huì)迅速升高，超過電網(wǎng)的承受范圍，導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象。這不僅會(huì)對(duì)電網(wǎng)設(shè)備造成損壞，還會(huì)影響用戶的電器設(shè)備正常運(yùn)行，給用戶帶來不便和損失。

3 改善電網(wǎng)電力質(zhì)量技術(shù)方案

3.1 電網(wǎng)側(cè)的措施

在光伏電源規(guī)劃建設(shè)階段，應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的過載問題是至關(guān)重要的。針對(duì)電網(wǎng)的輸電線路，可以考慮進(jìn)行導(dǎo)線升級(jí)，增大導(dǎo)線的半徑以提高輸電線路的輸送能力，可以有效地降低輸電線路的電阻損耗，提升電網(wǎng)的輸電能力，從而應(yīng)對(duì)光伏電源接入后可能出現(xiàn)的過載情況。安裝動(dòng)態(tài)靜止無功補(bǔ)償器（D-STATCOM）是另一種重要的措施，D-STATCOM 能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)電網(wǎng)的無功需求變化，通過控制其輸出來實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定，能夠有效提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少電網(wǎng)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題和故障。因此，在光伏電源接入電網(wǎng)的過程中，安裝D-STATCOM 可以為電網(wǎng)提供更加靈活、可靠的無功補(bǔ)償，有助于克服光伏電源接入可能引發(fā)的電能質(zhì)量問題，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[7]。

3.2 光伏系統(tǒng)側(cè)的措施

在光伏系統(tǒng)側(cè)采取措施降低有功功率的變化具有關(guān)鍵意義。建立準(zhǔn)確的預(yù)測模型，以實(shí)時(shí)估計(jì)任何天氣情況下，電網(wǎng)可承受的最大光伏有功出力，建模需要綜合考慮氣象數(shù)據(jù)、光伏電站的技術(shù)參數(shù)以及電網(wǎng)負(fù)載情況，一種常用的方法是基于氣象數(shù)據(jù)和歷史光伏發(fā)電量建立預(yù)測模型，通過數(shù)學(xué)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)算法來預(yù)測光伏發(fā)電量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏有功出力的準(zhǔn)確估計(jì)。

針對(duì)天氣變化快速的情況，特別是在多云天氣下，光伏系統(tǒng)需要具備快速響應(yīng)的能力，可通過采用先進(jìn)的功率控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，例如采用快速響應(yīng)的光伏逆變器，可實(shí)時(shí)調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，以適應(yīng)天氣變化帶來的光照強(qiáng)度變化，結(jié)合智能控制算法，可根據(jù)實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)和電網(wǎng)負(fù)荷需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)，最大限度利用光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量，并確保光伏發(fā)電的上限可以從電網(wǎng)中吸收。

為了應(yīng)對(duì)光伏發(fā)電量的不確定性和電網(wǎng)負(fù)荷的變化，可考慮提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量和效率，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在光伏發(fā)電量波動(dòng)較大時(shí)存儲(chǔ)多余的電能，并在電網(wǎng)負(fù)荷增加或光伏發(fā)電量不足時(shí)釋放電能，以平衡電網(wǎng)的供需關(guān)系，采用高效的儲(chǔ)能設(shè)備和智能控制系統(tǒng)，能夠提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)速度和效率，有效降低光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響，維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

光伏發(fā)電帶來了積極影響，但其隨機(jī)性和波動(dòng)性也給電網(wǎng)帶來了挑戰(zhàn)，光伏發(fā)電作為清潔能源，有助于減少碳排放，降低環(huán)境污染，并可降低電網(wǎng)運(yùn)營成本。然而光伏發(fā)電受天氣等因素影響較大，其輸出不穩(wěn)定性可能引發(fā)電網(wǎng)頻繁波動(dòng)和質(zhì)量問題，因此需采取措施提高預(yù)測精度、引入儲(chǔ)能技術(shù)等以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的有效協(xié)調(diào)運(yùn)行。