光伏并网发电系统对电网的影响研究

张亮

摘 要：光伏并网发电系统是目前太阳能利用的主要形式，也是目前应对能源短缺和节能环保的重要手段。该文在介绍光伏并网发电系统类型和特点的基础上，重点阐述光伏并网发电系统对电网在电压稳定和安全等方面的影响，并探讨包括最大功率点追踪、优化逆变器结构等关键技术，并提出相应的对策。

关键词：光伏 并网 电网 影响 对策

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0009-03

随着社会的快速发展，能源危机和全球环境问题成为目前全球严重的发展问题，为了维持社会发展的可持续性，太阳能作为清洁可再生能源，就成为目前传统能源日益短缺的社会重要的替代能源，并具有低廉、可持续、环保节能特点，有着巨大的优势；光伏发电也已经成为目前城市电网供电系统不可或缺的补充和替代。据统计，目前光伏发电量在总发电量中的比重正在快速增长，并占据越来越重要的地位。

但由于在大容量光伏发电站运行特征、控制策略以及光伏发电系统并网之后对总电网的影响和应对策略方面的研究不是特别深入，光伏发电系统的发展受到了一定的阻碍，这其中光伏并网发电系统对电网的影响是一个亟需解决的问题。该文将在介绍光伏并网发电系统的基本特点的基础上，对光伏并网发电系统并网后对电网的影响进行阐述和探讨。

1 光伏并网发电系统的分类和特点

1.1 光伏并网发电系统的分类

光伏并网发电系统按照系统的规模和击中程度，可分为分布式光伏并网发电系统和集中式光伏发电系统：

分布式光伏并网发电系统也称之为户用型光伏并网发电系统，其主要特征是与用户建筑物结合形成屋顶式光伏系统，将太阳能电池放置于建筑物顶部，将白天不用的电量通过逆变器售给电力公司，当需要用电时在向电力公司购回。

而集中式光伏并网发电系统是一种光伏发电站系统，即在光照资源充足的地区集中建立光伏并网电站系统，集中发电并直接汇入电网；这种类型的光伏并网发电系统受到地域限制，不能够最大限度地利用太阳能。

另外，按照并网逆变器的拓扑结构类型，可将光伏并网发电系统分为3种类型：单级式并网系统、两级式并网系统和3级式并网系统；这3种类型分别以一个功率变换环节，DC/AC逆变环节和3个或3个以上功率变换环节为特点。

1.2 光伏并网发电系统的特点

由于光伏并网发电系统的工作原理是基于半导体的光生伏打效应将太阳能直接转换成电能，然后通过逆变器将光伏电池阵列发出的直流电转化为符合要求的交流电，并通过变压器接入电网[6]。

由于受到白天夜晚，以及不同天气、地域以及时间的影响，光伏并网发电系统具有不同于普通火电、水电发电系统的独特性：

1.2.1 随机波动性

由于发电系统所处的环境温度、天气条件以及太阳能光照强度等因素的影响，使得光伏发电具有明显的随机波动性，随着光照条件、强度以及天气的变化，光伏发电系统的输出功率呈随机波动的特点。

1.2.2 纯有功功率性

目前将光伏发电的输出电并网至电网的主要方法是逆变器，其控制方式是输入电压源，输出电流源，即电压源电流控制方式；这种方式通过控制输出电流跟踪网点电压进行并网。输出功率因数近1，几乎为纯有功功率输出。

1.2.3 孤岛保护负荷相关性

孤岛效应可以通过抗孤岛设备监测出来，目前的发电现状，光伏发电容量在电网中比重较小，监测准确度较高，但随着光伏并网发电系统的发展，光伏发电容量也在逐步提高，这就使得孤岛效应监测的时间增长，有可能和失败而导致电网故障。

同时，由于分布式光伏并网发电系统和集中式光伏并网发电系统类型的不同，其有着各自独特性：对于分布式光伏并网发电系统，其接入电网一般为低压配电网（0.4 kV），由于其户用式分布，所以还可以与风能发电等新能源一起形成微网并接入电网；而对于集中式光伏并网发电系统，由于其发电站式集中分布，所以可以更容易的进行电压和无功调节，因而更容易接入电网，接入电网以高压（10 kV）为主，但也是由于集中分布于远离城市的光照充足的区域，使得输电距离更远，容易形成干扰，并使得电路老化和损耗，二次设备成本较高。

2 光伏并网对电网的影响及对策

2.1 影响

由于光伏发电的原理和特点使得其必然与传统电网有着很大差异，这种差异是光伏发电系统并网对电网产生影响的主要因素，该文将针对光伏并网发电系统的特点讨论其并网后对电网的影响。

2.1.1 随机波动—— 电网系统电压

由于光伏发电输出几乎为纯有功功率，因此并网后光伏并网发电系统只会对电网的有功网络有积极的影响，而对网络的无功分布不会产生影响；另外，光伏发电的实际输出功率受自然环境的影响，白天和夜晚不同，晴天和阴天不同，高原地区和平原地区不同，更会发生输出功率突变的情况，这种随机波动必然会影响电网的电压稳定性和电网系统的潮流稳定性。

这一点对于分布式光伏并网发电系统，由于分散分布，系统的复杂性就相应提高，并会影响配电网的潮流方向；而对于集中式光伏并网发电系统，由于其地域偏远，输电线路长，则需要进行升压处理，这就需要二次设备进行调节，另外还需要进行无功调节使得纯有功功率具有一定的无功调节能力。

2.1.2 直流逆变—— 谐波污染

由于光伏发电是将太阳能直接转换成电能输出直流电，为了并入电网则需要通过逆变器将直流电转换为与电网频率、相位相同的正弦波电流，然后并入电网；在逆变过程中会产生大量的谐波，而引起在并网过程中相位锁定变换困难、破坏功率平衡以及增加损耗，这称之为谐波污染。

2.1.3 孤岛效应问题

孤岛效应是光伏并网发电系统在并入电网后极易发生的一种现象，当电网系统发生故障时，光伏并网发电系统仍继续向电网供电，使得电力系统自身无法掌握，这种效应称之为孤岛效应。孤岛效应会对用户、配电网等造成严重的损害，包括对人身安全的危害、用电设备的危害、重新并网相位不同步等。

2.1.4 其他影响

除了上述与光伏并网发电系统的自身特点相关的影响之外，光伏发电系统并网还会产生其他的影响：（1）对电网可靠性影响；（2）对配电网继电保护的影响；（3）对并网变压器的影响；（4）对配电网规划设计的影响等。

2.2 关键技术和对策

对于以上光伏并网发电系统并网后对电网系统影响，一些并网关键技术和对策的应用将会减少光伏并网发电系统对传统电网系统的影响，使之更有效地补充和支持电网系统。

2.2.1 关键技术

为了消除光伏并网发电系统并网后对电网系统的影响，包括最大功率跟踪技术、孤岛检测技术、井网逆变器控制技术以及逆变器结构优化技术等关键技术的发展对光伏发电系统并网稳定安全运行提供了保障。

由于光伏阵列输出功率受到环境的影响较大，只有在某一个输出电压时系统输出功率才会最大，最大功率跟踪方法即是跟踪最大功率点，通过定电压跟踪法、扰动观察法和电导增量法等最大功率点跟踪算法进行跟踪，使得光伏阵列可以持续获得最大输出功率。

而孤岛检测技术是防止孤岛现象发生的关键技术，防止系统处于孤岛运行状态而对电网和用户造成严重危害，保护系统的稳定和人员的人身安全。目前通用的孤岛检测技术分为主动式和被动式两种，主动式监测是通过控制逆变器主动制造正常监测不到的扰动，当发生故障时，扰动快速增加并被检测出来；而被动式监测技术是监测逆变器电压、相位、频率在故障时的波动从而监测孤岛效应。

另外随着处理器技术的发展，对电网整体跟踪已经成为电网稳定控制的关键技术，利用微处理器技术，对数字信号进行处理，通过神经网络技术等时时监测和控制整个电网。

优化逆变器拓扑结构，包括主从连接结构、队列连接结构等，扩展多个逆变器，提高逆变器效率进而提高整个系统的效率。

2.2.2 对策

为了使光伏并网发电系统更加稳定安全的并入到电网中，为电网系统提供优质的补充和后备，需要从多方面研究对策和技术。

要加强光伏并网发电系统的仿真实验研究。要基于目前典型的实际案例，对光伏发电系统进行研究实验和验证环境，利用先进的仿真技术，结合光伏发电系统特点，搭建仿真实验环境，进行建模研究、仿真对比，在设计阶段进行优化。

另外要加强光伏并网发电系统与电网互相作用的机理研究，两者之间复杂的相互作用对并网的稳定性有着特别的影响，要揭示出两者作用的本质，发展理论；在此基础上，大力发展和应用关键技术和创新技术，开发光伏并网发电系统的电网运行控制理论技术和装备。

建立健全光伏并网发电系统接入电网的相关技术标准和规范是系统安全设计和运行的保障。

3 结语

能源短缺和节能环保的问题促使光伏发电系统的快速发展，光伏发电系统并入公共电网也是势在必行。光伏并网发电系统分为分布式和集中式两种类型，且具有随机波动性、纯有功功率输出、孤岛效应等特点，同时这些特点也会相应对电网系统的电压、功率平衡、孤岛保护以及系统安全等方面产生影响，甚至造成严重的系统、设备甚至人身安全问题。针对这样的影响和问题，需要在建立健全相关技术标准和规范的情况下，加强基础理论的研究，结合先进关键性技术，保障光伏并网发电系统并网的稳定和安全，充分发挥可再生能源的优势，保证社会的可持续发展。

参考文献

[1] 王长贵.并网光伏发电系统综述（上）[J].太阳能，2008（2）：14-17.