光伏并网发电系统对电网的影响研究综述

2016-08-04叶文锋

大科技 2016年20期

关键词：发电量孤岛输出功率

叶文锋

（广东电网东莞樟木头供电分局广东广州 523633）

光伏并网发电系统对电网的影响研究综述

叶文锋

（广东电网东莞樟木头供电分局广东广州 523633）

光伏并网发电系统就是太阳能直接转变成为直流电并经过电网逆变器，转变为能达到使用要求的交流电之后并入总电网，所以光伏并网发电系统又称太阳能并网发电系统。光伏并网发电是一种可再生的能源，可以替代石油、天然气及煤矿等不可再生资源，因以，光伏并网发电以成为城市电网供电系统中不可或缺的部分。本文主要依据光伏并网发电系统的特点及种类，阐述了该系统对电网主要影响，并提出个人看法，望能为读者提供参考。

光伏并网；发电系统；电网；影响

近几年全球的能源危机及环境恶化日益严重，为维持社会的可持续发展，太阳能作为清洁且可再生能源，替代了日益短缺的不可再生资源。太阳能光伏发电则是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料将光能转化为可用电能，并具有可持续、节能环保、低成本等特点。我国目前的光伏发电量在发电总量占据比重日益加大。但是由于在光伏发电站的运行局限、光伏发电系统并网之后对总电网造成了影响，且目前的解决方法只能减少此类影响，并不能彻底解决，限制了光伏发电的发展与应用。

1 光伏并网发电系统概述

1.1 光伏并网发电系统的运用特征

因为光伏并网发电系统是利用太阳能电池组件中的半导体吸收光子而产生电动势（这种转变过程称为光生伏打效应，一般发生在半导体界面上），然后通过逆变器将电池中的直流电转化为频率、相位相同的正弦交流电再通过变压器并入总电网。但这种发电方式受到太阳运行规律、地域及季节变换的影响，光伏并网发电系统具备以下特点：

1.1.1 输出电压的随波性

光伏并网发电系统是将太阳能转化为电能，所以转化电量要受到电网架设的地势、气候变化及日照强度等因素的影响，遂使得光伏并网发电系统的输出功率波幅不定，脉冲电压功率变化不稳定。

1.1.2 输出零损耗

在光伏发电系统与总电网并接的方式是通过变电器连接并网，在变电器将太阳能转化的直流电时，采用电流控制电压源的方式，即通过控制输入电流，控制各网点输出电压，促使光伏并网发电系统与总电网系统顺利并网。这种控制方式的输出电压功率因数几趋近于1，几近纯有功功率输出。

1.1.3 孤岛效应保护

所谓孤岛效应是指光伏并网发电系统并入电网的发电装置，在电网整体断电的情况下，光伏并网发电系统仍然向电网输入电量。目前我国的光伏发电量在总发电量中占据比重较小，所以可以通过系统中的孤岛保护设备监测出来。但随着光伏发电量的比重增加，孤岛保护设备对孤岛效应的监测出现问题而导致电网出现故障，引起安全事故的发生。

1.2 光伏并网发电系统的类型

（1）集中式光伏并网发电系统。该系统作为光伏发电的一种，需要在日照强度及时限充足的区域集中建立光伏并网发电站系统，让系统集中发电后直接输送到总电网中。集中式光伏并网发电系统的优势在于可以有效将太阳能转换为电能，所发电量的电压及无功率可以集中处理，接入总电网也更容易。但因接入的总电网是为10kV的高压电，也由于这种类型的的发电系统的建立使用受到了地域的限制，需要建立在远离城市的日照充足的地区，让系统输电的距离变得更远，容易受到磁场、雷击等干扰，输电电路容易老化损耗，后期维护的成本变高。

（2）分布式光伏并网发电系统。这一系统也被称为屋顶光伏并网发电系统，这类型的发电系统是与用户的居住建筑相结合，将太阳能电池建立在住户的屋顶上，形成屋顶式光伏发电系统，在日照时将太阳能转化为电量，再通过逆变器转售到电力公司，用户需要用电时可进行回购。这种方式发电量较小，接入电网电压一般为0.4kV的低压配电网，在日照强度良好的情况下（多为夏季和秋季或在日照时间较长的地域）屋顶光伏发电并网系统可进行发电，将所发电量进行存储以供用户生活用电。但在日照时间短或强度不高的情况下，此类型的发电系统发电量较少或无法发电。又因是用户发电，是以可以并入风能等新能源发电。

（3）屋顶光伏发电的应用

图1 屋顶光伏发电系统的结构图

如图1所示，是居民屋顶光伏发电系统的结构，此系统是作为0.4kV的低压发电系统，在太阳板将太阳能转化为直流电量后，光伏组件的输出电流经汇流箱-并网柜-逆变器后，直接作为电源的驱动负荷或有并网输送到总电网系统中，亦可切换到外部三相电网中，实现小型的光伏并网系统的运行。当然为了保证系统的可靠运行，还需要综合设计防雷系统、保护系统及测控等配套设施等。

以上两种光伏并网发电系统是以其系统规模所分，发电系统还可以按照并网的逆变器拓扑结构分为单级式并网系统、两级式并网系统及三级式并网系统三种。这三种类型分别以一个功率变换点，交流直流逆变端和三个或三个以上的功率变换环节为特点。

2 光伏并网发电系统对电网的影响及解决办法

2.1 光伏并网发电系统对电网构成的影响

光伏并网发电系统作为新型发电系统，由于系统的工作运行原理及自身特殊性会与传统的水能发电及火力发电有很大差异，这种差异对光伏发电系统并入总电网的过程产生影响，本文针对光伏并网发电系统的特点进行探讨。

2.1.1 电网电压不稳定

因为光伏发电输出的有功功率几近理想值，是以在光伏发电并网后，发电系统只对电网中的有功分布有影响，对无功网络不会产生影响。在实际的光伏发电输出中，输出功率是会受到输送的距离、自然环境、地域（高原和平地）晴雨天或日夜的影响而不同的，环境的巨大差异会影响发电输出功率的突然变化，这样的波动必然会影响电网的输出电压的稳定性和电网系统的潮流性（电网中电功率的实时分配、分布、走向等情况）。这种随波性对于分布式光伏并网发电系统来说影响较大，因此类型发电是分散的，为了保证输出电压，系统自身的结构复杂，对电网的潮流稳定影响较大。但对于集中式光伏并网发电系统则不然，因这种光伏发电系统常建立于偏远地区，输电距离较远，在输电之前会对其做升压处理及无功调节，使得输出电压的纯有功功率有一定的无功调节能力。保证输送电压稳定，所以这种方式的光伏发电输出电压较为稳定。

2.1.2 DC/AC逆变损耗

光伏发电是将太阳能直接转化为DC（直流电能）输出，为并入电网系统就需要利用逆变器将转化直流电能变为与电网同频、同相位的AC（正弦波电流即交流电）再并入电网系统中。在DC/AC的逆变过程中，因为非线性负荷的存在，流经的电流和施加的电压不存在线性关系的负载时，就产生了非正弦电流，周期性的波形被分化成为为一个基频正弦波及大量谐波。从而引起并网过程中相位锁定变换波动，破坏了功率的稳定，增加了电流损耗。

2.1.3 孤岛危害

孤岛效应的发生在光伏并网发电系统并入总电网后极易发生。当总电网系统发生故障，光伏并网发电系统仍继续供电，导致电力系统无法支撑消化所供应电能，对配电网、设备、用户造成严重的损害，甚至造成并网相位不同步或人身伤害等。

2.2 解决办法的探究

以上所述的光伏并网发电系统并网后对电网造成的影响，一些并网的技术会相应减少影响。消除光伏并网发电系统对并入电网影响的主要方法有：大功率输出跟踪技术、孤岛监测技术、逆变器优化技术。这些技术能帮助降低并网的随波，提升输出功率的稳定。

（1）大功率输出跟踪技术。对于该技术而言，光伏发电的输出功率受到环境的影响较大，要保证系统输出功率最大，就需要使输出电压达到最大。最大功率跟踪技术就是对最大电压跟踪，经过电导量法等跟踪算法进行计算，保证光伏输出功率可持续输出最大。

（2）孤岛监测技术。要防止光伏并网发电系统并入电网后出现孤岛效应，从而造成电网及用户的严重危害，可采用这一技术对电网进行监测。此技术分为两种形式，一种为被动式一种为主动式。被动式孤岛检测技术是通过监测电网故障时逆变器的电压、相位、频率变化从而检测存在的孤岛效应。而主动式孤岛监测则是在控制逆变器时为逆变器制造故障扰动，正常情况下监测不到，当电网发生故障时，扰动活跃度加大而被检测出来，进而对电网孤岛效应进行维护。

（3）逆变器优化技术。逆变器拓扑结构的优化包括对逆变器的连接、电网系统中逆变器的排列以及扩展多个逆变器等，充分提高逆变器的工作效率，进而提高整个电网系统的输出功率。