大容量光伏发电关键技术及对并网的影响

2017-03-06要金磊

电子技术与软件工程 2017年1期

光伏发电主要是利用并网逆变器将太阳能电池组件产生的直流电转变成可以满足电网使用的交流电并入到公共电网中。本文以光伏并网发电系统作为主要研究目标，对光伏发电关键技术进行了分析，然后对大容量光伏发电对并网的影响进行了探讨。

【关键词】大容量光伏发电光伏电站光伏设备

当前，我国大多数的大型并网光伏还处于试运行阶段，还没有统一的接入标准和设计规范，对并网光伏系统的规范化生产以及光伏电站的规范化管理都有一定的影响。另外，由于光伏电站的规划建设没有充分考虑对电网交互产生的影响，大容量光伏并网系统对电力系统的稳定性和安全性也有了更高的要求。大容量光伏电站在运行过程中需要认真分析光伏发电对电网稳定性造成的影响，为了促进大容量并网光伏发电的开展，除了要升级逆变器以外，还要更加深入的研究大容量光伏发电对电网稳定性、安全性造成的影响。

1 大容量光伏并发发电的基本原理及特点

1.1 发电的基本原理

太阳能光伏发电是以光伏效应为基础，通过使用太阳能电池板对光子产生的电动势进行吸收和利用达到发电的目的。太阳能光伏阵列产生的直流电利用电子转换装置进行转换成可以满足电网使用的交流电后直接利用变压器接入到电网中。而大容量光伏电站一般都达到了兆瓦级别，通过利用集群控制方案来实现逆变器并联运行，并利用特定的中央控制中心对光伏电站的各个子系统进行指挥和写作，运行情况不同，变压器和逆变器的投运方案也不一致，可以有效解决日照率比较低的情况下变换效率问题，提升系统的可靠性，如图1所示。大容量光伏发电集群控制方案是使用多个逆变器共用光伏阵列直流母线排，根据光照情况，投入相应数量的逆变器，进而解决日照率低时变换效率方面的问题，而且由于逆变器是替换工作的，当某台逆变器进行检修或者出现故障后不会对整个系统造成影响。

1.2 大容量光伏发电的特点

太阳能作为可再生资源，受太阳光照、环境温度、天气因素的影响，太阳能光伏发电具有比较大的波动性，光伏发电并网逆变器容易产生三相电流不平衡、谐波、输出功率不确定性等，很容易导致电网电压出现闪变或波动，因此要为电网配置相应的质量治理装置。另外，电网质量不稳定会导致电压隆起、电压凹陷等情况，这些情况也会对变换器的正常运行造成影响。大量光伏电源连入到电网后，需要安装保护装置和自动化装置，而对于光伏电源造成的非常孤岛问题需要按照反孤岛保护设备。

集中式和分布式作为大容量光伏并网的主要发展方向，其中分布式太阳能光伏电站主要是就近对用户的相关问题进行解决，并利用并网达到供电差额的外送和补偿，可以降低电路损耗。通过微电网和智能电网的有效连接，在运行条件下可以单独运行，但是这种方式配电网潮流方向会随时变化，逆潮流会使所有的保护都重新进行设定，无功调节和电压调节难度增加，对通讯和二次设备也有了更高的要求，系统也更加的复杂化。

而集中式光伏电站主要是对一些比较稳定的太阳能资源进行利用，将产生的电能连入到高压输系统并进行远距离负荷的供应。光伏电站的控制灵活性和稳定性好，更容易调整电网频率，运行过程中不需要燃煤运输、水源等资源，具有比较强的环境适应能力，运行成本低，扩容方便；但是这种方式需要依靠长距离的输电线路送入到电网中会出现电压跌落、电能损耗、无功补偿等问题。同时由于大容量光伏电站需要利用多个变换装置进行组合后实现的，需要统一对设备进行管理，对技术要求比较高。

2 大容量光伏发电关键技术

2.1 大容量光伏设备的关键技术

电网和光伏电站主要是利用逆变器联通的，因此要求逆变器具有可拓展通信功能、可以对无功和有功进行控制、可以降低有功变化率、实现谐波补偿等，技术上要求逆变器具电压等级更高、单体容量更大、电能输出质量更稳定、抗干扰能力更强，并具有可以达到智能电网要求的网源互动技术。在进行并网控制的过程中需要电网电压信号锁定技术更加的精确、快速，可以防止大功率并网时不对称运行情况下和电压采样波动情况下精确锁相。孤岛检测技术要求具有更好的抗干扰能力。集中式光伏电站要在变换器控制的基础上实现低电压穿越，孤岛指令和检测利用输变电系统级别能量进行管理实现；分布式光伏电站要通过控制达到孤岛检测的目的，利用基于配电网的能力管理系统来发出低电压穿越信号指令。

另外，大容量多级协作对群控技术依赖程度比较高，同时需要解决大面积组件增加、群控硬件成本增加、MPPT并联所产生的額外串并联损耗问题；对分布式系统进行电网调度时还需要在管理系统的基础上实现多机协作、实时通信。

2.2 光伏电站关键技术

一般情况下，在有功输出方面要求光伏并网发电可以发出更多的电能，因此如何实现最大功率点的跟踪是一项比较重要的技术。由于最大功率点跟踪对跟踪的准确性、快速性和稳定性要求比较高，常用的电导增量法、干扰观测法、恒定电压法等还无法实现有功输出的可调节性，有功调节技术必须要利用储能设备来实现。但是由于储能设备容量比较小，并且价格昂贵，不能做到实时补偿，储能作用也受到了比较大的影响。此外，由于储能需要花费时间，无法达到实时补偿的目的，在一定程度上对储能作用造成了限制。

光伏发电和风电接入一样，当光伏装机容量增加后，系统的稳定性也会受到影响。实践证明，当系统因短路导致电压跌落后，可再生能源发电机会持续和电网连接，可以帮助电网恢复，而将一个Buck电路接入到变换器直流母排，可以对功率进行消耗并防止直流母排电压过大。如果直流母排电压变大，光伏阵列出力会随之降低，可以更好的实现低电压穿越。

3 大容量光伏发电对并网的影响

3.1 对电网运行造成的影响

（1）光伏电站电压控制可以帮助系统实现电压；

（2）光伏发电提供的系统惯量比较小，而系统惯量的减少程度会对高比重光伏的稳定性造成影响；

（3）接纳方式方面，停运常规机组的危险性更大，大机组的停运会使系统惯量减少并进一步破坏系统的稳定性。为了提高系统协作灵活性需要常规机组增设旋转备用。

（4）低压电穿越功能会改善电网回复特性；

（5）光伏有助于调節系统向上偏移；

因此，接入大容量光伏发电的电网要严格按照规定要求进行运行，并充分利用发电预测技术、天气预报技术以及能源调度平台对运行进行控制，如图2所示。

3.2 对配电网造成的影响

（1）电压调节的影响。光伏渗透率达到一定值后出力特征会产生变化，馈线潮流也会随之产生变化，甚至还会有一些逆潮流进入到输电网中会对馈线电压调节设备的运行造成影响。而出现潮流到送的情况是变电站和光伏电源之间会产生一个电压降的变化，此时可以通过对变压器的调压开关进行调节后修正。

（2）保护整定和短路电流。光伏逆变器主要是用于控制电流源的，如果有短路故障出现需要立即切除保护逆变器，所以常规机组逆变器短路电流并不会影响电网的稳定性。二次保护整定主要是因为和变压器连接的逆变器会产生接地回路，另外潮流的变化对导致电压分布发生变化，对零序电流造成影响。

（3）产生接地电源，由于变压器连接的方法不同，变压器和逆变器之间有可能会产生接地回路，会对零序电流造成影响。此外，当单相接地出现故障后会导致末短路相的对地电压。