光伏发电系统的并网技术及其对电力系统的影响研究

庞金龙，孙记忠，张太亮

（1.山东新能电力科技有限公司，山东 济南 250000；2.山东尚禾电力工程咨询有限公司，山东 济南 250000）

0 引 言

随着全球能源结构的调整与清洁能源的崛起，光伏发电技术因其可再生、低碳的特点逐渐成为电力系统中的重要组成部分。光伏发电系统的不稳定性和间歇性给电力系统的运行带来了一系列挑战。随着技术的不断发展，光伏发电系统的规模逐渐扩大，在电力系统中的渗透率显著提升。同时，光伏发电系统的大规模接入带来了一系列新的技术问题与运行问题[1]。电力系统必须适应光伏发电系统的波动性，确保在不同天气条件下仍能保持稳定的运行状态。在过去的研究中，虽然已经有一些关于光伏发电系统的并网技术和影响的研究，但是在不同场景下的并网技术的适用性和光伏发电系统对电力系统运行的具体影响程度尚未深入研究。因此，研究光伏发电系统的并网技术，深刻理解其对电力系统的影响，具有重要的理论与实践意义。

1 光伏发电系统的并网技术

集中式并网主要适用于国有大型发电站，通常位于我国西北的荒漠地带，地理位置优越，阳光资源丰富，但距离主要负荷点较远。集中式并网的核心是将光伏发电站产生的直流电经过逆变器转换为交流电后，直接接入电网。但是，与电网电力单向交换，即只能向电网输送电能，而不能从电网吸收电能。

分布式并网适用于小规模的光伏发电系统。该方式下的光伏发电系统产生的电能可以直接分配到用电负载上。如果电力有多余，可以通过电网卖给其他用户；如果电力不足，则可以从电网购买。与电网的电力双向交换，更加灵活。分布式并网通常适用于小规模的光伏发电系统，如城乡屋顶光伏和光伏建筑一体化等。这种方式的投资小、建设周期短、占地面积小，并且得到了政府政策的大力支持，因此在近年来得到了快速发展[2]。

集中式并网在大型发电站中能够实现较高的能源利用效率，而分布式并网则更侧重于就近供电和能源的综合利用。分布式并网能够与电网进行双向电力交换，当电网出现故障时可以孤岛运行，继续为关键负载供电，在供电可靠性方面具有一定优势。

2 光伏发电系统对电力系统的影响研究

2.1 光伏发电系统对电力系统性能的影响因素

光伏发电系统对电力系统性能的影响因素较多，其中光照条件是至关重要的因素。不同光照强度和角度直接影响光伏板的光吸收效率，而季节性和日变化导致光照的波动性，直接映射在系统的电流和电压输出上。温度对光伏板的影响也不可忽视。高温度下光伏板的导电性能降低，影响电流输出[3]。因此，综合考虑光照和温度的变化，精准调控系统发电性能成为优化光伏系统运行的重要手段。

在组件质量和设计方面，组件的损耗率和使用寿命直接取决于制造工艺和所选用的材料。优质材料和制造工艺可以提高组件的光电转换效率、抗老化能力和长期稳定性，确保系统长期高效运行。对光伏组件的深入研究有助于制定更高标准的组件生产和检测标准，提高系统的整体性能。

电池组配置包括电池组数量、每组电池数、电池容量等配置。需要根据电池解决方案的要求设置电池数量、每个电池组中的电池数以及电池的额定容量，还需要根据能源需求和系统设计确定电池组的容量。在设计锂离子电池组时，对于圆柱形电池组，配置涉及电芯检测、电池自动贴面垫安装、锂电池镍片焊接或带板焊接、电池组综合测试等步骤。因为同一规格型号的单体电池组成电池组后可能存在电压、容量、内阻、寿命等参数的差异，所以在配置电池组时应综合考虑这些因素以确保电池组的性能。

2.2 光伏发电系统对电力系统稳定性的影响

光伏发电系统对电力系统稳定性的影响主要表现在频率和电压2 个方面，这涉及光伏系统的电流输出特性和并网技术的复杂调控机制。光伏系统的间歇性发电特性对电力系统频率造成的挑战不可忽视。由于天气变化和光照条件不断变化，光伏系统的电流输出存在波动，直接由电力系统的频率体现。在光伏系统大规模接入的情况下，系统频率的瞬时波动性增加，尤其是在日出和日落时光伏系统发电较为集中的情况下，频率的不稳定性显著上升[4]。这要求电力系统能够实时响应并调整频率，以维持整个系统的频率在合适的范围内。光伏电池组的输出受光照强度、温度等因素的影响，其输出功率会发生变化。当光伏电池组大规模接入电力系统时，会对系统的电压稳定性产生影响。尤其是在光照强度快速变化时，光伏电池组的输出功率也会快速变化，使得电力系统的电压出现剧烈波动，影响系统稳定性。

光伏系统的并网对电力系统电压稳定性提出了更高的要求。光伏系统的电压输出受光照强度和温度等因素的影响，因此存在一定的波动性。在电力系统负荷发生快速变化时，光伏系统的电压输出波动可能导致电力系统的电压瞬时变化。这对于电力系统的设备和用户连接设备都构成一定的挑战，这是因为电压的不稳定性可能引起设备损坏或不正常运行。

2.3 光伏发电系统对电力系统稳定性的影响程度分析

为定量评估光伏发电系统对电力系统稳定性的影响程度，进行了一系列模拟实验和数据分析。根据不同情景模拟得到的具体数据,光伏系统对电力系统频率的影响如表1 所示，光伏系统对电力系统电压的影响如表2 所示。

表1 光伏系统对电力系统频率的影响 单位：Hz

表2 光伏系统对电力系统电压的影响 单位：kV

表1和表2的数据清晰展示了在光伏系统接入后，电力系统频率和电压的变化情况。频率方面，光伏系统引入的波动范围在0.05 Hz 以内，主要集中在频率略微下降的部分。电压方面，光伏系统接入后，电压波动范围在0.2 kV 以内，对电力系统的电压稳定性影响相对较小。这些具体的定量数据为深入理解光伏系统对电力系统稳定性的影响提供了依据。

3 优化措施

在频率控制方面，引入先进的智能化调频装置。通过实时监测电力系统频率变化，智能调频装置能够快速响应，并采取有效措施将系统频率维持在合理范围内。结合光伏系统的预测模型，实现对未来光照条件的精准预测，为频率调节提供更准确的信息。这一优化措施有效缓解了光伏系统引入的频率波动，提高了电力系统对光伏发电特性的适应性。

在电压控制方面，采用先进的电力电子装置和调控策略对光伏系统电压进行精细调节必不可少。引入高性能逆变器和电压调节器，实现对光伏系统输出电压的实时监测和调整。特别是在电力系统负荷变化较大的情况下，通过电压调节装置迅速响应，确保电力系统的电压稳定输出[5]。采用电压平衡器技术，通过优化电力系统的拓扑结构，降低系统内部电压波动。这一系列优化措施显著提升了电力系统对光伏系统电压波动的调节能力，保障了电力系统的稳定性。

在光伏系统接入电力系统的故障处理方面，引入智能型的故障恢复策略是提高系统安全性的有效途径。智能系统实时监测光伏系统，能够迅速判断故障类型，并采取相应的恢复措施。在故障恢复时，通过优化电力系统的切换逻辑，实现光伏系统的迅速脱离和重新接入，最大限度地减小故障对电力系统稳定性的影响。

4 结 论

文章通过翔实的实验数据和深入的技术性分析，揭示了光伏发电系统对电力系统稳定性的复杂影响机制。在光伏系统发电性能的影响因素方面，天气条件、组件质量和设计、电池组配置等因素被深入剖析，为光伏系统的优化设计提供了具体的指导。在光伏发电系统对电力系统稳定性的影响方面，通过模拟实验和数据分析，量化展示了频率和电压方面的实际影响程度，提出了智能化频率调节、电力电子装置优化和智能型故障处理等技术性的优化措施。这些措施不仅有效降低了光伏系统对电力系统的负面影响，更为实现光伏系统与电力系统的协同运行提供了切实可行的技术路径。