光伏并网系统中新能源电力质量调节技术与方案探讨

国网山东省电力公司宁津县供电公司 温艳洁 仝 伟

随着能源需求的不断增长和环境保护意识的提高，新能源技术在电力系统中的应用逐渐受到重视。光伏发电作为一种清洁、可再生的能源形式，其在电力生产中的地位日益重要，光伏发电系统的联网运行具有诸多优势，其中之一便是其在大型电网事故时，可提供安全稳定的备用电源。本文旨在探讨光伏并网系统中新能源电力质量调节技术与方案，以期为推动新能源在电力系统中的更广泛应用提供理论和实践的支持。

1 光伏发电技术概述

1.1 光伏基本工作原理

光伏效应是一种光电转换现象，其基本工作原理是利用半导体材料的光电特性，将光能转化为电能。在典型的光伏器件中，通常采用p-n 结构的半导体，当光子能量高于半导体的带隙能量时，光子被吸收并提供足够能量，以激发价带中的电子跃迁到导带，同时在价带中留下一个电子空穴对，转换过程中需要光子能量大于或等于半导体带隙能量，才能发生有效的光电转换[1]。

在p-n 结构中，由于p 区和n 区之间存在内建电场，在光照条件下，激发的自由载流子将受到电场的作用而分离，电子向n 区移动，而空穴则向p 区移动。这样就在p-n 结构中形成了一个电势差，即电压。通过连接外部电路，这个电压将驱动自由载流子在外部电路中形成电流，从而完成光能到电能的转换。对于光伏电池的材料选择和设计，关键在于选择合适的半导体材料和调控p-n结构的参数，最大限度地提高光伏效率，还需要考虑光伏器件的光吸收特性、载流子传输效率以及接触电阻等因素，以确保光伏器件具有良好的性能和稳定性。

光伏电站由多个光伏电池组成，而光伏电池的基本单元是p-n 连接。每个p-n 连接产生的额定电压通常约为0.48V，根据光照条件和温度的变化，实际电压可能会有所波动。光伏电池被安装在光伏组件中，组成光伏阵列，以便将光能转化为电能。光伏电站通常还包括支撑结构、电气设备（如配电箱、变压器等）、监控系统和连接电缆等辅助设备，以确保光伏电站的安全运行和有效管理[2]（如图1所示）。

图1 光伏电站组成

1.2 光伏并网原则

光伏发电系统的并网设计中，原则上应考虑不同电源的容量、类型和重叠影响，最大限度优化系统性能，确定相关的并网点是必要的，应尽量减少并网点的数量，通过合理规划并网点的位置和布局，可以有效地降低系统建设成本和运行成本，并提高系统的可靠性和稳定性[3]。光伏发电系统在并网运行过程中，除了有功输出外，还需要具备无功控制的功能。有功控制用于调节光伏发电系统的发电功率，以适应电网的负荷需求和运行状态，而无功控制则用于调节系统的功率因数，维持电网的电压和频率稳定。

2 光伏系统典型结构及其对电网的影响

2.1 光伏系统典型结构

光伏系统典型结构包括光伏阵列、两级储能系统和逆变器。本文选择了两级光伏发电拓扑结构，其中光伏阵列是核心部分，将太阳能转化为直流电能。混合储能系统作为关键组成部分，相比单级储能系统具有更多技术优势，第一级电池储能系统存储光伏阵列产生的电能，第二级储能系统如超级电容器，或储热系统则提供更快的响应速度和更长的持续输出时间，逆变器则负责将直流电能转换为交流电能，并实现对系统的监测和控制，包括功率调节和无功控制等功能，以确保光伏系统的安全稳定运行[4]（如图2所示）。

图2 光伏并网系统拓扑结构

2.2 光伏电源对电网电能质量的影响（见表1）

表1 光伏电源接入电网正面和负面影响表

2.2.1 正面影响

光伏电源作为一种清洁、可再生的能源形式，其接入电网不仅能够实现就地能量平衡，减少投资成本，还能提高电网的稳定性和改善电能质量。通过合理配置储能装置、充分利用光伏逆变器的无功调节能力，并结合统一电力质量控制器等先进设备，光伏发电系统与电网之间的良好融合为电力系统的可持续发展提供了有力支撑[5]。

接入电网的光伏电源在多个方面对电力系统产生积极影响。光伏电源具备就地能量平衡的独特优势，能够在本地实现能量的产生和消耗，无须进行长距离的电能传输，因而避免了远距离传输所带来的较大投资和能源损失。通过合理配置储能装置和充分利用光伏逆变器的无功调节能力，可以将光伏发电系统与统一电力质量控制器（UPQC）等先进设备相结合，UPQC 能够监测和控制电网的电压、频率和谐波等电能质量问题，提高了电网的供电质量和稳定性。

通过与UPQC 的结合，光伏发电系统能够更好地适应电网的运行状态，优化光伏发电系统与电网之间的交互作用，进而有效降低了对发电系统的投资需求，这种整合不仅提高了光伏发电系统的经济效益，还能进一步改善电网的电能质量，为用户提供更加稳定、更加可靠的电力供应[6]。

2.2.2 负面影响

光伏电源的引入在某些方面对电网的电能质量产生了负面影响，传统的单向电流被改变为具有双向变化的电流，这导致了一系列的挑战。光伏电源的输出电流具有随机性、波动性和不可调度性等特点，这意味着其输出电流难以事先预测和控制。这种不确定性容易引发电网的电压波动问题，尤其是在天气变化剧烈或光照条件不稳定的情况下，可能导致电压的快速变化，影响电网的稳定性和可靠性。

光伏电源的输出特性还可能引发谐波污染问题，电源输出的电流不断变化，可能会产生频率较高的谐波，从而对电网的电压和电流波形产生扭曲，影响电网设备的正常运行，谐波污染不仅会影响电网的电能质量，还可能导致电力设备的过热、损坏甚至故障，增加了电网维护和运营的成本，对电网的安全稳定运行构成威胁。

光伏电源的随机性还可能导致电网出现过电压问题，当光照强度突然增加时，光伏发电系统的输出电压可能会迅速升高，超过电网的承受范围，导致电网出现过电压现象。这不仅会对电网设备造成损坏，还会影响用户的电器设备正常运行，给用户带来不便和损失。

3 改善电网电力质量技术方案

3.1 电网侧的措施

在光伏电源规划建设阶段，应对可能出现的过载问题是至关重要的。针对电网的输电线路，可以考虑进行导线升级，增大导线的半径以提高输电线路的输送能力，可以有效地降低输电线路的电阻损耗，提升电网的输电能力，从而应对光伏电源接入后可能出现的过载情况。安装动态静止无功补偿器（D-STATCOM）是另一种重要的措施，D-STATCOM 能够实时响应电网的无功需求变化，通过控制其输出来实现电压的调节和稳定，能够有效提高电网的稳定性和可靠性，减少电网运行中可能出现的问题和故障。因此，在光伏电源接入电网的过程中，安装D-STATCOM 可以为电网提供更加灵活、可靠的无功补偿，有助于克服光伏电源接入可能引发的电能质量问题，确保电网的安全稳定运行[7]。

3.2 光伏系统侧的措施

在光伏系统侧采取措施降低有功功率的变化具有关键意义。建立准确的预测模型，以实时估计任何天气情况下，电网可承受的最大光伏有功出力，建模需要综合考虑气象数据、光伏电站的技术参数以及电网负载情况，一种常用的方法是基于气象数据和历史光伏发电量建立预测模型，通过数学模型和机器学习算法来预测光伏发电量，从而实现对光伏有功出力的准确估计。

针对天气变化快速的情况，特别是在多云天气下，光伏系统需要具备快速响应的能力，可通过采用先进的功率控制技术来实现，例如采用快速响应的光伏逆变器，可实时调整光伏发电系统的输出功率，以适应天气变化带来的光照强度变化，结合智能控制算法，可根据实时气象数据和电网负荷需求，动态调整光伏系统的工作状态，最大限度利用光伏发电系统的容量，并确保光伏发电的上限可以从电网中吸收。

为了应对光伏发电量的不确定性和电网负荷的变化，可考虑提高储能系统的容量和效率，储能系统能够在光伏发电量波动较大时存储多余的电能，并在电网负荷增加或光伏发电量不足时释放电能，以平衡电网的供需关系，采用高效的储能设备和智能控制系统，能够提高储能系统的响应速度和效率，有效降低光伏发电对电网的影响，维持电网的稳定运行。

4 结语

光伏发电带来了积极影响，但其随机性和波动性也给电网带来了挑战，光伏发电作为清洁能源，有助于减少碳排放，降低环境污染，并可降低电网运营成本。然而光伏发电受天气等因素影响较大，其输出不稳定性可能引发电网频繁波动和质量问题，因此需采取措施提高预测精度、引入储能技术等以应对挑战，以实现光伏发电系统与电网的有效协调运行。