大规模光伏发电对电力系统影响综述

高 震，张亚菇

（国网大同供电公司，山西 大同 037000）

0 引 言

随着光伏发电技术的不断发展，大规模光伏发电系统的并网已经成为清洁能源领域的重要组成部分。然而，其接入电力系统带来的影响也不可忽视。文章旨在深入探讨光伏系统对电力系统特性的影响，为实现光伏系统的高效和稳定并网提供理论支持。

1 光伏发电并网系统的基本概述

光伏发电并网系统是一种利用太阳能光伏电池将太阳能转换为电能，并通过逆变器将直流电能转换为交流电能，最终与电网连接的系统。该系统主要由光伏组件、逆变器、电网连接设备及监控系统组成。光伏组件通过光照吸收光子产生电流，逆变器将直流电转换为电网所需的交流电，实现电能的高效输送。

2 大规模光伏发电接入对电力系统特性的影响

2.1 对于有功频率特性的影响

大规模光伏发电接入会对有功频率特性产生一定的影响，主要表现在电力系统惯性减弱和频率动态响应性变化2 个方面。

一方面，光伏电站产生的电力是直流电，通过逆变器转换为交流电。与传统的同步发电机相比，其对系统惯性的贡献较小，导致系统在面临扰动时，频率波动更为敏感，对电力系统频率的稳定性提出一定挑战。

另一方面，光伏发电系统在电力系统中引入非线性逆变器，其响应速度比传统的同步发电机更快，能够更快速地响应瞬时频率扰动[1]。然而，频率的瞬时变化可能增加系统运行中的频率不稳定性风险，因此需要采用有效的频率调节措施，如辅助电源或储能系统，以确保系统频率的稳定性。

2.2 对于无功电压特性的影响

首先，光伏电站本身不具备提供无功功率的能力，而传统的同步发电机通常能够提供一定的无功功率来维持电压稳定[2]。因此，光伏发电系统接入可能引起系统无功功率不足，影响电压的稳定性。为解决这个问题，需要采用无功功率补偿设备，如静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）等，以维持系统的无功平衡。其次，光伏电站的逆变器可能引起电压波动。由于光伏电站的输出受日照条件的影响，其发电功率可能会出现瞬时变化，导致系统电压的瞬时波动。最后，大规模光伏发电接入可能对电力系统的电压调节范围和电压总谐波畸变产生一定的影响。

2.3 对小扰动稳定性的影响

首先，光伏发电系统的输出具有间歇性和不确定性，受日照条件等因素的影响，会导致发电功率瞬时变化。这种瞬时变化通过光伏逆变器的响应可能引起系统频率和电压的小扰动。其次，光伏发电系统的接入可能引起系统的动态响应变化。传统同步发电机具有惯性效应，有助于维持系统的动态稳定性。然而，光伏电站的逆变器缺乏类似的惯性效应，可能导致系统对外部扰动的响应性变化[3]。最后，光伏发电系统的电气特性和传统同步机组存在差异，可能对系统的频率阻尼和阻尼振荡产生影响。

2.4 对于电能质量的影响

首先，由于光伏发电的输出具有波动性和间歇性，引入的瞬时变化可能导致电网电压和频率产生波动，为电能质量带来一定的挑战，尤其是在高比例光伏发电系统接入的情况下。其次，光伏逆变器的运行特性可能造成谐波和电流不对称，对电网产生谐波污染和负序电流影响的可能性。最后，大规模光伏发电接入可能对电压稳定性和短路能力产生影响。光伏发电系统的接入可能改变电力系统的电流分布，影响电压调节和短路电流的水平。

2.5 对于配电系统保护的影响

首先，由于光伏发电系统的非恒定性和不确定性，其输出功率在短时间内可能发生剧烈波动，这对传统的过电流和短路保护装置提出了更高的要求。因此，需要采用先进的智能保护装置和技术，以更精细地监测和响应系统中的电流与电压波动，确保在光伏系统故障或异常工况下迅速切除故障部分，保障系统的安全和可靠运行[4]。其次，光伏系统的逆变器可能引入谐波和电流不对称，导致传统的过电流保护误动作。因此，需要配备先进的保护装置，能够有效过滤谐波和快速响应电流不对称，防止误动作对系统造成不必要的干扰。最后，光伏发电系统的接入可能改变配电系统的电流和短路电流路径，因此需要重新评估和调整配电系统的保护策略，主要包括重新设定保护装置的动作参数、采用灵活的保护方案以及引入新型保护设备，以适应光伏系统接入后的电网动态变化。

3 大规模光伏外送和消纳关键技术分析

3.1 大规模光伏外送新型输电技术

大规模光伏外送需要采用先进的输电技术来确保电能的高效传输。其中，新型输电技术如特高压直流输电（Ultra High Voltage Direct Current Transmission，UHVDC）和柔性直流输电等发挥重要作用。这些技术能够有效减少输电损耗，提高电能输送的经济性和可靠性。

一方面，UHVDC 技术通过提高输电电压水平，减小电流，从而降低电阻损耗，实现大容量、远距离的电能传输。这种技术的应用使得光伏发电站产生的电能可以高效地输送到远距离的消费地，大大提升了电能利用率和经济性。另一方面，柔性直流输电技术通过灵活控制电流，适应电网动态变化，提高对不稳定光伏发电的适应性[5]。光伏发电具有不稳定性，柔性直流输电技术能够根据光伏发电的实时情况，调整输电参数，确保稳定的电能输送。这种技术的应用使得光伏发电系统更加可靠，同时也降低了对备用发电设备的需求，节约了成本。

总之，UHVDC 和柔性直流输电技术为大规模光伏外送提供了可靠的输电方案，有效减小了输电损耗，提高了电能传输的经济性和可靠性，同时增强了对光伏发电不稳定性的适应性。在光伏发电产业的持续发展中，这些先进的输电技术将发挥越来越重要的作用，促进光伏发电产业的健康发展。

3.2 光伏电站规划设计技术

光伏电站规划设计技术是有效利用光伏资源的关键。新技术的应用涵盖智能化电站布局设计、光伏组件优化配置及先进的阵列控制技术。

智能化电站布局设计利用先进的地理信息系统（Geographic Information System，GIS）和人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术，通过分析气象和地形等因素，优化电站布局，从而提高光伏发电效益。GIS 技术能够精确地获取地理信息数据，结合AI 技术进行智能分析和决策，使得电站布局更加科学合理。通过合理的布局，可以最大限度地利用光照资源，减少阴影遮挡，提高光伏组件接收阳光的效率，进而提高整个光伏电站的发电量。

光伏组件的优化配置和阵列控制技术可以通过智能追踪系统和实时数据监测，最大限度地提高光伏电站的发电效率。光伏组件的优化配置考虑光照、角度及阴影等因素，通过智能化的配置，太阳可以最大限度地照射每个光伏组件。同时，阵列控制技术能够实时监测光伏组件的工作状态和环境条件，根据实时数据进行调整和优化，确保光伏电站在各种条件下都能够达到最佳的发电效率。

3.3 增强光伏消纳综合规划技术水平

增强光伏消纳综合规划技术水平是确保大规模光伏发电与电网协同运行的关键，包括基于电网规划的光伏容量配置和综合考虑多元化因素的系统优化技术。

基于电网规划的光伏容量配置是一项重要的技术。通过电网规划模型，可以合理配置光伏容量，以保障电网系统的平稳运行。这意味着在确定光伏发电项目的容量和分布时，需要考虑电网的输电能力、负荷情况以及可再生能源的波动性等因素，从而确保光伏发电系统的接入不会对电网造成过载或不稳定等影响。

综合考虑储能设备、柔性负荷等多元化因素是增强光伏消纳综合规划技术水平的重要内容。储能设备的引入可以缓解光伏发电的波动性，提高光伏消纳的可靠性和灵活性。同时，利用柔性负荷调节负荷响应来平衡光伏发电的波动性，从而实现光伏发电与电网的协同运行。这些技术的应用将为光伏发电的大规模接入提供可靠的技术支持，推动可再生能源的可持续发展。

3.4 增强光伏消纳源网协调技术

为保障大规模光伏消纳的平稳进行，增强源网协调技术至关重要，包括智能化调度系统和先进的电能质量控制技术。智能化调度系统通过对光伏发电的实时监测和预测，调整发电计划，提高系统的可调度性。电能质量控制技术通过应用高效的谐波滤波器和无功功率补偿技术，减小光伏系统对电网的负面影响，提高源网协调水平。

3.5 提升光伏消纳的有功和无功控制技术

提升光伏消纳的有功和无功控制技术对电网稳定性与电能质量至关重要，包括先进的逆变器控制策略和智能化电能储备技术。逆变器控制策略通过智能调整输出功率，实现对光伏发电系统的有效控制，以适应电网频率和电压的变化。智能化电能储备技术则通过储能系统的有效运用，提供灵活的有功和无功支持，优化电能注入电网的品质。

4 结 论

大规模光伏发电系统的并网接入对电力系统有着广泛且深刻的影响，需要持续推动新技术的应用，包括输电技术、智能化的电站规划设计、源网协调技术、有功控制技术以及无功控制技术，以解决由光伏系统引起的各种挑战。通过不断创新和改进，可以更好地实现光伏发电的清洁、可持续并网，为电力系统的未来发展提供可行的解决方案。