光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響研究綜述

葉文鋒

（廣東電網(wǎng)東莞樟木頭供電分局 廣東廣州 523633）

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響研究綜述

葉文鋒

（廣東電網(wǎng)東莞樟木頭供電分局 廣東廣州 523633）

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)就是太陽能直接轉(zhuǎn)變成為直流電并經(jīng)過電網(wǎng)逆變器，轉(zhuǎn)變?yōu)槟苓_(dá)到使用要求的交流電之后并入總電網(wǎng)，所以光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)又稱太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電是一種可再生的能源，可以替代石油、天然氣及煤礦等不可再生資源，因以，光伏并網(wǎng)發(fā)電以成為城市電網(wǎng)供電系統(tǒng)中不可或缺的部分。本文主要依據(jù)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)及種類，闡述了該系統(tǒng)對電網(wǎng)主要影響，并提出個(gè)人看法，望能為讀者提供參考。

光伏并網(wǎng)；發(fā)電系統(tǒng)；電網(wǎng)；影響

近幾年全球的能源危機(jī)及環(huán)境惡化日益嚴(yán)重，為維持社會的可持續(xù)發(fā)展，太陽能作為清潔且可再生能源，替代了日益短缺的不可再生資源。太陽能光伏發(fā)電則是依靠太陽能電池組件，利用半導(dǎo)體材料將光能轉(zhuǎn)化為可用電能，并具有可持續(xù)、節(jié)能環(huán)保、低成本等特點(diǎn)。我國目前的光伏發(fā)電量在發(fā)電總量占據(jù)比重日益加大。但是由于在光伏發(fā)電站的運(yùn)行局限、光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)之后對總電網(wǎng)造成了影響，且目前的解決方法只能減少此類影響，并不能徹底解決，限制了光伏發(fā)電的發(fā)展與應(yīng)用。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)概述

1.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)用特征

因?yàn)楣夥⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池組件中的半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生電動勢（這種轉(zhuǎn)變過程稱為光生伏打效應(yīng)，一般發(fā)生在半導(dǎo)體界面上），然后通過逆變器將電池中的直流電轉(zhuǎn)化為頻率、相位相同的正弦交流電再通過變壓器并入總電網(wǎng)。但這種發(fā)電方式受到太陽運(yùn)行規(guī)律、地域及季節(jié)變換的影響，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：

1.1.1 輸出電壓的隨波性

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，所以轉(zhuǎn)化電量要受到電網(wǎng)架設(shè)的地勢、氣候變化及日照強(qiáng)度等因素的影響，遂使得光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率波幅不定，脈沖電壓功率變化不穩(wěn)定。

1.1.2 輸出零損耗

在光伏發(fā)電系統(tǒng)與總電網(wǎng)并接的方式是通過變電器連接并網(wǎng)，在變電器將太陽能轉(zhuǎn)化的直流電時(shí)，采用電流控制電壓源的方式，即通過控制輸入電流，控制各網(wǎng)點(diǎn)輸出電壓，促使光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與總電網(wǎng)系統(tǒng)順利并網(wǎng)。這種控制方式的輸出電壓功率因數(shù)幾趨近于1，幾近純有功功率輸出。

1.1.3 孤島效應(yīng)保護(hù)

所謂孤島效應(yīng)是指光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)的發(fā)電裝置，在電網(wǎng)整體斷電的情況下，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍然向電網(wǎng)輸入電量。目前我國的光伏發(fā)電量在總發(fā)電量中占據(jù)比重較小，所以可以通過系統(tǒng)中的孤島保護(hù)設(shè)備監(jiān)測出來。但隨著光伏發(fā)電量的比重增加，孤島保護(hù)設(shè)備對孤島效應(yīng)的監(jiān)測出現(xiàn)問題而導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)故障，引起安全事故的發(fā)生。

1.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的類型

（1）集中式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)作為光伏發(fā)電的一種，需要在日照強(qiáng)度及時(shí)限充足的區(qū)域集中建立光伏并網(wǎng)發(fā)電站系統(tǒng)，讓系統(tǒng)集中發(fā)電后直接輸送到總電網(wǎng)中。集中式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢在于可以有效將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，所發(fā)電量的電壓及無功率可以集中處理，接入總電網(wǎng)也更容易。但因接入的總電網(wǎng)是為10kV的高壓電，也由于這種類型的的發(fā)電系統(tǒng)的建立使用受到了地域的限制，需要建立在遠(yuǎn)離城市的日照充足的地區(qū)，讓系統(tǒng)輸電的距離變得更遠(yuǎn)，容易受到磁場、雷擊等干擾，輸電電路容易老化損耗，后期維護(hù)的成本變高。

（2）分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。這一系統(tǒng)也被稱為屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，這類型的發(fā)電系統(tǒng)是與用戶的居住建筑相結(jié)合，將太陽能電池建立在住戶的屋頂上，形成屋頂式光伏發(fā)電系統(tǒng)，在日照時(shí)將太陽能轉(zhuǎn)化為電量，再通過逆變器轉(zhuǎn)售到電力公司，用戶需要用電時(shí)可進(jìn)行回購。這種方式發(fā)電量較小，接入電網(wǎng)電壓一般為0.4kV的低壓配電網(wǎng)，在日照強(qiáng)度良好的情況下（多為夏季和秋季或在日照時(shí)間較長的地域）屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)可進(jìn)行發(fā)電，將所發(fā)電量進(jìn)行存儲以供用戶生活用電。但在日照時(shí)間短或強(qiáng)度不高的情況下，此類型的發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量較少或無法發(fā)電。又因是用戶發(fā)電，是以可以并入風(fēng)能等新能源發(fā)電。

（3）屋頂光伏發(fā)電的應(yīng)用

圖1 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，是居民屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，此系統(tǒng)是作為0.4kV的低壓發(fā)電系統(tǒng)，在太陽板將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電量后，光伏組件的輸出電流經(jīng)匯流箱-并網(wǎng)柜-逆變器后，直接作為電源的驅(qū)動負(fù)荷或有并網(wǎng)輸送到總電網(wǎng)系統(tǒng)中，亦可切換到外部三相電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)小型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行。當(dāng)然為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，還需要綜合設(shè)計(jì)防雷系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)及測控等配套設(shè)施等。

以上兩種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是以其系統(tǒng)規(guī)模所分，發(fā)電系統(tǒng)還可以按照并網(wǎng)的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為單級式并網(wǎng)系統(tǒng)、兩級式并網(wǎng)系統(tǒng)及三級式并網(wǎng)系統(tǒng)三種。這三種類型分別以一個(gè)功率變換點(diǎn)，交流直流逆變端和三個(gè)或三個(gè)以上的功率變換環(huán)節(jié)為特點(diǎn)。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響及解決辦法

2.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)構(gòu)成的影響

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)作為新型發(fā)電系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的工作運(yùn)行原理及自身特殊性會與傳統(tǒng)的水能發(fā)電及火力發(fā)電有很大差異，這種差異對光伏發(fā)電系統(tǒng)并入總電網(wǎng)的過程產(chǎn)生影響，本文針對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行探討。

2.1.1 電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定

因?yàn)楣夥l(fā)電輸出的有功功率幾近理想值，是以在光伏發(fā)電并網(wǎng)后，發(fā)電系統(tǒng)只對電網(wǎng)中的有功分布有影響，對無功網(wǎng)絡(luò)不會產(chǎn)生影響。在實(shí)際的光伏發(fā)電輸出中，輸出功率是會受到輸送的距離、自然環(huán)境、地域（高原和平地）晴雨天或日夜的影響而不同的，環(huán)境的巨大差異會影響發(fā)電輸出功率的突然變化，這樣的波動必然會影響電網(wǎng)的輸出電壓的穩(wěn)定性和電網(wǎng)系統(tǒng)的潮流性（電網(wǎng)中電功率的實(shí)時(shí)分配、分布、走向等情況）。這種隨波性對于分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來說影響較大，因此類型發(fā)電是分散的，為了保證輸出電壓，系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對電網(wǎng)的潮流穩(wěn)定影響較大。但對于集中式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)則不然，因這種光伏發(fā)電系統(tǒng)常建立于偏遠(yuǎn)地區(qū)，輸電距離較遠(yuǎn)，在輸電之前會對其做升壓處理及無功調(diào)節(jié)，使得輸出電壓的純有功功率有一定的無功調(diào)節(jié)能力。保證輸送電壓穩(wěn)定，所以這種方式的光伏發(fā)電輸出電壓較為穩(wěn)定。

2.1.2 DC/AC逆變損耗

光伏發(fā)電是將太陽能直接轉(zhuǎn)化為DC（直流電能）輸出，為并入電網(wǎng)系統(tǒng)就需要利用逆變器將轉(zhuǎn)化直流電能變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻、同相位的AC（正弦波電流即交流電）再并入電網(wǎng)系統(tǒng)中。在DC/AC的逆變過程中，因?yàn)榉蔷€性負(fù)荷的存在，流經(jīng)的電流和施加的電壓不存在線性關(guān)系的負(fù)載時(shí)，就產(chǎn)生了非正弦電流，周期性的波形被分化成為為一個(gè)基頻正弦波及大量諧波。從而引起并網(wǎng)過程中相位鎖定變換波動，破壞了功率的穩(wěn)定，增加了電流損耗。

2.1.3 孤島危害

孤島效應(yīng)的發(fā)生在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并入總電網(wǎng)后極易發(fā)生。當(dāng)總電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍繼續(xù)供電，導(dǎo)致電力系統(tǒng)無法支撐消化所供應(yīng)電能，對配電網(wǎng)、設(shè)備、用戶造成嚴(yán)重的損害，甚至造成并網(wǎng)相位不同步或人身傷害等。

2.2 解決辦法的探究

以上所述的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后對電網(wǎng)造成的影響，一些并網(wǎng)的技術(shù)會相應(yīng)減少影響。消除光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對并入電網(wǎng)影響的主要方法有：大功率輸出跟蹤技術(shù)、孤島監(jiān)測技術(shù)、逆變器優(yōu)化技術(shù)。這些技術(shù)能幫助降低并網(wǎng)的隨波，提升輸出功率的穩(wěn)定。

（1）大功率輸出跟蹤技術(shù)。對于該技術(shù)而言，光伏發(fā)電的輸出功率受到環(huán)境的影響較大，要保證系統(tǒng)輸出功率最大，就需要使輸出電壓達(dá)到最大。最大功率跟蹤技術(shù)就是對最大電壓跟蹤，經(jīng)過電導(dǎo)量法等跟蹤算法進(jìn)行計(jì)算，保證光伏輸出功率可持續(xù)輸出最大。

（2）孤島監(jiān)測技術(shù)。要防止光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)后出現(xiàn)孤島效應(yīng)，從而造成電網(wǎng)及用戶的嚴(yán)重危害，可采用這一技術(shù)對電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測。此技術(shù)分為兩種形式，一種為被動式一種為主動式。被動式孤島檢測技術(shù)是通過監(jiān)測電網(wǎng)故障時(shí)逆變器的電壓、相位、頻率變化從而檢測存在的孤島效應(yīng)。而主動式孤島監(jiān)測則是在控制逆變器時(shí)為逆變器制造故障擾動，正常情況下監(jiān)測不到，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，擾動活躍度加大而被檢測出來，進(jìn)而對電網(wǎng)孤島效應(yīng)進(jìn)行維護(hù)。

（3）逆變器優(yōu)化技術(shù)。逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化包括對逆變器的連接、電網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器的排列以及擴(kuò)展多個(gè)逆變器等，充分提高逆變器的工作效率，進(jìn)而提高整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率。

3 結(jié)束語

在能源日益枯竭的今天，提高光伏并網(wǎng)發(fā)電的效率，保證光伏發(fā)電的穩(wěn)定和安全，充分發(fā)揮可再生清潔能源的優(yōu)勢，保證社會可持續(xù)發(fā)展是勢在必行的。相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)仔細(xì)研究光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響，為社會作出更大貢獻(xiàn)。

[1]張金青.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響研究綜述[J].科學(xué)中國人，2015（3X）：26～32.

[2]張振宇，汪涵.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)運(yùn)行的影響及其應(yīng)對策略[J].科學(xué)與財(cái)富，2015（7）：134.

[3]張亮.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015，12（31）.

[4]鄧紫毅.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響研究綜述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（23）：186.

TM615

A

1004-7344（2016）20-0079-02

2016-7-4

葉文鋒（1980-），男，工程師，本科，主要從事配網(wǎng)電力營銷、客戶服務(wù)、線損管理工作。