光伏發電并入堅強智能電網的研究

摘 要：文章介紹了太陽能發電的兩種方式和堅強智能電網，論述了分布式光伏發電并網系統與集中式光伏發電并網系統及應用，從電能質量、孤島效應、低電壓穿越、電能計量方式等方面探討了光伏發電在并網時對電網造成的影響，提出了相應的建議。

關鍵詞：光伏發電系統；堅強智能電網；光伏并網

1 概述

近年來，全球資源正在以驚人的速度被消耗，而環境污染也越來越嚴重，如何保證高質量的和穩定的電能輸送給用戶，這對電力行業來說既是機遇也是挑戰。中國的能源分布是不均勻的，電力需求旺盛的是中東部地區，但能源資源主要分布在西部、西南和北部，能源資源與需求很難實現優勢互補，所以發展清潔能源是減少資源消耗和保護環境的最佳選擇，風能、海洋能、生物質能、太陽能、地熱能等都屬于清潔能源，太陽能是應用最廣泛的清潔能源[1]，據統計，我國陸地表面每年有大概14700萬億千瓦時的能量來自太陽輻射，與4.9 萬億頓煤燃燒時放出的熱量相同，大概有上萬個三峽電站發出的電量。

2 光伏發電與堅強智能電網

太陽能發電有兩種方式：太陽能熱發電和光伏發電。太陽能熱發電效率低，主要利用的是太陽能產生的熱量，而光伏發電的原理是一種基于物體在光照下產生電動勢的半導體光生伏特效應，是一種將光能直接轉換成電能的技術。光伏發電系統通常由太陽電池組件、控制器、逆變器等構成。在中國光伏發電技術相對成熟，適合廣泛推廣和使用。太陽能熱發電現在仍然主要是在研究和示范階段，需要相對高的成本，規模的使用仍然需要時間，所以光伏發電占重要地位。

我國對堅強智能電網的定義是：特高壓電網作為主干網架，在通信信息平臺上，各級電網協調發展，電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環節都具備信息技術、自動化和交互功能，包含所有電壓等級，成為“電力流、信息流、業務流”相融合的現代電網[2]。每個國家對智能電網的定義是不同的，但對智能電網的基本要求是一致的，也就是說，電網應該更強大、更智能。

智能電網與傳統電網的較大區別是智能電網支持分布式電源的大量接入，能夠實現各項功能的有機融合與科學配置，光伏電站屬于分布式電源，太陽電池組件發出的是直流電，通過逆變器可以轉換為符合要求的交流電，此交流電條件滿足時可以直接或升壓后接入智能電網，在夜晚陽光不充足或用電低谷時，負載由電網供電，當陽光充足或用電高峰時，光伏發電可以向電網輸送電能，達到光伏發電“即發即用”的智能控制，實現光伏發電的用戶與智能電網的雙向連接，對電網起到削峰填谷的作用，最終實現對電能的有效管理。智能電網是世界能源產業發展和變化的最新趨勢，是未來電網的發展的目標。

3 光伏并網的兩種形式

在光伏發電系統中，只要逆變器輸出的正弦電流的頻率與智能電網電壓的頻率相同、正弦電流的相位與智能電網電壓的的相位相同就可以實現并網，有兩種主要類型的光伏發電并網系統，分別是分布式并網和集中式并網。

分布式并網主要是接入低壓配電網，解決的是居民用電問題，通過配電網來調整多余或不足的電能，光伏電站等清潔能源可以與常規能源或其他清潔能源一起接入智能電網，作為微網和智能電網的有效接口，特殊情況時也可以脫離電網獨立運行，比較適用于用戶、城區等小規模光伏發電系統[3]。20世紀90年代以來，美國前后制定了很多支持光伏發電并網系統的政策，隨著科研的投入，并且預計在4年后，光伏發電的安裝容量會有36GW，每年會連續持續增長。在日本，到2004年底，安裝太陽能屋已達到20萬戶住宅，在2004年一年就有5萬多套用戶都安裝了光伏發電并網系統。

集中式光伏并網應用在太陽能資源豐富的荒漠地區，電能直接接入中壓或高壓大電網系統實現并網，向遠距離負荷進行供電，二次設備的投入會相對比較大，無功功率和電壓控制可以很容易地進行，更容易實現電網的頻率調節，但是，在并網時需要依賴長距離輸送線路，對電網來說會成為一個比較大的干擾源，同時還存在無功補償、線路損耗等問題，在大容量的光伏并網系統中，多臺變換裝置的協同工作也需要統一管理，還需要有待進一步研究。到2005為止，德國Espenhain的太陽能電站是世界上裝機容量最大的光伏發電站，里邊有3萬多個太陽能電池組件，于2004年9月開始正式運行。

在智能電網規模快速發展的同時，美國、日本、歐洲等國家非常重視光伏發電系統及并網的研發和創新，近年來，我國在大規模清潔能源并網方面也加大了投入，傳統電網會向著光伏發電并網系統的形式轉變，光伏發電并網系統會促進電網向更強大、更智能的方向發展。

4 光伏發電并網對電網的影響

光伏發電作為清潔能源，與傳統的水力發電、火力發電相比在很多方面都有所不同，在并網時對電力系統會有一定的影響。

4.1 電能質量

電能存在著嚴格的質量標準，如果電能質量不達標，將會給國民經濟和人們的日常生活帶來損失。光伏發電系統的規模和數量有所不同，并且隨著溫度、日照、季節的不同具有波動性、間歇性等特點，并網后，對原系統中的電源結構進行了擴充，對電網會造成安全性和穩定性的影響，電網系統中的電能質量就不能得到保障，因此要進行協調配合。

在光伏發電系統中比較重要的元件是逆變器，但在使用時會產生諧波，對電網會造成諧波污染，在逆變器輕載輸出時諧波會更大，光伏發電并入智能電網中的諧波源個數較多，高次諧波的功率諧振有可能發生，所以要降低諧波源的數量。文獻[4]提出了一種諧波抑制控制器，可以實現無諧波的檢測，可以利用此控制器進行諧波閉環，有效抑制了指定次數的諧波，并可應用于實際中。

在光伏發電系統中會存在隨機波動，則提供的有功部分會對系統的無功平衡產生影響，會影響電網的整體平衡性[5]，會降低電網系統中的電壓質量，需要光伏發電系統與無功補償裝置配合使用。

4.2 孤島效應

孤島效應是指當系統因為設備停電檢修或發生故障而供電停止時，光伏發電裝置卻一直向公共電網饋送電量，此時對電網負載和用戶或線路維修人員都會造成危害。

為了保證用電安全和用戶能夠獲得比較高的電能質量，應該盡量避免孤島效應，可以安裝孤島檢測與控制裝置，在檢測孤島狀態時采用的被動檢測方法有：電壓和頻率檢測法、電壓諧波檢測法等，常用的主動檢測方法有頻率偏移檢測法、滑模頻漂檢測法等，在電能質量不滿足要求或電網出現故障時，應斷開相應的斷路器并啟動保護裝置。

4.3 低電壓穿越

對于光伏發電系統，在并網時應具有低電壓穿越能力，當電力系統故障或光伏電站電網電壓驟降時，在一定時間間隔內，電壓跌落在允許的范圍時，光伏發電站能夠在不脫網的情況下連續運行。《光伏電站接入電網技術規定》中對低電壓穿越有明確規定，當遇到電力系統運行不正常時，智能電網可以把系統中低電壓穿越能力的規定作為電壓是否滿足電能質量的參考。

4.4 電能計量

用戶在傳統的電力系統中只是耗電者，采用單向電能計量表進行計量電能來計算電價，對于光伏發電系統并入電網的用戶可以采用雙向電能計量表，或者安裝兩個不同方向的電能計量表來計算電價，這樣用戶支付的電費才會比較合理，可以提升電網與用戶雙向互動能力和用電增值服務水平。

5 結束語

隨著社會的發展，全球資源和環境問題日益突出，光伏發電可以節省常規能源消耗，減少污染物的排放，有利于環境保護，加強智能電網建設，以適應不同類型清潔能源的發展，促進清潔能源開發和利用，光伏發電并入智能電網，在對電網起到削峰填谷作用的同時，還可以提高電能質量和穩定性，智能電網是將來國內外電力發展的必然選擇。

參考文獻

[1]吳旭鵬，解大，戴敏，等.上海居民光伏發電并入電網的相關問題分析[J].電力與能源，2014，35（4）：517-520.

[2]劉振亞.智能電網知識讀本[M].北京：中國電力出版社，2011：24.

[3]賀鐵光，李明，等.小型新能源混合電源并網方案的設計與應用[J].智能電網，2016（1）：21-23.

[4]朱淇涼.光伏并網逆變器諧波抑制技術研究[D].長沙：中南大學，2013.

[5]張央.大規模光伏發電對電力系統的影響分析[J].低碳技術，2016，8：60-61.

*作者簡介：楊娜（1985-），女，碩士，講師，研究方向：工業過程控制、電氣自動化。

傅沈文（1967-），女，副教授，研究方向：工業控制。

方弄玉（1983-），女，講師，研究方向：電氣自動化。