大容量光伏電站對地區(qū)級電網(wǎng)運行的影響分析

孫儀+麥立+賈偉+梁肖+田躍軍

摘 要：文章對大容量光伏電站的概念和優(yōu)點做了簡要論述，并介紹了其在省內(nèi)的發(fā)展狀況。指出了大容量光伏電站對地區(qū)級電網(wǎng)運行的問題，分析了大容量光伏電站發(fā)電就地消納和遠距離輸送模式的優(yōu)劣，提出了針對大容量光伏發(fā)電并網(wǎng)后電網(wǎng)調(diào)控運行的新方法。

關鍵詞：大容量光伏；地區(qū)電網(wǎng)；電網(wǎng)調(diào)控

中圖分類號：TM732 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0175-02

1 概述

近年來，我省光伏發(fā)電規(guī)模迅速增長，2014年3月，我省在金寨縣開始光伏扶貧試點，取得較好成效。2016年，國家能源局批復了《金寨縣創(chuàng)建國家高比例可再生能源示范縣規(guī)劃》，到2020年，建成可再生能源發(fā)電裝機570萬千瓦，其中光伏發(fā)電320萬千瓦，風電80萬千瓦，水電160萬千瓦，生物質(zhì)能發(fā)電10萬千瓦。2016年，六安電網(wǎng)最大負荷167.4萬千瓦。由此可見，六安電網(wǎng)將逐漸由主變下受型向主變上送型電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，到2020年左右，在水電大發(fā)時期及光伏出力較大的時段，六安電網(wǎng)向主網(wǎng)上送將達到近300萬千瓦，現(xiàn)有的輸變電設備容量將無法滿足大規(guī)模光伏發(fā)電的消納需要。

由于光伏電站相比于傳統(tǒng)的火電廠特性有很大的不同，大容量光伏電站的接入，對傳統(tǒng)電網(wǎng)的潮流分布、電壓穩(wěn)定、電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)控運行等方面都將產(chǎn)生較大的影響。在配電網(wǎng)中加入光伏電站，從而降低網(wǎng)損，減少偏遠地區(qū)對電網(wǎng)的投資，分布式光伏發(fā)電有著環(huán)境友好、占地面積小、投資少、網(wǎng)損小等優(yōu)點，是未來智能電網(wǎng)的重要組成部分，但是如何將大容量的光伏并網(wǎng)產(chǎn)生的電能順利送入主網(wǎng)，是今后電網(wǎng)調(diào)度需要重點研究的問題。

2 大容量光伏電站的組成

2.1 光伏陣列

光伏發(fā)電是利用光伏電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能，但是單個的光伏電池板因為其輸出的電壓和電流都太小，所以一般都是將多個光伏電池進行串聯(lián)和并聯(lián)，并形成光伏陣列，這就形成了一個單獨的光伏陣列。

2.2 大容量光伏電站的基本原理

大容量光伏電站一般達到兆瓦級，通過集群控制的方法使變流器并聯(lián)運行，同時利用中央控制系統(tǒng)對整個光伏電站的各個子系統(tǒng)進行。光伏電站和電網(wǎng)通過變流器相連，因此要求變流器具有相應的控制功能、可以對有功出力和無功出力進行控制、降低有功變化量、去除諧波等。大型光伏電站一般是由幾個基本單元組成，每個光伏單元的容量約1MW。其中，大容量的光伏陣列組件在光電轉(zhuǎn)換以后，經(jīng)過匯流母線，將電能傳輸給變流器，再由變流器轉(zhuǎn)換為交流，通過變壓器的升壓后并網(wǎng)。

2.3 光伏電站的送出方式

當前，大部分光伏電站均通過35kV或者110kV系統(tǒng)與主網(wǎng)相連，但是現(xiàn)有的地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、設備狀態(tài)等方面在設計時是作為受端電網(wǎng)考慮的，現(xiàn)在已不能適應大容量光伏電力的送出需求，無法達到對大容量光伏電站的滿出力送出要求，而且，部分線路無法滿足N-1原則，這樣就形成了光伏送出的瓶頸問題。

3 大容量光伏電站對電網(wǎng)運行的影響

3.1 出力大幅波動對電網(wǎng)的影響

光伏電站的出力波動受日照條件影響明顯，光伏電站的有功出力呈現(xiàn)跳變的變化特點，這樣就需要增加大量的火電旋轉(zhuǎn)備用。六安地區(qū)光伏電站裝機容量迅速增加，該地區(qū)電網(wǎng)在日照充足時為主變上送型電網(wǎng)，而在陰天時，又變成一個受端電網(wǎng)，對火電的旋轉(zhuǎn)備用要求很高，同時對地區(qū)電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)劃，風電的調(diào)峰也提出了更高的要求。在電網(wǎng)規(guī)劃建設時，通過多角度考慮地區(qū)電網(wǎng)的負荷特性，統(tǒng)籌考慮該地區(qū)的各種電源的最小和最大開機方式，特別要考慮到徑流式小水電和光伏、風電等具有間歇性、波動性強的電源。大容量光伏電站的并網(wǎng)電壓應當考慮合適的電壓等級，從運行成本和可靠性等多方面考慮光伏電站的消納及遠距離輸送要求。

3.2 對電壓的波動影響

光伏電站與常規(guī)電廠在電壓調(diào)整方面有較大的區(qū)別，在大規(guī)模光伏接入電網(wǎng)以后，會對電網(wǎng)電壓控制造成困難。因為現(xiàn)有的光伏電站功率因數(shù)均在1以下，無法對電網(wǎng)的無功進行支撐。其次是大規(guī)模的光伏發(fā)電，受到日照影響明顯，電網(wǎng)潮流變化較大，無法對無功進行分層分區(qū)進行控制，這樣就造成地區(qū)電網(wǎng)電壓波動大，難以調(diào)整。雖然現(xiàn)在光伏電站均配備了動態(tài)無功補償裝置，但由于動態(tài)容量補償不足，而且對無功補償裝置缺乏統(tǒng)一調(diào)度，當電網(wǎng)發(fā)生較大擾動時，無法快速的對電網(wǎng)提供有效的無功支撐，而且在故障切除后，容易造成無功過剩，造成系統(tǒng)過電壓。

3.3 對電能質(zhì)量的影響

光伏電站的并網(wǎng)變流器會產(chǎn)生諧波和三相電流不平衡的問題，由于輸出功率的不確定性，容易造成電網(wǎng)電壓的波動和閃變。當前制約光伏電站并網(wǎng)的最主要的問題之一就是諧波問題，很多大容量光伏電站就存在諧波過高的問題，在陰天的時候諧波問題會更加明顯。在大容量光伏電站中，即使單個變流器產(chǎn)生的諧波較小，在多個變流器并聯(lián)以后，輸出的電流中諧波就可能會超標。由于大容量光伏電站一般采用的是無源濾波，而且一個光伏電站是很多個光伏模塊通過長距離的電纜接入?yún)R流母線，無源濾波器的電流會造成諧振，使某些諧波放大。

4 大容量光伏電站對地區(qū)級電網(wǎng)的影響

4.1 對地區(qū)火電機組運行的影響

光伏電站的運行具有波動性，而大容量光伏電站的波動達到100MW級，在實際運行中，在夏季高峰時段，存在光伏電站與火電廠搶輸電通道的問題，造成火電廠窩出力。而遇到午后雷雨，光伏電站的出力接近于0，又會造成火電廠需要迅速增加出力。

4.2 對電網(wǎng)備用容量的影響

分布式電源接入電網(wǎng)的波動是由風力發(fā)電、小水電、太陽能光伏發(fā)電等引起的，而這些電源的功率對于電網(wǎng)完全是隨機的。在最不利的條件下，整個分布式電源的功率投入或切除。如果要接入大量的分布式電源，則相應的要在電網(wǎng)中配備一定容量的備用電源，即火電機組的旋轉(zhuǎn)備用，用于在分布式電源輸出功率波動時平衡發(fā)電與負荷的需求，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。今年由于煤價上漲幅度較大，火電廠來煤質(zhì)量也受到影響，調(diào)峰能力受到限制，不能達到最大或最小出力，削弱其調(diào)峰能力。endprint

4.3 對系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的影響

大規(guī)模的分布式電源接入電網(wǎng)，由于分布式電源不發(fā)無功或者是無功發(fā)不出的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，配電網(wǎng)中缺乏相應的無功功率，獎導致整個配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性降低。分布式電源的功率因數(shù)一般達到0.98～0.99，但是當風電場或小水電的裝機容量較大，且無功功率不足時，就容易對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性造成影響，嚴重時會造成系統(tǒng)電壓崩潰。

在以前的配電網(wǎng)規(guī)劃和設計中，是按照受電型電網(wǎng)設計的，在光伏電站并網(wǎng)在配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)的運行特性發(fā)生了明顯的變化，事故處理和運行可靠性研究不能采用傳統(tǒng)的分析模式，研究表明，光伏電站與配電網(wǎng)并網(wǎng)運行后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性將有所下降。對于接入配電網(wǎng)的大容量光伏電站，由于潮流的變化使得配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)難度增大，保護裝置的定值整定更加復雜，由于電網(wǎng)從自身穩(wěn)定運行角度出發(fā)，要讓光伏電站具備一定的電源屬性，但目前的大容量電站和傳統(tǒng)的火電站相比，還遠未達到這些要求。

4.4 對地區(qū)電網(wǎng)調(diào)控運行的影響

在今年的迎峰度夏中，該地區(qū)電網(wǎng)產(chǎn)生了一個新的變化，在以往夏季高負荷期間，午后時段一般是整個電網(wǎng)出力較為緊張的時段，此時氣溫高，負荷需求大，造成火電機組滿負荷運行。今年由于大容量光伏電站陸續(xù)并網(wǎng)，在午后時段日照強烈，光伏電站承擔了較多的負荷。

快速增長的光伏電源給地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了新的挑戰(zhàn)，在當前的配電網(wǎng)中，這些新接入電網(wǎng)的光伏電站對調(diào)控運行人員來說是陌生的，有些電站在EMS系統(tǒng)中還不可見，對運檢人員來說也是新事物，因此必須提升現(xiàn)有的調(diào)控工作管理水平與技術(shù)支持水平，才能有效應對電網(wǎng)產(chǎn)生的新問題。因此，需要優(yōu)先對接入大容量光伏電站的配電網(wǎng)進行智能化改造，提升配電網(wǎng)的實時監(jiān)控能力。其次，要高度重視光伏電站對傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護裝置及安全自動裝置的影響，重新計算保護定值。對配電網(wǎng)中卡脖子的設備進行集中更換，從而應對低負荷時段時，由于光伏大發(fā)造成設備過載問題。

當配電網(wǎng)中的光伏發(fā)電比例較大時，實現(xiàn)配電網(wǎng)的功率平衡與安全運行，并且還要保證供電的可靠性及電能質(zhì)量等，因此建設智能配電網(wǎng)就成了必然要求。

5 結(jié)束語

隨著國家光伏扶貧政策的不斷推進，以大容量光伏電站為代表的新能源仍將迅速發(fā)展，光伏并網(wǎng)對地區(qū)電網(wǎng)的影響不斷增強，地區(qū)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設計和建設、運行等工作必須適應新能源消納的基本需求，建設合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，從而保證大容量光伏產(chǎn)生的電能就地消納或者通過超高壓電網(wǎng)進行遠距離輸送。

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