光伏發電系統及其在電力系統穩定中的應用

曲天祥 王羽祥 陳志峰 孫秀麗

摘要：由于光伏發電的安全性和抗擊外界環境的可靠性強，在解決普通能源發電供電不平衡的領域突出了巨大優勢，也有效的滿足了人們日常工作的需求。我國應加大這方面的資金技術投入，以彌補我國能源相對短缺的情況，為我國的可持續發展做出巨大貢獻。

關鍵詞：光伏發電系統；建模；穩定分析

引言

一、光伏發電的概念及工作原理

（一）光伏發電概念

光伏發電是指利用半導體發展技術中的光生伏特效應將自然光轉化為電能的新技術。光伏發電的主要是由太陽電池板、控制器和逆變器三大部分組成，利用電池串聯的原理將三種材料連接成太陽電池組，后期運用功率控制器等促進光能轉化，最終形成光伏發電設備。

（二）光伏發電的工作原理

光伏發電的工作原理主要利用半導體的光電效應將光能轉化為電能。光伏發電裝置中的半導體的主要組成部分硅原子和硼原子。這兩種原子具有較強的電子吸附功能，將太陽光中的正電荷離子吸附在半導體上，然后將運用光波和光能量轉化為電能量，最終形成電流。目前，我國大規模使用的光伏發電裝置通常采用多硅晶，這種多硅晶中融合了硅原子和硼原子，并且還擁有少量的磷元素，經過燃燒板結后應用于光伏發電系統中，促進我國電力實業的進一步穩定發展。

（三）光伏發電的優點

光伏發電是一種新型發電手法，這種發電手法與常用的火力發電系統相比具有一定的優點：其一，光伏發電是利用太陽光產生的新能源，因此這種能源不存在枯竭，為人類發展提供源源不斷的發展動力來源；其次，光伏發電主要利用物理的光伏特效應進行發電，因此發電過程不會產生“附帶品”能夠保護環境，避免環境污染源的產生，保護了環境；其三，這種光伏發電的應用原理——能源的產生根源是太陽光，通過物理原理將太陽光中的能源轉化為新能源，具有較高的質量保障。我國電力企業中大量應用光伏發電主要原因是光伏發電的產生和應用上都存在其他能源無法比擬的優勢，促進我國電力事業的進一步發展。

二、光伏發電系統的功能穩定分析

（一）小信號穩定

小信號穩定即小干擾穩定，是指系統遭受到負荷隨機波動、系統參數的緩慢變化等小擾動后保持系統同步運行的能力。電力系統小信號分析中，通常采用方法是特征值分析法。因此，在建立含光伏源的電力系統小信號穩定模型時，采用了適于稀疏矩陣特征值算法的增廣狀態方程，其中發電機、光伏發電系統、調節器等動態元件用微分方程描述，而輸電線路等靜態元件用代數方程刻畫。在建模過程中分別建立了光伏發電系統的詳細動態模型和簡化模型。詳細動態模型考慮了切換功能的非線性性質，為了完全描述系統并評估其穩定性，基于能量轉換的原理并只考慮理想開關設備的數學近似，建立了一個功率調節單元的微分代數方程模型。建立了同步發電機、勵磁系統、光伏系統、電力系統網絡、負載建立元件微分代數方程，將各方程組聯立從而得到基于網絡功率平衡的小信號分析模型。而穩定器的最優值是通過建立一個最優模型來計算的。結合了光伏發電系統各元件的動態方程，建立了獨立光伏系統的非線性方程組的矩陣，該矩陣可在一個運行條件下線性化，成為線性方程組。由此，文章建立了特征值模型和特征值靈敏度模型。

（二）暫態穩定

電力系統暫態穩定是指電力系統運行于某個狀態下突然發生諸如短路故障、沖擊負荷等大擾動時，電力系統經過暫態過程保持穩定同步運行的能力。光伏系統的暫態行為可以描述為兩種情況，一是當系統受到大擾動的影響時，繼電保護方案導致光伏系統突然與大電網斷開或關閉逆變器，在這種情況下斷開的光伏系統在擾動期間會對電力系統的暫態穩定產生重大影響；二是存在于在低電壓穿越過程中的瞬態行為，對電網產生很大的影響甚至破壞電力網絡。傳統電力系統暫態穩定分析的數學模型，通常可以用一組非線性代數-微分方程來描述。而對于含有光伏發電的電力網的建模問題還需進一步完善，以建立適合于光伏發電系統的動態模型。以小型風力和光伏混合發電系統并入低壓配電系統所組成的電力網為研究對象，其中光伏系統建立獨立光伏系統的非線性方程組的矩陣，并配合與風力發電機組的數學模型來探究網絡的暫態穩定性。

三、光伏發電系統介紹及應用

光伏發電系統包括獨立混合發電系統，并網光伏發電系統以及光伏微網系統。光伏發電運用的儲能系統是著重體現在以下幾個方面：

（一）保證系統穩定

不同于煤炭發電或者風力發電，光伏發電運動的是太陽能，太陽能是取之不盡用之不竭的能源。在能源充足的保證下，儲能系統通過能量存儲能夠保證系統的運動始終穩固，防止其他因素波動的影響。

（二）能量備用

光伏發電的儲能系統可以有效的儲備資源，這樣在不是晴天或者其他不可抗因素導致不能正常發電的情況下，仍舊能夠快速的過度和有效的彌補負荷不足，這個系統對于保持資源穩固起到重要作用。

（三）提高電力品質和可靠性

常規的發電有很多安全隱患，例如：煤炭發電、灰塵、霧霾、顆粒，這些都是會影響到人的身體健康，并且機械設備用的時間久了會產生老化，造成電壓不穩定，出現高峰或者下跌，受到外界干擾比較多，對電網的沖擊性很大。而光伏儲備系統能有效避免這些問題的產生。

結語

隨著經濟的發展，生活節奏的加快，生產生活各個領域對能源的需求日益增多。然而能源是有限的，能源越來越短缺。面對能源需要，保護環境以及經濟發展的多重壓力，無論發達國家還是發展中國家，都在努力尋求各種發展策略。其中不容忽視的就是對可再生能源的挖掘和運用。

作者簡介：

曲天祥（1984.5.27）；性別：男；籍貫：吉林德惠；民族：漢；學歷：本科、學士；職稱：工程師；職務：主任工程師；研究方向：電力系統二次設計。

王羽祥（1990.3.14）；性別：男；籍貫：遼寧鳳城；民族：滿；學歷：本科、學士；職稱：助理工程師；職務：主設人；研究方向：電力系統二次設計。

陳志峰（1980.11.12）；性別：男；籍貫：江蘇蘇州；民族：漢；學歷：研究生 碩士；職稱：工程師；職務：主任；研究方向：電力系統二次設計。

孫秀麗（1984.10.23）；性別：女；籍貫：吉林通化；民族：漢；學歷：本科、學士；職稱：工程師；職務：主設人；研究方向：輸配電。

參考文獻：

[1]王一波，伍春生，廖華，等.大型并網光伏發電系統穩態模型與潮流分析[J].清華大學學報（自然科學版），2016，49（8）：1093-1097

[2]趙爭鳴，雷一，賀凡波，等.大容量并網光伏電站技術綜述[J].電力系統化，2015，35（12）：103-107