光伏并網對電網自動化控制系統的影響分析

0 引 言

近年來，傳統能源不僅存在能源緊缺問題，還帶來了環境污染問題。全球能源結構轉型勢在必行，清潔能源正逐漸取代傳統能源[1]。太陽能因節能減排、取之不盡的特性深受人們喜愛，未來我國將進一步擴大光伏發電的應用范圍。同時，光伏出力的隨機波動性影響電網的運行，主要集中在自動發電控制系統、自動電壓控制系統及自動穩定控制系統等方面。因此，研究光伏并網對電網自動化控制系統意義重大。

1 光伏并網與自動發電控制系統

近年來，我國正大力推進新能源的普及，如太陽能、地熱能、風能等非常規能源正逐漸代替煤炭、石油等傳統能源。在眾多新能源項目中，太陽能的應用最普遍，與扶貧、農業、環境等領域的結合也越來越緊密。在政策扶持和國內市場需求被激發的情況下，光伏發電產業增長迅猛[2]。隨著市場需求的增長，光伏產業的發展模式趨于多元化?！皾O光互補”“農光互補”“光伏扶貧”等發展模式的興起，促使光伏產業生機勃勃。

同時，光伏發電出力具有明顯的波動性和隨機性，且隨著太陽光照強度的變化，其大小隨之變化。圖1為某地區典型日的光伏出力曲線。首先需保證系統功率的動態平衡。系統中的負荷隨時變化，故需配備自動發電控制系統應對負荷的不確定性。當系統中接入光伏電站后，光伏出力也具有不確定性，故需設置更多的旋轉備用容量，以應對增大的系統不確定性，提高對自動發電控制系統的要求。

圖1 光伏的典型出力曲線

由圖1可知，光伏出力在白天太陽光照強度較高時段，出力較大；在夜間光照強度為零時，光伏出力為零。光伏出力顯著的波動性給系統的自動發電控制系統（AGC）帶來了一定挑戰。系統保證穩定運行，

光伏并網后對系統旋轉備用容量的影響，主要包括對系統的正旋轉備用容量和負旋轉備用容量的影響。當光伏出力較小時，系統中的常規機組需增大發電出力，滿足系統的負荷需求[3]；當光伏出力較大時，系統中的常規機組需減小發電出力，保證系統功率時刻保持動態平衡。

系統的自動發電控制系統主要是調節系統的頻率。電力系統的頻率調整按照負荷變化的周期和幅值大小進行區別對待。針對不同的負荷變動分量，劃分為一次調頻、二次調頻和三次調頻，從而做到合理分配機組的調節功率，同時考慮系統運行的經濟性和計劃發電量等因素的影響[4]。一般而言，光伏并網后，需結合自動發電控制和安全約束經濟調度構成閉環控制系統，實現穩定斷面越限的預防和校正控制，給出系統的最優經濟調度策略。

2 光伏并網與自動電壓控制系統

我國光伏行業發展迅速，在高純多晶硅原材料生產、太陽能電池生產、太陽能電池組件生產及相關生產設備制造等領域均處于領先地位。例如，擁有一流生產工藝和國際先機設備的展宇新能源股份有限公司，憑借自主生產的領先國際水平的多晶黑硅太陽能電池，成為全球規模最大、技術最先進的黑硅電池生產商。光伏發電需采用大量的電力電子裝置，消耗大量的系統無功功率，故光伏并網對系統的電壓和自動電壓控制系統（AVC）有一定的影響[5]。光伏電站出力受太陽能資源的影響，具有規律性和波動性。

光伏發電的有功功率不斷變化，無功功率也隨之不斷變化，而電壓與系統的無功功率水平關系密切。當系統中的無功功率充裕時，系統應對電壓沖擊的能力強；當系統中的無功功率不足時，系統應對電壓沖擊的能力弱，易出現電壓崩潰的現象。系統常采用的電壓調整方式有并聯電容器、調節有載變壓器的分接頭位置或者調整系統的運行方式。將負荷較重或電壓調節壓力較大地區的負荷轉移到其他線路接收，有利于系統的電壓調節。對于有大量光伏并網的地區，應配備足夠的無功電源。當系統無功功率不足時，無功電源可快速響應，提高系統對電壓的調節水平，進而保障系統的電壓穩定。

在含光伏發電的經濟調度或優化控制模型中，加入系統的節點電壓約束；在滿足系統節點電壓正常的前提下，實現光伏的最優并網控制。只有當無功功率水平和電壓水平均處于合理范圍時，才可維持系統穩定運行。自動電壓控制系統作用重大，尤其是當光伏大量并網時，更需發揮電壓調節作用。

3 光伏并網與系統穩定控制系統

光伏發電是利用太陽能電池的光伏板接收太陽光能并轉換為電能的一種技術，是國家鼓勵推廣的新能源發電項目。光伏扶貧政策在我國很多地區得到了很好落實，不管是集中式的大規模光伏電站還是裝機容量較小的分布式光伏，光伏的總裝機容量在不斷擴大。由于光伏出力的波動性和不確定性，需設置更多的輔助服務以保證光伏并網后的系統穩定運行。式（1）為系統的功率平衡約束，光伏發電出力不斷變化將影響系統的功率平衡，使系統有一定的穩定運行壓力。

其中，PG,i和QG,i分別為系統中電源發出的有功功率和無功功率，包括常規機組和光伏發電機組；PD,i和QD,i分別為系統中負荷的有功功率需求和無功功率需求；NB為系統中的總節點數。

為保持系統運行穩定性，電網都配備了相應的穩定控制措施，包括負荷的批量控制和多輪負荷切除等系統穩定控制裝置。當系統的穩定運行受到挑戰時，系統會啟動負荷控制策略。依據安裝負荷的重要程度和負荷在電網中的分布情況，實現分輪次切除，以保證系統的穩定運行。當系統中的光伏發電占比較大時，由于光伏出力時大時小，對系統中的控制穩定裝置的控制性能和控制策略的要求也較高。負荷切除后，可采用儲能裝置、多能互補等多處措施，滿足系統的棄光電量不過高的要求。

為使我國未來光伏發電向高質量、高比例的方向發展，還需解決以下幾方面問題。第一，大電網向智能化、高效化方向發展，逐漸實現可再生能源友好型，即提高有間歇性的太陽能發電的并網率。在高速雙向通信技術的基礎上，利用先進的傳感和測量技術、控制方法及決策支持系統，實現電網的智能化。第二，做好國內的區域互聯，強化清潔能源開發消納，而微能源網是一個重要的發展方向。微能源網是能源互聯網最核心的子單位，可通過能源存儲和優化配置，實現本地能源生產與用能負荷的基本平衡，實現按需與公共電網的靈活互動。

4 結 論

與傳統能源易造成環境污染且存在一定安全隱患不同，光伏發電以太陽能為原料，具有安全可靠、無噪聲、無污染排放及絕對干凈的優點，且很少受地域資源分布的限制。我國絕大多數地方都可很好地利用太陽能，因此光伏發電具有廣闊的應用前景。光伏發電具有可持續性，在我國未來能源結構中的占比將進一步提高。通過處理好光伏并網對系統自動發電控制、自動電壓控制和自動穩定控制的影響，將進一步擴大光伏并網的規模，實現光伏產業的良好發展。