大規模光伏發電對電力系統穩定性的影響

劉元 許震歡

【摘 ?要】近年來，光伏并網發電系統由于受到諸多相關的經濟和環境因素的影響而日益發展，給電力企業帶來了控制和運行方面的問題。關于與電壓和頻率穩定，電能質量和短期負荷預測，可能影響電力系統的安全穩定運行帶來的發電的光伏系統，詳細分析了可能的副作用，可能帶來分配制度也從繼電保護的角度，研究電力供應的可靠性，電力計量、實時監控和調節等。提出了大量光伏并網系統接入高壓電網所面臨的技術挑戰和可能的解決方案。

【關鍵詞】光伏并網;電能質量;安全性與穩定性;配電網

1 引言

越來越多的可再生能源發電進入電網，如風力發電和光伏發電，這給公用事業部門造成控制和運行問題，因為電網沒有預先設計考慮到這些分布式或間歇發電。在許多國家，越來越多的光伏機組已經并將被接入公用電網。光伏發電難以預測，主要取決于天氣條件。此外，它們通常通過電力電子變換器與電網相連，這與傳統發電機也有很大的不同。

2 光伏并網對電力系統的影響

公用事業公司擔心先前引用的風能或太陽能對電網的影響。目前的運行模式和控制策略可能會更新，以適應這種新型發電滲透所帶來的新情況。雖然光伏具有多種應用，但光伏發電系統主要有兩種，即獨立光伏系統和并網光伏系統。隨著光伏發電容量在過去幾年的顯著增長，當大型光伏接入公用電網時，一般的副作用應該得到更多的重視。主要技術大規模光伏發電對電網的影響是：電能質量、潮流控制、電壓和頻率穩定，以及一些對配電系統的影響。

2.1 對電能質量的影響

光伏并網對電網電壓質量及其控制產生了一定的影響，這種影響體現在配電網和輸電網絡中。這些影響主要與光伏系統的安裝位置和規模有關。光伏組件產生的輸出功率受太陽電池輻射強度、太陽電池溫度等因素的影響。當這種功率輸出量足夠大時，輸電線路上的電壓脈動明顯且難以控制，特別是在配電系統中，只提供電容組來調節電壓。光伏系統與公用事業相互連接，必須使光伏系統達到當地公用事業的諧波標準，并確保逆變器輸出波形諧波畸變在公用事業公司規定的范圍內。

光伏系統通過電子功率變換器與電網相連，對電網產生諧波。諧波會對鄰近的設備產生負面影響，如電子設備過熱、錯誤的測量讀數和電容器組的諧振。當包含光伏系統的供電區域突然與主電網隔離時，可能給整個配電系統和隔離區域帶來的負面影響可能包括以下內容：

1）光伏系統所在的孤立局部區域內的電壓和頻率不穩定;

2）如果沒有儲能元件，或者儲能容量低，用戶端可能發生電壓閃變;

3）單相運行方式可能會導致原配電網出現不對稱，影響用戶的用電質量。

此外，當光伏系統重新接入電網時，相位不對稱也可能對電網用戶造成沖擊。

2.2 對電壓和頻率穩定度的影響

（1）對電壓的影響及其控制

隨著光伏發電的總比率的增加，不僅會有一些副作用配電系統電壓控制，但也可能有一些影響高電壓等級電網的電壓特性，它甚至可能引起電壓穩定問題特別是在負荷中心當大量的光伏系統應用。因此，即使未來有大力發展光伏發電的主導趨勢，也需要對此類發電在負荷中心的比例進行適當的控制。

（2）對頻率及其控制的影響

光伏系統規模足夠大時，電網也可能出現頻率問題。例如，由于隨機光伏發電的本質，電網頻率可能不時波動，將會影響渦輪葉片的生活在某種程度上如果主頻率調節主要是由一些燃煤發電機組有關地區的光伏發電滲透。

此外，為了接受光伏系統產生的大量電能，應對光伏系統的時變特性，電網必須有足夠的調峰電源，也需要人們重新審視電網調峰容量的傳統配置概念。當嵌入大規模光伏系統的局部電網與主電網隔離時，如果在該區域不再安裝蓄電池，隔離電網中可能同時出現電壓和頻率問題。

2.3 對配電系統的其他影響

（1）對保護繼電器的影響

由于配電系統位于輸電鏈的末端，其電壓水平通常較低。在光伏發電投入實際應用之前，配電系統基本上是一個無源網絡，部分地區可能存在零星的小容量水電和燃煤發電。這意味著在大多數徑向配電系統中，潮流往往具有單向本質。上述原因使得目前配電網中現有的保護繼電器大多具有方向性不敏感的特點。

在與風能、生物質能等并網可再生能源技術混合發電模式下，配電網的潮流可能具有雙向特性。如果光伏系統不能與配電網安裝的原有中繼系統協調并適應，光伏系統接入的支路上的繼電器就有可能發生不正確的跳閘，從而導致該支路的功率損失。另外，當光伏發電接入時，通常會減小原有繼電器的保護面積，影響保護繼電器的正常運行。

2）對配電網可靠性的影響

有時，光伏系統也會對電力系統的運行可靠性產生負面影響，特別是對于位于電網末端的配電系統。例如，當光伏發電所處的交流系統停止運行時，光伏逆變器無法正常換向，這意味著當電力系統確實需要幫助時，光伏發電系統也將無能為力。從這個角度來看，光伏系統的存在并不一定會提高配電系統的可靠性。

此外，不適當的安裝位置、容量配置以及光伏發電機組與電網的連接方式也會降低配電網的可靠性。如光伏系統與配電網原有保護繼電器協調不良，可能會導致相應繼電器誤動作，降低電網的可靠性。

（3）影響實時監視、控制和調節分配系統

與高壓電網水平相比，傳統的分銷網絡本質上是一種被動和徑向電網，其信息收集、開關操作和能源調度是相對簡單的，通常是根據統一的訂單進行了電力調度部門。然而，光伏發電的滲透會使這個過程變得復雜。光伏系統的滲透，這類型的附加信息應該補充，應該使用這些補充信息監測或控制應用程序，以及由誰，所有這些問題都應該被重新審查根據電網連接光伏發電規則，最后通過調度部門的效用后適當的協調各種可能存在的技術或經濟方面。

（4）對電能計量的影響

嵌入式光伏系統在部分配電系統中的潮流可能具有雙向特，未來有必要引入雙向計量模式來應對配電線路潮流的不確定性。此外，由于光伏發電的主要成本較高，在測量系統中合理反映不同類型發電的價格差異也需要重新考慮。

2.4 對電網調度的影響

（1）難以控制的接口功率交換

光伏系統的發電是強烈受天氣條件的影響，這導致其發送功率不斷變化的網格，這是不利于順利功率控制的一個接口連接兩個不同的電網。

（2）短期負荷預測難度更大

傳統的逐日發電計劃主要依靠對負荷的準確預測。由于光伏系統的低電壓特性，光伏系統產生的電能往往會被其周圍或附近的局部負荷所平衡。然而，光伏發電系統受氣候的影響較大，這可能使整個電網的總實測負荷更具有時變和隨機性。這意味著光伏發電在一定程度上給短期負荷預測和發電調度帶來一定的困難。

3）對原有電力調度管理系統的挑戰

此外，光伏系統的投資者可能來自不同的經濟實體可能有不同的好處與公用事業公司，會有很多的機會他們啟動或關閉光伏系統根據自己的需求，和一起的事實不確定光伏系統的發電，電力公司不得不面對還分布能源管理方面的挑戰，而未來大量光伏系統接入輸電系統時，高壓側能量管理也可能面臨同樣的問題。

3 結論

針對大規模發電和高壓水平滲透引起的光伏特性，討論了這些特性對電力系統安全穩定問題的影響，包括電能質量、潮流控制、電壓頻率穩定性、配電網。

針對光伏系統的實際和研究需求，提出了相應的研究方向：（1）光伏系統建模方法;（2）光伏并網電網動態特性;（3）含光伏系統的電力系統分析計算技術;（4）光伏并網系統控制技術。

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（作者單位：國網上海市電力公司培訓中心）