光伏發電與風力發電并網技術探討

國網江蘇省電力有限公司徐州市銅山區供電分公司 謝雨函

1 新能源并網的電力電子控制

1.1 新能源技術并網的基本要求

光伏與風力發電系統并網電能質量直接關系到電力系統穩定性，在理想狀態下，應確保新能源電力系統可提供恒定頻率的正弦波，減少各種原因造成電能波動問題。根據上述情況，我國在相關標準中對新能源并網做出詳細規定：電壓擾動。逆變器輸出電壓應小于等于并網點額定電壓的5.0%；頻率擾動。當頻率大于50.5Hz 或者小于49.5Hz 時應自動關閉逆變器；直流分量。小于逆變器額定疏導電流的0.5%；功率因數。大于0.85。

1.2 控制器的實現方案

1.2.1 控制器選型

控制器是光伏與風能發電系統的核心，具有保護蓄電池以及平衡系統能量的功能，本文使用脈寬調制型控制器，該控制器以脈沖形式控制組件，并且可以通過調整開關器件的導通時間與頻率調整電流數值，其蓄電壓越高則證明裝置的電能量越充足。同時，在大功率的光伏與風電發電系統中，通常將電池設置為不同分路并作單獨控制，因此需使用多路控制器，且隨著蓄電池電量不斷充足，控制器即可將新能源發電支路斷開。

1.2.2 檢測電路實現

在新能源并網期間，無論是何種充放電控制器都需要根據蓄電池兩端電壓值控制通斷狀態。為實現上述目標，在控制器設計中可利用檢測電路采集蓄電池電壓等關鍵信息，在控制充放電開關的運行參數后即可調整并網數據。例如當反相輸入為基準電壓時，則同相輸入為蓄電池的實時電壓；如果蓄電池實時電壓大于基準電壓，輸出為高電平，開關元器件導通時，則蓄電池對負載供電。相應若蓄電池的實時電壓值低于基準電壓，系統即可認定裝置輸出低電平，即可自動關斷開關元器件[1]。

1.3 逆變器

本文所介紹的光伏發電與風力發電的逆變系統結構如圖1所示。其應實現以下功能：系統所輸出的電流波形良好，并且各種原因造成的波形畸變率等數據應明顯低于門檻值；在各種原因造成的系統故障處理中（如系統短路或者喪失主網電壓時），逆變器可自動解列；系統所產生的電壓波動應足夠低，確保新能源發電系統可始終維持在最大功率點；當新能源發電系統發生過負荷情況時，逆變器可向新能源光伏發電特性曲線的開路電壓方向調整運行點，將輸入功率限定在特定范圍內；設備噪聲應盡可能地低。

圖1 并網逆變器系統結構

2 最大功率點的追蹤方法

最大功率點追蹤是新能源發電系統中的重要組成部分，這是因為新能源發電技術的發電量受到自然環境因素的影響，如風量、光照以及溫度等因素的變化都會導致系統發電量改變。同時，新能源發電系統所產生的負載也會導致電池輸出特性改變，這是在新能源系統并網中不容忽視的問題。為保證并網安全，應通過最大功率點追蹤的方法，將光伏電池工作維持在最大功率點周圍，進而提高光伏電池的轉換效率。

因此，本次研究中采用干擾法，其本質思想為：在線路系統結構中增設控制器，通過該控制器可隨時監測因為電壓波動問題所產生的電壓信號擾動；經系統處理比較后自動判斷產生干擾前后的輸出功率差值，并根據功率差做出快速反應。例如，當檢測結果顯示輸電線路整體處于功率增加狀態，則系統可按照預先設定的方向產生擾動信號，通過反追蹤即可確定功率點位置。目前，該方法主要分為兩種形式。

一是固定步長擾動法。實施流程后：采樣新能源發電系統的電池電壓、電流量并計算功率→對新能源系統電壓做擾動→比較擾動前后的數據差，當二者相同時，電壓保持不變并直接更新電壓與電流值；擾動前后的數據不相等，若擾動前的數據大于擾動后，即可向反方向擾動；若擾動前小于擾動后，繼續沿著原有方向擾動。在采用該方法時，如何選定適宜的步長成為影響功率點追蹤結果的重要因素，根據現有并網工程的經驗可知，隨著步長的增加會導致追蹤范圍擴大，因此有更高風險出現控制失靈問題。

二是變步長擾動法。該方法在功率電位追蹤期間應根據電池曲線變化情況，根據現場測試結果快速劃分功率點，包括最大功率點的最近位置與最遠位置等，通過現場檢測功率點的范圍區間變化情況即可快速響應功率追蹤、檢測結果。除此之外，在變步長擾動法中隨著反應過程與最大功率點距離縮短，則步長值會下降，因此有助于提升相應精度，確定最優解[2]。

3 新能源發電系統孤島效應檢測方法

3.1 孤島效應簡析

分布式發電系統與電網并網后，導致電網結構及其運行方式發生重大改變，而如何解決分布式新能源技術并網時產生的孤島效應，成為技術人員不容忽視的問題。所謂孤島效應，是指各種原因造成故障事故時，由于現有的電網系統未能針對線路故障問題做出響應，尤其是沒有在第一時間切離市電網絡后，導致故障點位置的電路供給出現異常，最終形成具有自我供給特性的電網孤島。在新能源技術并網過程中，孤島效應的存在會嚴重影響電網運行質量，不容忽視。

3.2 孤島效應的遠程檢測

遠程監測中可通過無線通信設備識別電力系統運行的異常狀態并產生報警信息，根據系統報警數據即可將分布式發電設備與電網斷開連接。

傳輸斷路器的跳閘信號識別。在此類信號識別中可檢測連接在分布式發電機與電網間斷路器與合閘裝置的運行狀態，若因為各種原因造成合閘斷開，上述動作可利用無線傳輸裝置直接上傳至系統的中央處理器中，系統自動利用算法判定孤島范圍，并根據系統計算結果產生斷路器的運行信號，最終使發電機從電網中解列出來。若新能源發電系統有固定拓撲結構，則發電機可通過一定數量斷路器與電網連接時，上述信號傳遞過程則可以進一步優化，即斷路器的狀態信息可直接上傳至發電機中，避免中央處理器需要大量處理信息而造成效率下降的問題。若不同斷路器的開斷狀態導致配電線路的網絡拓撲結構發生改變，則需要運用復雜處理算法確定孤島發生范圍，導致該方法的數據更新煩瑣。

電力線路載波通信技術。從信息檢測技術先進性來看，通過識別線路載波情況可評估電力傳輸效果，利用輸電信號傳輸情況判斷是否存在信息孤島問題。例如，通過變電站信號發生器隨時跟蹤、記錄所有可識別的信號，其中在整個配電線路正常情況下，系統可以檢測出連續且穩定的輸送信號，根據該信號傳輸特征即可確定存在故障；而在故障發生后，接收器無法接收信號，或者所接收的信號信息不連續。根據上述現象，即可判斷孤島現象的發生。

在綜合比較上述兩種方法的優勢后可以發現，電力線路載波通信技術具有操作簡單、系統功能拓展難度低等優點，一般只需要增設一個信號接收器即可了解線路的運行狀態。同時，由于電力線路載波通信技術可以連續采集線路信號，因此可靠性更高。但需要注意的是，電力線路載波通信技術的信號發生器與接收器的采購成本高，若并網接入時的設備少，則會影響總成本。

3.3 孤島效應本地檢測

3.3.1 諧波突變孤島效應檢測

考慮到孤島效應對整個電力系統檢測效果的影響，通過諧波突變檢測即可判斷有無諧波畸變值，一旦檢測到諧波畸變即可確認存在孤島，若檢測結果證明孤島效應發生，其原理為：并網運行期間諧波所產生的畸變率數據差基本可忽視，無限接近于0，此時可將電網視為低阻抗電壓源。但線路孤島問題的存在會導致整個輸電線路電阻值水平發生改變，尤其是隨著電阻進一步提升而導致本地荷載產生諧波變化，在電路檢測中通過識別上述情況即可判斷是否存在信息孤島。尤其是在本地負載為非線性時，孤島現象可能會造成本地電壓失真等嚴重問題。基于上述特性，在孤島檢測中通過識別諧波突變現象作出判斷。

而電壓諧波突變檢測方法在實施階段也存在一定的技術問題，例如關于孤島閾值的選擇直接關系到檢測結果精度，只有閾值足夠低才能保證系統檢測結果的靈敏度，并在孤島效應發生后表現出極高的靈敏度，但是目前關于閾值的選擇一直是難點。

3.3.2 電壓相位突變孤島效應檢測方法

考慮到公共電網在正常狀態下可視為輸出偏低的電壓源，可維持逆變器端電壓，此時當電網從系統中斷開后，則會導致逆變器端電壓相位角改變而應對可能出現的負載值改變情況。在孤島效應檢測中，考慮到逆變器中存在鎖相環確保自身輸出的電壓值與電力系統同步，因此在本方法中只需要增加測量逆變器輸出電流相位，并能在電壓電流相位超過閾值時關斷的開關元件即可，具有操作工藝簡單等優點。

4 并網接入要求

4.1 接入容量設置

在光伏發電與電力發電接入電網時，應按照當地并網容量初步確定接入容量設置方式，本文統計了幾種常見的接入容量確定方法具體資料：小于8kW。新能源電站通常為普通居民接入220V 電壓即可；8kW 至0.4MW。可直接介入380V 電壓等級系統；0.4～6.0MW。直接接入10kV 電壓等級系統；＞6.0MW。提升至35kV 及以上電壓等級中。

4.2 介入方式設計

專項并網接線方式。當前，在經濟開發區等電力基礎設施建設落后但用電量高的地區，開關站與變電站的母線間隔數量少，在新能源發電接入時應先增加間隔。同時，在設置專線時需配置對應的保護裝置、升壓變壓器、專用電纜等，具有投資偏高等問題，因此為達到成本控制目的，專線并網接入技術通常不用于中小型新能源發電站，目前該方法通常被應用在項目資金充裕、光伏容量較大、接入位置較遠的大型分布式光伏發電系統中。

T 接共用線路并網方式。一般針對小型分布式光伏發電與風力發電站中，T 接共用線路并網方式較為常見，該操作方法的核心是將電站出線加裝并網開關后，直接通過T 接的方式與公用線路連接。此類并網方式的優勢是時間少、成本低、效率高，并且在并網時通常不需要配置其他專用線路，也不會因為占用昂貴的變電站或開閉所間隔。但不容忽視的是，此類并網方式會直接影響配電網的潮流，造成原有線路的繼電保護裝置的定值配置方案不適用，進而危及電力系統的運行穩定性，不容忽視。

分散接入方式。針對容量更小的分布式光電與風電發電系統，可采用分散式接入方式，例如直接并入配電變壓器的400V 側，向380V 電壓等級的低壓負荷供電。在操作階段應注意的是，為確保光伏發電裝置可持續向電網反向輸出輸送功率，則需要在配電變壓側位置增設逆功率保護裝置。

4.3 接入實例分析

本單位規劃的5.5MW 新能源發電項目采用光伏發電技術，由一條35kV 線路供電，在該項目電力系統接入中，新能源電路經過斷路器直接連接在配電變壓器低壓側母線，輸出電能就地消納，不向電網提供有用功率。同時在新能源發電站內建設一座0.4kV/10kV 升壓站和一條10kV 線路，當新能源系統輸出的電壓利用變壓器集中升壓至10kV 后即可接入企業車間母線上。

本項目的一次接入系統方案為：光伏發電站發電力匯流升壓至10kV 后，通過新建1回10kV 線路接入本單位35kV 變電站2號車間10kV 配電室10kV 母線，在第二次接入系統設置上，在并網中采取以下措施：將電網系統35kV 進線側配置微機過電保護裝置；在10kV 并網線路中增設微機過電流保護裝置；最后配置一套防孤島裝置，該裝置可確保電站有滿意的防孤島功能。通過上述方法，本單位順利解決了光電系統接入的不穩定性，配電網電壓穩定性顯著提升，使光伏發電系統發出來的電量能最高效地消納，充分體現國家綠色節能環保高效的電網建設發展理念。