光伏發電系統的并網技術及其對電力系統的影響研究

龐金龍，孫記忠，張太亮

（1.山東新能電力科技有限公司，山東 濟南 250000；2.山東尚禾電力工程咨詢有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

隨著全球能源結構的調整與清潔能源的崛起，光伏發電技術因其可再生、低碳的特點逐漸成為電力系統中的重要組成部分。光伏發電系統的不穩定性和間歇性給電力系統的運行帶來了一系列挑戰。隨著技術的不斷發展，光伏發電系統的規模逐漸擴大，在電力系統中的滲透率顯著提升。同時，光伏發電系統的大規模接入帶來了一系列新的技術問題與運行問題[1]。電力系統必須適應光伏發電系統的波動性，確保在不同天氣條件下仍能保持穩定的運行狀態。在過去的研究中，雖然已經有一些關于光伏發電系統的并網技術和影響的研究，但是在不同場景下的并網技術的適用性和光伏發電系統對電力系統運行的具體影響程度尚未深入研究。因此，研究光伏發電系統的并網技術，深刻理解其對電力系統的影響，具有重要的理論與實踐意義。

1 光伏發電系統的并網技術

集中式并網主要適用于國有大型發電站，通常位于我國西北的荒漠地帶，地理位置優越，陽光資源豐富，但距離主要負荷點較遠。集中式并網的核心是將光伏發電站產生的直流電經過逆變器轉換為交流電后，直接接入電網。但是，與電網電力單向交換，即只能向電網輸送電能，而不能從電網吸收電能。

分布式并網適用于小規模的光伏發電系統。該方式下的光伏發電系統產生的電能可以直接分配到用電負載上。如果電力有多余，可以通過電網賣給其他用戶；如果電力不足，則可以從電網購買。與電網的電力雙向交換，更加靈活。分布式并網通常適用于小規模的光伏發電系統，如城鄉屋頂光伏和光伏建筑一體化等。這種方式的投資小、建設周期短、占地面積小，并且得到了政府政策的大力支持，因此在近年來得到了快速發展[2]。

集中式并網在大型發電站中能夠實現較高的能源利用效率，而分布式并網則更側重于就近供電和能源的綜合利用。分布式并網能夠與電網進行雙向電力交換，當電網出現故障時可以孤島運行，繼續為關鍵負載供電，在供電可靠性方面具有一定優勢。

2 光伏發電系統對電力系統的影響研究

2.1 光伏發電系統對電力系統性能的影響因素

光伏發電系統對電力系統性能的影響因素較多，其中光照條件是至關重要的因素。不同光照強度和角度直接影響光伏板的光吸收效率，而季節性和日變化導致光照的波動性，直接映射在系統的電流和電壓輸出上。溫度對光伏板的影響也不可忽視。高溫度下光伏板的導電性能降低，影響電流輸出[3]。因此，綜合考慮光照和溫度的變化，精準調控系統發電性能成為優化光伏系統運行的重要手段。

在組件質量和設計方面，組件的損耗率和使用壽命直接取決于制造工藝和所選用的材料。優質材料和制造工藝可以提高組件的光電轉換效率、抗老化能力和長期穩定性，確保系統長期高效運行。對光伏組件的深入研究有助于制定更高標準的組件生產和檢測標準，提高系統的整體性能。

電池組配置包括電池組數量、每組電池數、電池容量等配置。需要根據電池解決方案的要求設置電池數量、每個電池組中的電池數以及電池的額定容量，還需要根據能源需求和系統設計確定電池組的容量。在設計鋰離子電池組時，對于圓柱形電池組，配置涉及電芯檢測、電池自動貼面墊安裝、鋰電池鎳片焊接或帶板焊接、電池組綜合測試等步驟。因為同一規格型號的單體電池組成電池組后可能存在電壓、容量、內阻、壽命等參數的差異，所以在配置電池組時應綜合考慮這些因素以確保電池組的性能。

2.2 光伏發電系統對電力系統穩定性的影響

光伏發電系統對電力系統穩定性的影響主要表現在頻率和電壓2 個方面，這涉及光伏系統的電流輸出特性和并網技術的復雜調控機制。光伏系統的間歇性發電特性對電力系統頻率造成的挑戰不可忽視。由于天氣變化和光照條件不斷變化，光伏系統的電流輸出存在波動，直接由電力系統的頻率體現。在光伏系統大規模接入的情況下，系統頻率的瞬時波動性增加，尤其是在日出和日落時光伏系統發電較為集中的情況下，頻率的不穩定性顯著上升[4]。這要求電力系統能夠實時響應并調整頻率，以維持整個系統的頻率在合適的范圍內。光伏電池組的輸出受光照強度、溫度等因素的影響，其輸出功率會發生變化。當光伏電池組大規模接入電力系統時，會對系統的電壓穩定性產生影響。尤其是在光照強度快速變化時，光伏電池組的輸出功率也會快速變化，使得電力系統的電壓出現劇烈波動，影響系統穩定性。

光伏系統的并網對電力系統電壓穩定性提出了更高的要求。光伏系統的電壓輸出受光照強度和溫度等因素的影響，因此存在一定的波動性。在電力系統負荷發生快速變化時，光伏系統的電壓輸出波動可能導致電力系統的電壓瞬時變化。這對于電力系統的設備和用戶連接設備都構成一定的挑戰，這是因為電壓的不穩定性可能引起設備損壞或不正常運行。

2.3 光伏發電系統對電力系統穩定性的影響程度分析

為定量評估光伏發電系統對電力系統穩定性的影響程度，進行了一系列模擬實驗和數據分析。根據不同情景模擬得到的具體數據,光伏系統對電力系統頻率的影響如表1 所示，光伏系統對電力系統電壓的影響如表2 所示。

表1 光伏系統對電力系統頻率的影響 單位：Hz

表2 光伏系統對電力系統電壓的影響 單位：kV

表1和表2的數據清晰展示了在光伏系統接入后，電力系統頻率和電壓的變化情況。頻率方面，光伏系統引入的波動范圍在0.05 Hz 以內，主要集中在頻率略微下降的部分。電壓方面，光伏系統接入后，電壓波動范圍在0.2 kV 以內，對電力系統的電壓穩定性影響相對較小。這些具體的定量數據為深入理解光伏系統對電力系統穩定性的影響提供了依據。

3 優化措施

在頻率控制方面，引入先進的智能化調頻裝置。通過實時監測電力系統頻率變化，智能調頻裝置能夠快速響應，并采取有效措施將系統頻率維持在合理范圍內。結合光伏系統的預測模型，實現對未來光照條件的精準預測，為頻率調節提供更準確的信息。這一優化措施有效緩解了光伏系統引入的頻率波動，提高了電力系統對光伏發電特性的適應性。

在電壓控制方面，采用先進的電力電子裝置和調控策略對光伏系統電壓進行精細調節必不可少。引入高性能逆變器和電壓調節器，實現對光伏系統輸出電壓的實時監測和調整。特別是在電力系統負荷變化較大的情況下，通過電壓調節裝置迅速響應，確保電力系統的電壓穩定輸出[5]。采用電壓平衡器技術，通過優化電力系統的拓撲結構，降低系統內部電壓波動。這一系列優化措施顯著提升了電力系統對光伏系統電壓波動的調節能力，保障了電力系統的穩定性。

在光伏系統接入電力系統的故障處理方面，引入智能型的故障恢復策略是提高系統安全性的有效途徑。智能系統實時監測光伏系統，能夠迅速判斷故障類型，并采取相應的恢復措施。在故障恢復時，通過優化電力系統的切換邏輯，實現光伏系統的迅速脫離和重新接入，最大限度地減小故障對電力系統穩定性的影響。

4 結 論

文章通過翔實的實驗數據和深入的技術性分析，揭示了光伏發電系統對電力系統穩定性的復雜影響機制。在光伏系統發電性能的影響因素方面，天氣條件、組件質量和設計、電池組配置等因素被深入剖析，為光伏系統的優化設計提供了具體的指導。在光伏發電系統對電力系統穩定性的影響方面，通過模擬實驗和數據分析，量化展示了頻率和電壓方面的實際影響程度，提出了智能化頻率調節、電力電子裝置優化和智能型故障處理等技術性的優化措施。這些措施不僅有效降低了光伏系統對電力系統的負面影響，更為實現光伏系統與電力系統的協同運行提供了切實可行的技術路徑。