光伏并網系統中新能源電力質量調節技術與方案探討

國網山東省電力公司寧津縣供電公司 溫艷潔 仝 偉

隨著能源需求的不斷增長和環境保護意識的提高，新能源技術在電力系統中的應用逐漸受到重視。光伏發電作為一種清潔、可再生的能源形式，其在電力生產中的地位日益重要，光伏發電系統的聯網運行具有諸多優勢，其中之一便是其在大型電網事故時，可提供安全穩定的備用電源。本文旨在探討光伏并網系統中新能源電力質量調節技術與方案，以期為推動新能源在電力系統中的更廣泛應用提供理論和實踐的支持。

1 光伏發電技術概述

1.1 光伏基本工作原理

光伏效應是一種光電轉換現象，其基本工作原理是利用半導體材料的光電特性，將光能轉化為電能。在典型的光伏器件中，通常采用p-n 結構的半導體，當光子能量高于半導體的帶隙能量時，光子被吸收并提供足夠能量，以激發價帶中的電子躍遷到導帶，同時在價帶中留下一個電子空穴對，轉換過程中需要光子能量大于或等于半導體帶隙能量，才能發生有效的光電轉換[1]。

在p-n 結構中，由于p 區和n 區之間存在內建電場，在光照條件下，激發的自由載流子將受到電場的作用而分離，電子向n 區移動，而空穴則向p 區移動。這樣就在p-n 結構中形成了一個電勢差，即電壓。通過連接外部電路，這個電壓將驅動自由載流子在外部電路中形成電流，從而完成光能到電能的轉換。對于光伏電池的材料選擇和設計，關鍵在于選擇合適的半導體材料和調控p-n結構的參數，最大限度地提高光伏效率，還需要考慮光伏器件的光吸收特性、載流子傳輸效率以及接觸電阻等因素，以確保光伏器件具有良好的性能和穩定性。

光伏電站由多個光伏電池組成，而光伏電池的基本單元是p-n 連接。每個p-n 連接產生的額定電壓通常約為0.48V，根據光照條件和溫度的變化，實際電壓可能會有所波動。光伏電池被安裝在光伏組件中，組成光伏陣列，以便將光能轉化為電能。光伏電站通常還包括支撐結構、電氣設備（如配電箱、變壓器等）、監控系統和連接電纜等輔助設備，以確保光伏電站的安全運行和有效管理[2]（如圖1所示）。

圖1 光伏電站組成

1.2 光伏并網原則

光伏發電系統的并網設計中，原則上應考慮不同電源的容量、類型和重疊影響，最大限度優化系統性能，確定相關的并網點是必要的，應盡量減少并網點的數量，通過合理規劃并網點的位置和布局，可以有效地降低系統建設成本和運行成本，并提高系統的可靠性和穩定性[3]。光伏發電系統在并網運行過程中，除了有功輸出外，還需要具備無功控制的功能。有功控制用于調節光伏發電系統的發電功率，以適應電網的負荷需求和運行狀態，而無功控制則用于調節系統的功率因數，維持電網的電壓和頻率穩定。

2 光伏系統典型結構及其對電網的影響

2.1 光伏系統典型結構

光伏系統典型結構包括光伏陣列、兩級儲能系統和逆變器。本文選擇了兩級光伏發電拓撲結構，其中光伏陣列是核心部分，將太陽能轉化為直流電能。混合儲能系統作為關鍵組成部分，相比單級儲能系統具有更多技術優勢，第一級電池儲能系統存儲光伏陣列產生的電能，第二級儲能系統如超級電容器，或儲熱系統則提供更快的響應速度和更長的持續輸出時間，逆變器則負責將直流電能轉換為交流電能，并實現對系統的監測和控制，包括功率調節和無功控制等功能，以確保光伏系統的安全穩定運行[4]（如圖2所示）。

圖2 光伏并網系統拓撲結構

2.2 光伏電源對電網電能質量的影響（見表1）

表1 光伏電源接入電網正面和負面影響表

2.2.1 正面影響

光伏電源作為一種清潔、可再生的能源形式，其接入電網不僅能夠實現就地能量平衡，減少投資成本，還能提高電網的穩定性和改善電能質量。通過合理配置儲能裝置、充分利用光伏逆變器的無功調節能力，并結合統一電力質量控制器等先進設備，光伏發電系統與電網之間的良好融合為電力系統的可持續發展提供了有力支撐[5]。

接入電網的光伏電源在多個方面對電力系統產生積極影響。光伏電源具備就地能量平衡的獨特優勢，能夠在本地實現能量的產生和消耗，無須進行長距離的電能傳輸，因而避免了遠距離傳輸所帶來的較大投資和能源損失。通過合理配置儲能裝置和充分利用光伏逆變器的無功調節能力，可以將光伏發電系統與統一電力質量控制器（UPQC）等先進設備相結合，UPQC 能夠監測和控制電網的電壓、頻率和諧波等電能質量問題，提高了電網的供電質量和穩定性。

通過與UPQC 的結合，光伏發電系統能夠更好地適應電網的運行狀態，優化光伏發電系統與電網之間的交互作用，進而有效降低了對發電系統的投資需求，這種整合不僅提高了光伏發電系統的經濟效益，還能進一步改善電網的電能質量，為用戶提供更加穩定、更加可靠的電力供應[6]。

2.2.2 負面影響

光伏電源的引入在某些方面對電網的電能質量產生了負面影響，傳統的單向電流被改變為具有雙向變化的電流，這導致了一系列的挑戰。光伏電源的輸出電流具有隨機性、波動性和不可調度性等特點，這意味著其輸出電流難以事先預測和控制。這種不確定性容易引發電網的電壓波動問題，尤其是在天氣變化劇烈或光照條件不穩定的情況下，可能導致電壓的快速變化，影響電網的穩定性和可靠性。

光伏電源的輸出特性還可能引發諧波污染問題，電源輸出的電流不斷變化，可能會產生頻率較高的諧波，從而對電網的電壓和電流波形產生扭曲，影響電網設備的正常運行，諧波污染不僅會影響電網的電能質量，還可能導致電力設備的過熱、損壞甚至故障，增加了電網維護和運營的成本，對電網的安全穩定運行構成威脅。

光伏電源的隨機性還可能導致電網出現過電壓問題，當光照強度突然增加時，光伏發電系統的輸出電壓可能會迅速升高，超過電網的承受范圍，導致電網出現過電壓現象。這不僅會對電網設備造成損壞，還會影響用戶的電器設備正常運行，給用戶帶來不便和損失。

3 改善電網電力質量技術方案

3.1 電網側的措施

在光伏電源規劃建設階段，應對可能出現的過載問題是至關重要的。針對電網的輸電線路，可以考慮進行導線升級，增大導線的半徑以提高輸電線路的輸送能力，可以有效地降低輸電線路的電阻損耗，提升電網的輸電能力，從而應對光伏電源接入后可能出現的過載情況。安裝動態靜止無功補償器（D-STATCOM）是另一種重要的措施，D-STATCOM 能夠實時響應電網的無功需求變化，通過控制其輸出來實現電壓的調節和穩定，能夠有效提高電網的穩定性和可靠性，減少電網運行中可能出現的問題和故障。因此，在光伏電源接入電網的過程中，安裝D-STATCOM 可以為電網提供更加靈活、可靠的無功補償，有助于克服光伏電源接入可能引發的電能質量問題，確保電網的安全穩定運行[7]。

3.2 光伏系統側的措施

在光伏系統側采取措施降低有功功率的變化具有關鍵意義。建立準確的預測模型，以實時估計任何天氣情況下，電網可承受的最大光伏有功出力，建模需要綜合考慮氣象數據、光伏電站的技術參數以及電網負載情況，一種常用的方法是基于氣象數據和歷史光伏發電量建立預測模型，通過數學模型和機器學習算法來預測光伏發電量，從而實現對光伏有功出力的準確估計。

針對天氣變化快速的情況，特別是在多云天氣下，光伏系統需要具備快速響應的能力，可通過采用先進的功率控制技術來實現，例如采用快速響應的光伏逆變器，可實時調整光伏發電系統的輸出功率，以適應天氣變化帶來的光照強度變化，結合智能控制算法，可根據實時氣象數據和電網負荷需求，動態調整光伏系統的工作狀態，最大限度利用光伏發電系統的容量，并確保光伏發電的上限可以從電網中吸收。

為了應對光伏發電量的不確定性和電網負荷的變化，可考慮提高儲能系統的容量和效率，儲能系統能夠在光伏發電量波動較大時存儲多余的電能，并在電網負荷增加或光伏發電量不足時釋放電能，以平衡電網的供需關系，采用高效的儲能設備和智能控制系統，能夠提高儲能系統的響應速度和效率，有效降低光伏發電對電網的影響，維持電網的穩定運行。

4 結語

光伏發電帶來了積極影響，但其隨機性和波動性也給電網帶來了挑戰，光伏發電作為清潔能源，有助于減少碳排放，降低環境污染，并可降低電網運營成本。然而光伏發電受天氣等因素影響較大，其輸出不穩定性可能引發電網頻繁波動和質量問題，因此需采取措施提高預測精度、引入儲能技術等以應對挑戰，以實現光伏發電系統與電網的有效協調運行。