大規模光伏發電對電力系統影響綜述

高 震，張亞菇

（國網大同供電公司，山西 大同 037000）

0 引 言

隨著光伏發電技術的不斷發展，大規模光伏發電系統的并網已經成為清潔能源領域的重要組成部分。然而，其接入電力系統帶來的影響也不可忽視。文章旨在深入探討光伏系統對電力系統特性的影響，為實現光伏系統的高效和穩定并網提供理論支持。

1 光伏發電并網系統的基本概述

光伏發電并網系統是一種利用太陽能光伏電池將太陽能轉換為電能，并通過逆變器將直流電能轉換為交流電能，最終與電網連接的系統。該系統主要由光伏組件、逆變器、電網連接設備及監控系統組成。光伏組件通過光照吸收光子產生電流，逆變器將直流電轉換為電網所需的交流電，實現電能的高效輸送。

2 大規模光伏發電接入對電力系統特性的影響

2.1 對于有功頻率特性的影響

大規模光伏發電接入會對有功頻率特性產生一定的影響，主要表現在電力系統慣性減弱和頻率動態響應性變化2 個方面。

一方面，光伏電站產生的電力是直流電，通過逆變器轉換為交流電。與傳統的同步發電機相比，其對系統慣性的貢獻較小，導致系統在面臨擾動時，頻率波動更為敏感，對電力系統頻率的穩定性提出一定挑戰。

另一方面，光伏發電系統在電力系統中引入非線性逆變器，其響應速度比傳統的同步發電機更快，能夠更快速地響應瞬時頻率擾動[1]。然而，頻率的瞬時變化可能增加系統運行中的頻率不穩定性風險，因此需要采用有效的頻率調節措施，如輔助電源或儲能系統，以確保系統頻率的穩定性。

2.2 對于無功電壓特性的影響

首先，光伏電站本身不具備提供無功功率的能力，而傳統的同步發電機通常能夠提供一定的無功功率來維持電壓穩定[2]。因此，光伏發電系統接入可能引起系統無功功率不足，影響電壓的穩定性。為解決這個問題，需要采用無功功率補償設備，如靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）等，以維持系統的無功平衡。其次，光伏電站的逆變器可能引起電壓波動。由于光伏電站的輸出受日照條件的影響，其發電功率可能會出現瞬時變化，導致系統電壓的瞬時波動。最后，大規模光伏發電接入可能對電力系統的電壓調節范圍和電壓總諧波畸變產生一定的影響。

2.3 對小擾動穩定性的影響

首先，光伏發電系統的輸出具有間歇性和不確定性，受日照條件等因素的影響，會導致發電功率瞬時變化。這種瞬時變化通過光伏逆變器的響應可能引起系統頻率和電壓的小擾動。其次，光伏發電系統的接入可能引起系統的動態響應變化。傳統同步發電機具有慣性效應，有助于維持系統的動態穩定性。然而，光伏電站的逆變器缺乏類似的慣性效應，可能導致系統對外部擾動的響應性變化[3]。最后，光伏發電系統的電氣特性和傳統同步機組存在差異，可能對系統的頻率阻尼和阻尼振蕩產生影響。

2.4 對于電能質量的影響

首先，由于光伏發電的輸出具有波動性和間歇性，引入的瞬時變化可能導致電網電壓和頻率產生波動，為電能質量帶來一定的挑戰，尤其是在高比例光伏發電系統接入的情況下。其次，光伏逆變器的運行特性可能造成諧波和電流不對稱，對電網產生諧波污染和負序電流影響的可能性。最后，大規模光伏發電接入可能對電壓穩定性和短路能力產生影響。光伏發電系統的接入可能改變電力系統的電流分布，影響電壓調節和短路電流的水平。

2.5 對于配電系統保護的影響

首先，由于光伏發電系統的非恒定性和不確定性，其輸出功率在短時間內可能發生劇烈波動，這對傳統的過電流和短路保護裝置提出了更高的要求。因此，需要采用先進的智能保護裝置和技術，以更精細地監測和響應系統中的電流與電壓波動，確保在光伏系統故障或異常工況下迅速切除故障部分，保障系統的安全和可靠運行[4]。其次，光伏系統的逆變器可能引入諧波和電流不對稱，導致傳統的過電流保護誤動作。因此，需要配備先進的保護裝置，能夠有效過濾諧波和快速響應電流不對稱，防止誤動作對系統造成不必要的干擾。最后，光伏發電系統的接入可能改變配電系統的電流和短路電流路徑，因此需要重新評估和調整配電系統的保護策略，主要包括重新設定保護裝置的動作參數、采用靈活的保護方案以及引入新型保護設備，以適應光伏系統接入后的電網動態變化。

3 大規模光伏外送和消納關鍵技術分析

3.1 大規模光伏外送新型輸電技術

大規模光伏外送需要采用先進的輸電技術來確保電能的高效傳輸。其中，新型輸電技術如特高壓直流輸電（Ultra High Voltage Direct Current Transmission，UHVDC）和柔性直流輸電等發揮重要作用。這些技術能夠有效減少輸電損耗，提高電能輸送的經濟性和可靠性。

一方面，UHVDC 技術通過提高輸電電壓水平，減小電流，從而降低電阻損耗，實現大容量、遠距離的電能傳輸。這種技術的應用使得光伏發電站產生的電能可以高效地輸送到遠距離的消費地，大大提升了電能利用率和經濟性。另一方面，柔性直流輸電技術通過靈活控制電流，適應電網動態變化，提高對不穩定光伏發電的適應性[5]。光伏發電具有不穩定性，柔性直流輸電技術能夠根據光伏發電的實時情況，調整輸電參數，確保穩定的電能輸送。這種技術的應用使得光伏發電系統更加可靠，同時也降低了對備用發電設備的需求，節約了成本。

總之，UHVDC 和柔性直流輸電技術為大規模光伏外送提供了可靠的輸電方案，有效減小了輸電損耗，提高了電能傳輸的經濟性和可靠性，同時增強了對光伏發電不穩定性的適應性。在光伏發電產業的持續發展中，這些先進的輸電技術將發揮越來越重要的作用，促進光伏發電產業的健康發展。

3.2 光伏電站規劃設計技術

光伏電站規劃設計技術是有效利用光伏資源的關鍵。新技術的應用涵蓋智能化電站布局設計、光伏組件優化配置及先進的陣列控制技術。

智能化電站布局設計利用先進的地理信息系統（Geographic Information System，GIS）和人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術，通過分析氣象和地形等因素，優化電站布局，從而提高光伏發電效益。GIS 技術能夠精確地獲取地理信息數據，結合AI 技術進行智能分析和決策，使得電站布局更加科學合理。通過合理的布局，可以最大限度地利用光照資源，減少陰影遮擋，提高光伏組件接收陽光的效率，進而提高整個光伏電站的發電量。

光伏組件的優化配置和陣列控制技術可以通過智能追蹤系統和實時數據監測，最大限度地提高光伏電站的發電效率。光伏組件的優化配置考慮光照、角度及陰影等因素，通過智能化的配置，太陽可以最大限度地照射每個光伏組件。同時，陣列控制技術能夠實時監測光伏組件的工作狀態和環境條件，根據實時數據進行調整和優化，確保光伏電站在各種條件下都能夠達到最佳的發電效率。

3.3 增強光伏消納綜合規劃技術水平

增強光伏消納綜合規劃技術水平是確保大規模光伏發電與電網協同運行的關鍵，包括基于電網規劃的光伏容量配置和綜合考慮多元化因素的系統優化技術。

基于電網規劃的光伏容量配置是一項重要的技術。通過電網規劃模型，可以合理配置光伏容量，以保障電網系統的平穩運行。這意味著在確定光伏發電項目的容量和分布時，需要考慮電網的輸電能力、負荷情況以及可再生能源的波動性等因素，從而確保光伏發電系統的接入不會對電網造成過載或不穩定等影響。

綜合考慮儲能設備、柔性負荷等多元化因素是增強光伏消納綜合規劃技術水平的重要內容。儲能設備的引入可以緩解光伏發電的波動性，提高光伏消納的可靠性和靈活性。同時，利用柔性負荷調節負荷響應來平衡光伏發電的波動性，從而實現光伏發電與電網的協同運行。這些技術的應用將為光伏發電的大規模接入提供可靠的技術支持，推動可再生能源的可持續發展。

3.4 增強光伏消納源網協調技術

為保障大規模光伏消納的平穩進行，增強源網協調技術至關重要，包括智能化調度系統和先進的電能質量控制技術。智能化調度系統通過對光伏發電的實時監測和預測，調整發電計劃，提高系統的可調度性。電能質量控制技術通過應用高效的諧波濾波器和無功功率補償技術，減小光伏系統對電網的負面影響，提高源網協調水平。

3.5 提升光伏消納的有功和無功控制技術

提升光伏消納的有功和無功控制技術對電網穩定性與電能質量至關重要，包括先進的逆變器控制策略和智能化電能儲備技術。逆變器控制策略通過智能調整輸出功率，實現對光伏發電系統的有效控制，以適應電網頻率和電壓的變化。智能化電能儲備技術則通過儲能系統的有效運用，提供靈活的有功和無功支持，優化電能注入電網的品質。

4 結 論

大規模光伏發電系統的并網接入對電力系統有著廣泛且深刻的影響，需要持續推動新技術的應用，包括輸電技術、智能化的電站規劃設計、源網協調技術、有功控制技術以及無功控制技術，以解決由光伏系統引起的各種挑戰。通過不斷創新和改進，可以更好地實現光伏發電的清潔、可持續并網，為電力系統的未來發展提供可行的解決方案。