大规模光伏发电并网后对电力系统的影响

       大规模光伏发电并网后会对电力系统产生诸多影响，主要表现在对有功频率特性、无功电压特性、功率因数、小扰动稳定性的影响、电能质量的影响以及对配电系统保护的影响，本文通过光伏电源的工作特点分析了上述情况产生的原因。
关键词：光伏发电并网电力系统
       光伏并网发电系统是通过太阳能组件产生的直流电，经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后，直接接入公共电网。光伏并网发电系统有集中式大型并网电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电；也有分散式小型并网发电系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，是目前微电网和智能电网发展和建设的重要方向。光伏发电的主要优势表现在以下五点：1、利用清洁干净、可再生的自然能源太阳能发电，不耗用不可再生的、资源有限的含碳化石能源，使用中无温室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。2、所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，比独立太阳能光伏系统的建设投资可减少达35%-45%，从而使发电成本大为降低。3、光伏电池组件与建筑物完美结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材料，使物质资源充分利用发挥多种功能，不但有利于降低建设费用，并且还使建筑物科技含量提高。4、分布式建设，就近就地分散发供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。5、可起调峰作用。正是基于上述的优点目前光伏发电行业才能蓬勃发展，但光伏发电并网也会对电力系统产生相应的影响。这主要是由光伏电源的主要特性所决定的，光伏电源是静止元件，是不旋转的，由于是通过换流器进行并网的，所以无转动惯量；光伏电源本身的外出力受到早晚及气象条件的影响能量输出有较大的波动；光伏电源的抗干扰能力和过负荷能力是比较差的，低电压穿越的时候有无功和有功的调节能力较弱。正因为光伏系统的这些特点，导致了大规模光伏接入电力系统后的稳态、暂态特性发生了改变，这也影响了电力系统的运行和规划。
一、对电力系統有功功率的影响
      因为光伏系统具有很大且频繁的间歇波动性，从而对电网有功平衡造成了很大的影响，以至于对电网的一次、二次调频以及有功经济调度等运行特性造成影响，会引起频率质量越限等风险加大；由于光伏系统的接入，系统地备用优化策略也将随之发生改变，于是对调频参整定和与常规几组等其他多类型电源的有功频率协调控制提出了适应性的需求；因为光伏电源是不旋转的静止元件，随着光伏电源的大规模接入从而替换了大量的常规电源，系统的等效转动惯量也就下降了，从而降低了系统应对功率缺额与功率波动等情况时的能力，在极端情况下，甚至可能出现频率急剧变化，频率跌落速率及深度可能触发低频减载、高频切机等安控、保护动作的严重故障。针对上述情况可以通过优化不同类型电源的比例关系来达到降低有功影响的程度。
二、对电力系统有功功率的影响
       沙漠和戈壁大多是大规模光伏集中接入的地带，由于此类地区的负荷水平比较低，接入地区的电网短路容量又相对比较小，大量由光伏发出的电力需要通过高压或特高压输电网进行远距离的高压输电，由于光伏发电收到昼夜及气象条件的影响较大从而使得其有功输出不恒定，在此情况下会对电网的无功平衡特性造成影响。与此同时，现实并网运行的光伏电源无功电压支撑能力较差，从而增加了电压质量超限甚至是电压失稳的风险；针对大规模光伏分散接入配电网来说，光伏的接入改变了电网原有的辐射状网架结构，使得原来的单电源结构变成了双电源甚至是多电源网架，电网的潮流分布大小和方向等复杂多变，潮流也就更加难以调控，也就对配电网的电压质量造成了影响，光伏系统接入的位置和规模以及出力等因素对此具有较大的影响。
三、对电力系统功角的影响
      光伏电源是静止元件，其自身是不参加功角振荡，故没有功角稳定的问题，但由于能量的随机波动和无转动惯量等特性，会使得大规模光伏电源并网后对电网实际的潮流分布、通道传输功率造成影响，系统的等效惯量就降低了；考虑到故障穿越期间光伏电源与常规机组动态支撑特性不同，所以光伏接入后对电网的功角稳定性造成了影响，而这些情况是由电网的拓扑结构、电网运行方式和所采用的光伏电源控制技术、光伏并网位置及规模所决定的。在当大规模光伏并网后，可能会因为故障穿越能力不足，给系统的功角稳定产生一定的影响，这种情况在规模化、集中化后尤为明显。所以应根据该处当时的并网情况，进行大规模光伏的脱网风险的评估。我国首个百万千瓦级青海光伏基地的集中接入使得通道潮流分布的均匀性发生了变化，同时光伏电源表面出现了弱动态支撑性，结合两者的影响，使得通道的传输极限下降，采用切除光伏电源以及光伏电站配置动态无功补偿，可以提升稳定性。在振荡型功角失稳中，光伏出力的波动使得其与电力系统的并网点处产生振荡，由于并网逆变器和常规机组具有不同的控制策略，这使得系统的阻尼发生变化，不仅对系统原有的机电振荡模式有影响，也可能造成新频段范围的振荡。但绝大多情况下，光伏接入的位置、穿透率大小也会对原振荡稳定产生一定的影响。根据研究统计，光伏发电系统分散性地接入电网的话，要比集中在某处并网更有利于系统的振荡稳定。
四、对电能质量的影响
       由于光伏逆变器在并网中的使用，使得大量非线性负载也加入到系统中，产生了电力系统电能质量污染的问题。这是由于逆变器的输出失真所造成的，在光照急剧变化时，输出功率不稳定，就会产生谐波；大规模光伏集中并网时会出现谐波叠加等一系列问题。根据世界若干大

型光伏电站的运行经验：即使一台并网后逆变器的输出谐波很小，但如果多台并网逆变器并联后输出的谐波也有可能很大，这会引起电压波动、闪变以及电压偏差、频率波动的一系列问题。针对光伏并网后的电能质量问题，寻找并抑制谐波的有效方法包括：增加谐波补偿器、无源固定频次滤波器、有源滤波器等。针对电能质量问题的解决方法，目前应该从三个方面入手

（1）提前优化配网结构，提升消纳分布式光伏并网能力，全面梳理各辖市区配电台区的供电能力和用电负荷情况，绘制各台区可以接入的光伏电源容量分布图，掌握全市配电网可接入分布式光伏容量情况。将分布式光伏发电接入需求纳入分区配电网规划，对新建小区、集中居住区、标准厂房园区等并网需求明确、具备发电条件的区域，按照分布式光伏最大可利用面积接入容量进行规划设计，提高设计等级、设计容量，增强对分布式光伏接纳能力。制定各区分布式光伏接入指导细则，有序实施配电网建设改造，确保分布式光伏全额消纳。

（2）优化内部服务流程，提高分布式光伏办理服务质量。制定分布式光伏办理业务指南，明确各阶段流程步骤、补贴办理条件以及后期维护须知等。针对分布式光伏项目业主需求不一，现场情况相差较大，制定个性化套餐解决方案，根据用户申请的房屋类型、屋顶结构等参数，出台与面积、接入电压等级、消纳方式等相匹配的典型接入方案。在典型接入方案基础上，固定并简化逆变器、并网开关等设备选型范围，开展典型方案批量集中验收，合并现场验收与并网调试流程，提高并网接入效率。

（3）加强企业沟通，提高服务成效。关注并研究政府政策，定期通过短信提醒相关企业办理补贴。加强与政府部门沟通，积极参加地方人大、政府、政协研讨，每月利用供电服务简报向地方领导提供全市分布式项目、并网信息，科学引导舆论导向，积极争取有利政策。加强与光伏企业合作，合力开展网压调节、接入安全评估等技术研究，形成分布式光伏发电验收规范、典型启动方案等专业技术管理文档，提高分布式光伏并网质量。

五、结语

       本文主要是针对大规模光伏发电并网后，从有功频率特性、无功电压特性、功角稳定、电能质量等几个方面进行分析。从分析中我们可以看出

     （1）根据大规模光伏集中接入、高压交直流外送等多种典型场景，分析大规模光伏与大型电力系统动态、稳态特性之间的关系，从功角、频率以及电压等一些稳定侧面，对大规模光伏接入后对大电网安全稳定的影响。

     （2）对大规模光伏发电系统接入后的保护方案、自动装置以及调度自动化系统的适应性和优化协调技术进行研究。