大规模光伏发电对电力系统影响综述「光伏并网对电网的不良影响」

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人类对化石能源枯竭与环境恶化的担忧导致对清洁能源需求增大，随着光伏发电在电力系统中装机容量增大，对电力系统规划影响引起人们的关注。光伏发电呈现规模分散开发、中高压接入、外送消纳方式并存的格局，对电力系统影响巨大，国内外工程界研究热度不减。本文从多角度对国内外有关大规模光伏发电与电力系统影响研究现状梳理，为开展深入研究提供参考。

1.光伏发电及并网系统

光伏发电行业在电力系统中占比不断增大，光伏发电对电力系统规划等方面产生一定影响。发电总量每年以20%的速度增长，发达国家制定光伏发电政策，促使其向城市生活用电方向发展。光伏发电发展最迅速的是并网系统，通过将电流送入并网变压器运行后输送至公共电力系统，减少投入成本，防止蓄电池发生污染现象。

光伏发电具有独特优点，如并网系统根据负荷量调节供电量，光伏发电并网系统无运动部件，维护方便。光伏发电并网系统操作灵活性强，可以平衡电网机组的负荷量，当前大规模光伏发电采用入网形式，由于内部逆变器离散动作，导致输送电网功率中影响电力系统电压稳定性，要想确保电网安全运行，需要加大对光伏发电入网问题的研究。光伏特效应是不同极性半导体材料结合生成异质结，内部载流在光照下移动产生内建电场形成电压，异质结连接外电路，光照下PN结构结内部光生再流子定向移动过程为光伏发电。大规模光伏发电通过组合排列光伏器将太阳能转化为电能，目前我国大规模光伏发电系统包括光伏组件、逆变器和能源储存装置。

光伏组件排列组合形式非常重要，能源存储装置为铅酸电池，蓄电池将电能存储便于在光照下供负载使用。

工业革命后全球经济迅速发展，对能源需求日益增大，自然与人类所需能源发生巨大变化。目前环境危机日益严重，控制改善生存环境成为人类亟待关注解决的问题。可再生能源研究得到普遍关注，人们利用开发绿色可再生能源，如地热能、生物质能等，太阳能是最便捷的能源。太阳能发电分为光伏发电与太阳能转化为热能后转换为电能，光伏发电是太阳能发电主流方式。随着光伏发电技术日益成熟，光电转换效率大大提高，光伏发电受地理位置影响有限，可选择多种地形安装运行。大规模光伏发电开发利用改善偏远地区电力需求，近几年光伏发电并入电网受到国家大力支持。

2.大规模光伏发电系统常见建模

2002年我国光伏行业起步，光伏发电技术研发中通过科技攻关计划安排，开展非晶硅薄膜电池，应用系统关键技术的研究，提高光伏发电技术水平。2012年，欧洲光伏产业需求放缓，我国光伏产业成为全球光伏产业发展主要动力。2017年光伏新增并网装机量达53GW，累计并网装机量达131GW，随着光伏发电行业进入平价上网时代，光伏行业具有巨大发展空间。

大规模光伏发电系统建模包括光伏发电动态建模、光伏电池与列阵建模、并网换流器与内环控制模型。光伏电池列阵模型建立基于单二极管模型，根据基尔霍夫原理建立光伏等效电路，利用不同光伏发电系统中短路电流等技术参数得出合适的模型表达式，应用于工程计算中。需根据光伏电池模型得出光伏列阵模型，需注意光伏列阵光伏组件差异等情况对P-V特性多峰值造成影响。光伏发电系统动态建模中需利用发电系统组成状态方程，将逆变器控制转化为相应状态方程。

光伏发电系统中逆变器双环控制模型可实现电压方式接入电网，潮流计算中可处理有功输出，入网电流恒定PI节点，功率因数为1的光伏发电系统需安装无功补偿装置，节点电压幅值与电容器等补偿装置无功率输出有直接关系，潮流计算中如需计算光伏发电系统需建立潮流方程。换流器对发电系统单元暂态并网特性有直接影响，经控制环节生成内环控制电流参考值，换流器内环控制以电流出入为主，控制中通过换流器实现电流进入公共电网。

3.大规模光伏发电对电力系统的影响

近年来光伏发电发展迅猛，光伏发电固有波动性导致大规模并网时系统潮流分布发生改变，带来电压波动等问题。大规模光伏发电对电力系统产生很大影响，体现在对电能质量、配电系统保护、无功电压特性等方面。光伏发电特性体现在电源为无旋转静止元件，电源抗扰动能力较差等方面，光伏系统特性使得光伏接入后系统稳态特性变化影响系统运行。

光伏电力随机波动性对系统平衡造成冲击，对其他类型电源有功频率协调控制等提出适应性需求。基于光伏发电系统运行特点，大规模光伏发电系统需在高海拔、日照时间充足的沙漠等地区建立，由于人口数量较少，对电力需求较小。电力负荷水平较低。光伏发现系统中不存在较大电网短路容量，借助高压远距离输送电能，出现相应的随机波动，有功出力对电网无功平衡产生影响，导致输送电能母线产生较大幅度波动。目前大规模光伏发电系统无功电压支撑水平有限下，对电网系统电压质量产生影响，造成电压幅值越限。

光伏电源为静止元件，由于随机波动等特性，光伏接入后改变电网潮流分布，减小系统等效惯量；故障穿越期间光伏具有不同动态支撑性能，光伏接入后电网功角稳定性发生变化，采用光伏电源控制技术等。光伏接入影响电网功角稳定性，需结合具体场景通过仿真分析确定。光伏并网可能因故障穿越能力不足引发脱网，为稳定性带来巨大冲击。我国青海光伏基地集中接入改变通道潮流分布均匀性，通过光伏电站配置动态无功补偿可提升安全性。

随着大规模光伏接入，使得非线性负载加入系统。逆变器开关速度延缓，导致产生谐波。在太阳光急剧变化的情况下，产生谐波大。多台并网逆变器并联后输出电流谐波可能超标。研究对多台逆变器组合谐波问题进行建模。光伏电站逆变器并联系统存在电网阻抗耦合效应，导致并网谐波含量超标等不稳定问题。直流注入是光伏并网需解决的关键问题，光伏出力大幅波动引发电压波动等问题。光伏接入后电能质量问题抑制谐波方法包括增加无源固定频次滤波器等。

4.结语

光伏发电是清洁的发电方式，可缓解我国日益紧张的能源问题。目前大规模光伏发电入网中对电力系统无功特性及电能质量等造成不确定影响。为发挥光伏发电能源作用，要慎重考虑大规模光伏发电入网系统应用，研究电力系统各种印象，促进我国光伏发电产业健康发展。本文从大规模光伏系统建模，光伏外送关键技术等方面对研究现状归纳，提出研究重点，未来需从大规模光伏电站安全监控等方面深入研究。

作者：颜 琳 （中国水电工程顾问集团有限公司）

本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第21期

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