秦睿，董開松，汪紅燕，楊萍，劉海燕

(1.甘肅省電力公司 電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050;2.蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

目前，某省電網(wǎng)共并網(wǎng)光伏電站33座，總裝機(jī)達(dá)到了943.5 MW，主要集中在網(wǎng)架薄弱的偏遠(yuǎn)地區(qū)，其中甲地區(qū)436 MW，乙地區(qū)378.5MW，丙地區(qū)69MW。按該省光伏發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計(jì)年底并網(wǎng)光伏電站將達(dá)62座，光伏總裝機(jī)將達(dá)到2000 MW［1］。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)沒有旋轉(zhuǎn)慣量、調(diào)速器及勵(lì)磁系統(tǒng)，不具備調(diào)壓、調(diào)頻以及調(diào)峰能力。受其發(fā)電特性影響，出力變化大，電壓控制困難，對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生一定程度的諧波污染［2－4］。在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的前提下，電網(wǎng)全部消納大規(guī)模光伏電量能力嚴(yán)重不足，而國(guó)家對(duì)光伏電站接入的寬松政策和新能源優(yōu)先調(diào)度政策的執(zhí)行，使常規(guī)電源運(yùn)行和經(jīng)營(yíng)越發(fā)困難，大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)發(fā)電后對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響日益顯現(xiàn)。

1 大規(guī)模光伏電源并網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)和配網(wǎng)的影響

1.1 大規(guī)模光伏集中并網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)運(yùn)行的影響

(1)資源與負(fù)荷逆向分布帶來(lái)的送出與消納問題

大規(guī)模光伏電站“遠(yuǎn)離負(fù)荷、集中開發(fā)、高壓輸送”給電網(wǎng)帶來(lái)的影響是送出線路距離較長(zhǎng)、線損增加、線路復(fù)合利用率低［5－7］。某地區(qū)常規(guī)電源裝機(jī)容量加上超過6000 MW風(fēng)電的投運(yùn)，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)?shù)刎?fù)荷。

考慮電網(wǎng)穩(wěn)定極限限制及疆電送西北電力兩方面因素。在750 kV二通道投運(yùn)前，已投光伏和風(fēng)電僅能送出1600～2600 MW，新建大規(guī)模光伏電站只能起到對(duì)風(fēng)電的互補(bǔ)作用。二通道投運(yùn)后，規(guī)劃中的大規(guī)模光伏也將陸續(xù)建成投產(chǎn)，屆時(shí)該地區(qū)新能源總?cè)萘繉⑦_(dá)到10000MW，該地區(qū)光伏和風(fēng)電外送容量約為2100～4600 MW之間。因此，750 kV二通道的投入運(yùn)行并不能從根本上緩解新增光伏的送出壓力。

另外，大部分光伏電站均通過35 kV或110 kV并入電網(wǎng)。而該地區(qū)110 kV及以下電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、設(shè)備狀態(tài)等方面已不能適應(yīng)大量光伏電力輸送要求，無(wú)法達(dá)到對(duì)光伏電力的最大理論送出值，部分110 kV線路不滿足N－1原則，形成了光伏送出的瓶頸。

(2)幅照強(qiáng)度波動(dòng)性、隨機(jī)性強(qiáng)帶來(lái)的運(yùn)行控制問題

光伏電源出力波動(dòng)性和隨機(jī)性特點(diǎn)明顯，且光伏電站自身無(wú)慣性環(huán)節(jié)，呈現(xiàn)有功功率階躍性變化特點(diǎn)，需要增加旋轉(zhuǎn)備用容量進(jìn)行調(diào)節(jié)。受省級(jí)電網(wǎng)光伏裝機(jī)容量快速增加、網(wǎng)內(nèi)機(jī)組設(shè)備容量不足、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)限制、風(fēng)電反調(diào)峰作用等因素影響，電網(wǎng)調(diào)峰將面臨很大的困難。

目前，某省電網(wǎng)主要依賴省內(nèi)水火電機(jī)組調(diào)峰。電網(wǎng)內(nèi)水電具備調(diào)峰能力的容量約3620MW，受季節(jié)性來(lái)水因素限制了調(diào)峰能力，受防凌、灌溉等外在因素全年調(diào)峰能力差異較大;火電具備調(diào)峰能力的容量約10600MW，其一受運(yùn)行方式制約，特別是在水電大發(fā)期間，火電開機(jī)容量小，純凝火電機(jī)組發(fā)電負(fù)荷率低，調(diào)峰能力受到制約;其二是部分主力火電廠的調(diào)峰能力受電煤限制，不能達(dá)到額定出力，削弱其調(diào)峰能力。在大規(guī)模光伏發(fā)電投運(yùn)后，區(qū)域電網(wǎng)總調(diào)峰能力也無(wú)法滿足該省大規(guī)模光伏并網(wǎng)后的調(diào)峰要求。

(3)大規(guī)模接入電網(wǎng)的安全穩(wěn)定

隨著光伏電站規(guī)模的不斷加大，光照強(qiáng)度短期波動(dòng)和周期性變化引起的線路電壓超限現(xiàn)象將逐步出現(xiàn);而光伏發(fā)電的運(yùn)行控制特性完全由電力電子逆變器決定，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼特性，與常規(guī)發(fā)電機(jī)組有較大的區(qū)別。

大規(guī)模光伏接入電網(wǎng)后，會(huì)造成電網(wǎng)電壓運(yùn)行控制困難。一是目前光伏電站均在恒功率因數(shù)1下運(yùn)行，不具備對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功支撐能力。二是受光伏發(fā)電特性影響，電網(wǎng)潮流變化大，無(wú)功電壓難以實(shí)現(xiàn)分層分區(qū)、就地平衡，造成運(yùn)行中并網(wǎng)點(diǎn)變電站電壓波動(dòng)范圍大，電壓調(diào)整困難。三是光伏電站雖配置了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，但由于存在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償容量不足，均運(yùn)行于功率因數(shù)1的狀態(tài)下，且缺乏統(tǒng)一運(yùn)行調(diào)整，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生較大擾動(dòng)時(shí)，無(wú)法參與無(wú)功調(diào)節(jié)，不僅不能給予電網(wǎng)有力的無(wú)功支撐，一定程度上反而加劇了故障切除后的電網(wǎng)過電壓。

(4)大量使用電力電子并網(wǎng)設(shè)備帶來(lái)的電能質(zhì)量等問題

光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器易產(chǎn)生諧波、三相不平衡，輸出功率不確定性易造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)、閃變。嚴(yán)重的情況下，需要配置相應(yīng)的電能質(zhì)量治理裝置。

1.2 大規(guī)模分布式光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)的影響

大規(guī)模分布式光伏電源的接入將使配電網(wǎng)中的潮流方向發(fā)生一定的變化，從而造成一系列的影響，歸納整理后就是兩大類問題，一是分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和性能各異的問題，二是分布式電源并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行、控制、保護(hù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各方面產(chǎn)生的影響。

(1)電壓控制和保護(hù)不確定性

配電網(wǎng)內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般不主動(dòng)參與電壓調(diào)節(jié)，但此類間歇性電源的接入不但會(huì)影響穩(wěn)態(tài)電壓分布，還會(huì)引起系統(tǒng)電壓波動(dòng)，特別是大規(guī)模光伏電站并入配網(wǎng)后，可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓越限，因此配電網(wǎng)的電壓控制將是主要的問題之一。分布式光伏發(fā)電接入后，配電網(wǎng)將成為一個(gè)多電源系統(tǒng)，形成新的接地電壓源對(duì)配網(wǎng)保護(hù)會(huì)帶來(lái)不確定性，要求繼電保護(hù)設(shè)備具有方向性，因此繼電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用思路必須在新的標(biāo)準(zhǔn)下開發(fā)和應(yīng)用。

(2)故障處理及可靠性分析

光伏電源與配電系統(tǒng)并網(wǎng)后，配電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性都將發(fā)生顯著變化，其故障處理及可靠性分析不能直接套用傳統(tǒng)方法。大量研究和實(shí)踐結(jié)果表明:如果光伏等分布式電源僅作為備用電源，可以提高系統(tǒng)的供電可靠性;如果光伏等分布式電源與配電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，則可能降低系統(tǒng)的可靠性。

(3)配電網(wǎng)重構(gòu)和抗擾動(dòng)能力

各類分布式電源接入后會(huì)形成新的拓?fù)浣尤虢Y(jié)構(gòu)，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)各類結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)仍顯不足，為適應(yīng)分布式電源接入，配電網(wǎng)面臨的重構(gòu)問題，是影響配網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的非常重要的問題，需要超前規(guī)劃與開展相關(guān)的研究工作。各類光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)后，也會(huì)帶來(lái)各種擾動(dòng)，影響系統(tǒng)電能質(zhì)量，主要體現(xiàn)在電壓閃爍和諧波、電壓脈沖、浪涌、電壓跌落、頻率偏移、瞬時(shí)供電中斷等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題。

(4)分布式電源與微網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行

微電網(wǎng)非正常運(yùn)行狀態(tài)包括故障狀態(tài)和孤島運(yùn)行狀態(tài)。微電網(wǎng)處于故障狀態(tài)和孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生不可預(yù)知的影響，影響較大則就可危及配電網(wǎng)的供電可靠性;配電網(wǎng)發(fā)生故障或較大波動(dòng)時(shí)，同樣也會(huì)對(duì)微電網(wǎng)產(chǎn)生較大影響，輕則分布式發(fā)電離網(wǎng)運(yùn)行，重則微電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰。因此微電網(wǎng)與配電網(wǎng)互動(dòng)影響必須考慮故障擾動(dòng)、大負(fù)荷、大發(fā)電設(shè)備投切擾動(dòng)的影響。

(5)分布式電源與微網(wǎng)核心技術(shù)研究

無(wú)論是美國(guó)的Intelligrid計(jì)劃，還是歐洲的FENIX計(jì)劃，都將含分布式發(fā)電供能系統(tǒng)的新型配電系統(tǒng)快速仿真視為其整個(gè)研究計(jì)劃的核心和基礎(chǔ)。因此，分布式電源與微網(wǎng)和配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)、多微網(wǎng)與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)、微電網(wǎng)數(shù)字仿真技術(shù)等是當(dāng)前急需要研究和掌握的。

1.3 功率預(yù)測(cè)不確定和不準(zhǔn)確性問題

目前光功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)尚不成熟。雖然大規(guī)模集中開發(fā)的光伏電站均按照要求建立了光功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)。但從運(yùn)行情況看，預(yù)測(cè)精度較差，預(yù)測(cè)結(jié)果仍不能對(duì)調(diào)度運(yùn)行計(jì)劃的安排提供足夠有效的數(shù)據(jù)支持。受發(fā)電峰谷、晝夜變化、東西部時(shí)差、季節(jié)變化、氣象條件變化等因素影響，給預(yù)測(cè)工作帶來(lái)了不確定性。分布式光伏電源(或微網(wǎng))建立單獨(dú)的功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)可能性更小，更多的是基于公共系統(tǒng)或經(jīng)驗(yàn)，其預(yù)測(cè)工作的不確定性表現(xiàn)更為突出。

2 應(yīng)對(duì)措施

2.1 建立新能源技術(shù)支持系統(tǒng)平臺(tái)

建設(shè)分布式新能源與微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，以新能源的規(guī)劃、接入評(píng)估、調(diào)度運(yùn)行、預(yù)測(cè)、檢測(cè)等需求為目標(biāo)，開展各類光伏發(fā)電特性和分布式電源與微網(wǎng)系統(tǒng)研究，制定大規(guī)模光伏發(fā)電并網(wǎng)和分布式接入的應(yīng)對(duì)策略。主要研究分布式電源接入對(duì)大電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行、智能控制、電量消納等的影響;研究基于大電網(wǎng)環(huán)境下光伏、風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行控制特性及并網(wǎng)檢測(cè)技術(shù);研究在智能配電網(wǎng)環(huán)境下大量分布式電源和微電網(wǎng)運(yùn)行、協(xié)調(diào)和控制問題;研究分布式能源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響，增加配網(wǎng)可靠性、降低饋線損耗、保持本地電壓穩(wěn)定。

2.2 系統(tǒng)開展風(fēng)光互補(bǔ)性試驗(yàn)與分析

風(fēng)能和太陽(yáng)能作為可再生新能源具有很好的互補(bǔ)性。與獨(dú)立的大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電相比，大規(guī)模風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能使功率輸出較平穩(wěn)，增加電網(wǎng)對(duì)間歇性可再生能源的吸收接納程度，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)能有效增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)天氣變化的適應(yīng)能力，具有更好的實(shí)用價(jià)值，它既可增加供電可靠性，又可降低系統(tǒng)的成本。某地區(qū)太陽(yáng)能與風(fēng)能在時(shí)間上和地域上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。夏季太陽(yáng)光強(qiáng)度大而風(fēng)小，冬季太陽(yáng)光強(qiáng)度弱而風(fēng)大。良好自然條件給開展風(fēng)光互補(bǔ)試驗(yàn)研究創(chuàng)造了很好的機(jī)遇。因此，開展大規(guī)模風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型建立、并網(wǎng)運(yùn)行特性分析以及風(fēng)光協(xié)調(diào)調(diào)度管理等方面的研究可以更好的掌握大規(guī)模風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的系統(tǒng)配置、能量控制方式及市場(chǎng)應(yīng)用前景，從而產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2.3 提高光伏集中接入地區(qū)電力外送及消納能力

(1)加快電力外送新通道建設(shè)

盡早促成特高壓直流輸電工程開工建設(shè)，該工程投產(chǎn)后，其送電能力可達(dá)8000MW，可從根本上解決新能源送出，實(shí)現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化配置。同時(shí)優(yōu)化完善區(qū)域電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，盡快建設(shè)一批330 kV變電站，切實(shí)有效地解決光伏集中區(qū)域的送出瓶頸問題。

(2)提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平，深挖外送潛力，促進(jìn)就地消納

根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析計(jì)算，在不同開停機(jī)方式下，電網(wǎng)輸電極限隨著通道上各主力電廠開機(jī)數(shù)目的減少而降低。當(dāng)通道主力電廠全停機(jī)時(shí)，通道送電極限將大幅下降，但在地區(qū)負(fù)荷較小時(shí)增開火電機(jī)組會(huì)擠占新能源送出通道。因此，在兼顧維持系統(tǒng)穩(wěn)定與盡可能少地占用通道的基礎(chǔ)上，合理安排輸電通道上火電機(jī)組的運(yùn)行方式，可提高電網(wǎng)穩(wěn)定水平，支撐風(fēng)電外送。同時(shí)，在地區(qū)規(guī)劃布局適應(yīng)新能源消納的負(fù)荷點(diǎn)，可進(jìn)一步減輕外送壓力。已投產(chǎn)的東興鋁業(yè)、三新硅產(chǎn)業(yè)園等高耗能企業(yè)，實(shí)現(xiàn)了部分新能源發(fā)電的就地消納，一定程度上緩解了送出壓力。

2.4 提高電網(wǎng)調(diào)峰能力

(1)完善現(xiàn)有技術(shù)手段，深挖火電調(diào)峰能力

建立調(diào)度光功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。根據(jù)功率預(yù)測(cè)結(jié)果，在滿足系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用的前提下，盡量減小火電開機(jī)容量，提高火電調(diào)峰能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)度計(jì)劃提供足夠有效的數(shù)據(jù)支持。從開展《火電機(jī)組快速調(diào)節(jié)和深度調(diào)峰技術(shù)研究及示范應(yīng)用》等科研攻關(guān)項(xiàng)目在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用看，部分火電機(jī)組的調(diào)峰能力得到了充分挖掘和提高，采取相關(guān)技術(shù)及措施預(yù)計(jì)最大能夠提高900MW調(diào)峰容量。

(2)加強(qiáng)調(diào)度管理，提高水電的調(diào)峰能力

加強(qiáng)水電發(fā)電計(jì)劃及水電實(shí)時(shí)調(diào)度的管理，統(tǒng)一安排好水電機(jī)組調(diào)峰，充分挖掘水電機(jī)組的聯(lián)合調(diào)峰能力，盡可能提高電網(wǎng)水電調(diào)峰力度。

2.5 優(yōu)化電壓控制手段，提高電網(wǎng)電壓控制能力

(1)加快AVC和無(wú)功設(shè)備容量建設(shè)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)電網(wǎng)無(wú)功控制

正在建設(shè)的AVC系統(tǒng)，統(tǒng)籌考慮了電網(wǎng)和光伏、風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置、電容/電抗器等無(wú)功設(shè)備之間的協(xié)調(diào)控制。隨著750 kV變電站兩組線路可控高抗和兩組主變低壓側(cè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的投運(yùn)，甲地電網(wǎng)的無(wú)功控制能力將大幅度提升，電壓調(diào)節(jié)手段也將更為靈活。

(2)充分挖掘光伏電源對(duì)電網(wǎng)無(wú)功貢獻(xiàn)的潛力

加強(qiáng)光伏電站動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)備管理，充分挖掘其對(duì)電網(wǎng)無(wú)功貢獻(xiàn)的潛力。根據(jù)囯網(wǎng)相關(guān)規(guī)定要求［8］，大中型光伏電站均具備一定的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償能力。因此，和制造廠家、發(fā)電企業(yè)緊密合作，深入研究光伏發(fā)電技術(shù)，合理利用這部分無(wú)功調(diào)節(jié)能力，使大量光伏電站介入無(wú)功調(diào)節(jié)，對(duì)電網(wǎng)(至少在區(qū)域電網(wǎng))電壓的運(yùn)行控制將產(chǎn)生實(shí)際意義。

3 光伏電站并網(wǎng)管理及技術(shù)監(jiān)督

3.1 加強(qiáng)光伏電站并網(wǎng)檢測(cè)和運(yùn)行、評(píng)估管理

根據(jù)相關(guān)文件，認(rèn)真開展光伏電站低電壓穿越、電網(wǎng)適應(yīng)性、電能質(zhì)量、有功功率輸出特性、SVG性能測(cè)試五項(xiàng)并網(wǎng)檢測(cè)試驗(yàn)［9－10］。研究開展人工短路擾動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)大規(guī)模光伏電站的抗短路能力進(jìn)行驗(yàn)證。嚴(yán)格按照接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定、接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定，把好光伏電站接入關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備驗(yàn)收的評(píng)估工作:(1)光伏電站有功調(diào)節(jié)、無(wú)功電壓控制的能力;(2)光功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)和預(yù)測(cè)能力;(3)全站涉網(wǎng)保護(hù)定值與低電壓穿越的邏輯關(guān)系和低電壓穿越能力;(4)電站接入技術(shù)條件是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.2 重視光伏電站技術(shù)監(jiān)督

隨著國(guó)家鼓勵(lì)光伏發(fā)展政策的出臺(tái)，諸如光電建筑、分布式接入電源等，會(huì)促進(jìn)光伏電源的增長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)安全帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。光伏機(jī)組類型復(fù)雜，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和穩(wěn)定特性影響深刻，使得開展技術(shù)監(jiān)督工作成為必要且十分迫切，矛盾也會(huì)日益突出。主要原因一是目前國(guó)家還未出臺(tái)光伏電站技術(shù)監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn);二是所有光伏發(fā)電企業(yè)對(duì)技術(shù)監(jiān)督工作的認(rèn)識(shí)不夠，缺乏足夠的重視。

4 結(jié)束語(yǔ)

大規(guī)模光伏電站和風(fēng)電的疊加并網(wǎng)以及分布式光伏接入配網(wǎng)，給電網(wǎng)帶來(lái)的消納與送出、運(yùn)行與控制、電網(wǎng)調(diào)峰、安全穩(wěn)定、電能質(zhì)量和配電網(wǎng)電壓控制、抗擾動(dòng)能力等是十分復(fù)雜的難題，需要從電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行、智能控制、電量消納等方面綜合研究，同時(shí)對(duì)各類光伏發(fā)電特性、大電網(wǎng)環(huán)境下光伏發(fā)電的運(yùn)行控制特性、智能配電網(wǎng)環(huán)境下分布式電源和微電網(wǎng)運(yùn)行、協(xié)調(diào)和控制等問題進(jìn)行研究，制定大規(guī)模光伏發(fā)電并網(wǎng)和分布式接入的應(yīng)對(duì)策略，開展并網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)，努力降低大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)和分布式光伏接入配網(wǎng)電網(wǎng)的影響。

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