張珍奇，王文革

蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730913

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)電力供應(yīng)的需求逐漸增加，在環(huán)境污染問題持續(xù)惡化的背景下，必須加大對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究力度[1]。光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用廣泛，已成為一種非常重要的新能源技術(shù)。然而，在目前的實(shí)際應(yīng)用過程中，很多公司沒有很好地了解光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)，這在一定程度上阻礙了光伏的發(fā)展，對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生了很大的影響[2]。光伏發(fā)電技術(shù)可以使光伏轉(zhuǎn)化為電能，到目前為止，光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定有著非常重要的影響。因此，分析其中存在的問題并制定適當(dāng)?shù)膶?duì)策尤為重要[3]。

當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)容量會(huì)逐漸增加，這對(duì)電力系統(tǒng)的要求較高。在電力系統(tǒng)中，現(xiàn)階段常用的轉(zhuǎn)換接口是變頻器。當(dāng)依靠傳統(tǒng)的功率控制模式控制PCC電壓時(shí)（大型光伏電站并網(wǎng)系統(tǒng)主要由匯集線路依次連接光伏陣列、逆變器、升壓變壓器至并網(wǎng)點(diǎn)POI，再經(jīng)送出線路連接至PCC。并網(wǎng)后，電壓測(cè)量點(diǎn)可選擇POI或PCC。PCC可看作工業(yè)可編程模塊，類似于PLC；PCC電壓可看作電網(wǎng)電壓），存在電壓上升的問題[4]。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)聯(lián)系當(dāng)前的實(shí)際需要，根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)，促進(jìn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展和普及。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

當(dāng)今社會(huì)對(duì)能源的需求發(fā)生了變化，傳統(tǒng)的火力發(fā)電系統(tǒng)不僅生產(chǎn)能力低，而且使環(huán)境惡化。為了追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)，光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為解決能源短缺問題的關(guān)鍵[5]。供電的保證就是生活質(zhì)量的保證，光伏發(fā)電系統(tǒng)作為電源領(lǐng)域的新興力量，因其污染小、使用壽命長(zhǎng)而得到廣泛應(yīng)用[6]。其中，分散式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入中低壓電網(wǎng)成為常用模式。大規(guī)模使用分散式光伏發(fā)電意味著配電網(wǎng)從一個(gè)輻射源切換到多個(gè)電網(wǎng)，電流從變壓器母線流向負(fù)載方向。這影響了配電網(wǎng)和調(diào)壓裝置的調(diào)壓效果，原來的調(diào)壓設(shè)備達(dá)不到想要的效果，無法滿足現(xiàn)階段對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的要求[7]。光伏發(fā)電系統(tǒng)中并聯(lián)節(jié)點(diǎn)的電壓升高是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的常見問題，為了更好地發(fā)揮光伏發(fā)電系統(tǒng)在電源中的作用，通過實(shí)驗(yàn)研究從理論上解決了這一問題。

太陽(yáng)能可以轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗內(nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷碾娔埽夥l(fā)電系統(tǒng)比其他傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)更安全可靠，只要太陽(yáng)存在，就可以發(fā)電[8]。光伏是平臺(tái)、島嶼和其他偏遠(yuǎn)地區(qū)的絕佳發(fā)電解決方案，這種先進(jìn)的發(fā)電方法也滲透到了生活的每一個(gè)角落。光伏發(fā)電系統(tǒng)逐漸用于高科技產(chǎn)業(yè)，如衛(wèi)星和汽車。與此同時(shí)，科學(xué)家利用光伏發(fā)電系統(tǒng)建造房屋。通過這些應(yīng)用，可以看到光伏發(fā)電是高科技和新技術(shù)的代名詞，是一種很有前途的發(fā)電技術(shù)。

2 光伏發(fā)電并網(wǎng)的電壓調(diào)整策略

在分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)之前，傳統(tǒng)配電網(wǎng)主要利用負(fù)載調(diào)壓器和電容器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，可以將網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的電壓控制在一定范圍內(nèi)。當(dāng)連接多臺(tái)分布式發(fā)電機(jī)時(shí)，并聯(lián)節(jié)點(diǎn)的電壓會(huì)出現(xiàn)升高現(xiàn)象，并且可能超過電壓上限，使電網(wǎng)處于危險(xiǎn)中。同時(shí)，電網(wǎng)的電流是雙向流動(dòng)的，電網(wǎng)的模糊功率分布不規(guī)則。在此情況下，可以測(cè)量本地信息，根據(jù)本地測(cè)量的信息操作，通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)現(xiàn)有電壓，使電網(wǎng)電壓不超過上限和下限。

光伏逆變器的無功功率主要受光伏逆變器的效率和額定功率限制，當(dāng)光伏逆變器以單位功率因數(shù)接入電網(wǎng)時(shí)，最大無效輸出功率將增加，光伏逆變器的輸出功率也會(huì)大于消除本地負(fù)載的功率。如果電網(wǎng)連接點(diǎn)處的電壓超過一定值，不僅會(huì)影響配電網(wǎng)的安全性和可靠性，還會(huì)使光伏逆變器因電網(wǎng)短路而產(chǎn)生過電壓，限制電網(wǎng)的連接容量。為了使連接的多個(gè)光伏網(wǎng)絡(luò)的電源電壓保持在一定范圍內(nèi)，通常使用光伏逆變器和負(fù)載電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電源電壓。

2.1 有用功電流電源調(diào)整原理和方法

2.1.1 調(diào)整原理

當(dāng)光伏連接到主電源時(shí)，PCC電壓升高。造成這一情況的主要原因是光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量太大，必須產(chǎn)生大量有效能量。因此，需要控制總電流狀態(tài)，限制或降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電狀態(tài)，并且控制輸出電壓。

2.1.2 調(diào)整方法

如果采用有源限流策略，就要了解瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)波形。在運(yùn)行過程中，如果PCC部分出現(xiàn)的情況為負(fù)分離，PCC可以在短時(shí)間內(nèi)增加電壓。電壓調(diào)節(jié)器必須同時(shí)控制PCC的電壓狀態(tài)和提高PCC的控制力，雖然要求較高，但是可以更有效地控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化。電壓控制模式為恒波形穩(wěn)定動(dòng)作模式，隨著時(shí)間的推移，輸出功率逐漸降低，總電壓偏差回到零，使系統(tǒng)性能在單位因數(shù)范圍內(nèi)。

2.2 無用功電流電源調(diào)整原理和方法

2.2.1 調(diào)整原理

大量的研究數(shù)據(jù)表明，在調(diào)整過程中，最好使用二階通用積分器作為主要檢測(cè)工具，不僅可以控制電源的PCC電壓的特定相位和滑動(dòng)值，還能對(duì)比阻斷電壓的瞬時(shí)振幅和總振幅。在疊加設(shè)定的參考電流后，不僅可以控制逆變器的設(shè)定值，還可以實(shí)現(xiàn)PCC的動(dòng)態(tài)調(diào)整。有功電流和電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快于無功電流和電壓，調(diào)節(jié)了有功電流和電壓后，光伏發(fā)電系統(tǒng)的無功電流和電壓仍會(huì)影響單位功率因數(shù)，反之亦然，從而限制總功率因數(shù)。在高電壓控制精度方面，無功功率控制策略尤其出色；在經(jīng)濟(jì)方面，無功管理策略具有良好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 調(diào)整方法

當(dāng)逆變器不能吸收能量時(shí)，PCC的本地負(fù)載中斷，不能根據(jù)原有標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整PCC的功率。如果出現(xiàn)電壓指數(shù)為零的情況，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，體現(xiàn)為單位功率因數(shù)落后于總功率因數(shù)的數(shù)據(jù)。在使用設(shè)備前，應(yīng)當(dāng)設(shè)定PCC的電壓狀態(tài)，并在設(shè)定過程中顯示暫態(tài)穩(wěn)定波形。

2.3 自動(dòng)投切電容器控制策略

為了降低大型電網(wǎng)線路吸收的無功功率，需要實(shí)現(xiàn)無功功率的局部均衡，可將電容器并聯(lián)到并聯(lián)站進(jìn)行無功補(bǔ)償。電路電容器采用無效功率控制的模式，無功功率計(jì)可以測(cè)量流經(jīng)變壓器二次側(cè)的無功功率。

3 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的組成

3.1 光伏電池陣列

在光伏發(fā)電廠的光伏電池陣列中，最昂貴的組件是光伏電池。在單晶硅、多晶硅和薄膜電池出現(xiàn)之前，一般采用集中光伏電池組件。隨著光伏組件的不斷發(fā)展，DC變換器的集成度越來越高，所有模塊可以集成到一個(gè)小型的DC轉(zhuǎn)換器中，形成獨(dú)立的智能MPPT控制和保護(hù)模塊?；陔妷汉碗娏鳈z測(cè)的MPPT檢測(cè)方法具有較高的精度，可以實(shí)現(xiàn)MPPT的實(shí)時(shí)控制，滿足一般場(chǎng)合的要求，在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用?；谧畲笮阅茳c(diǎn)的新型MPPT控制技術(shù)可以解決算法的動(dòng)態(tài)性能跟蹤問題，加強(qiáng)光伏電池反向特性模型的應(yīng)用效果，并提出相應(yīng)的對(duì)策，以減少熱點(diǎn)效應(yīng)的損害。通過研究具有多個(gè)影響因素的大型光伏系統(tǒng)的特性，解決了局部誤差的檢測(cè)和消除問題，分析了故障機(jī)理，并采取相應(yīng)的措施。

并聯(lián)二極管是解決熱點(diǎn)效應(yīng)的有效途徑。對(duì)大型光伏陣列的結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行綜合優(yōu)化，可以最大限度地減少大型光伏陣列的不理想特性。目前，關(guān)于二極管并聯(lián)保護(hù)最佳配置的理論研究較少，多變流器系統(tǒng)的高性能變流器技術(shù)應(yīng)注意協(xié)調(diào)運(yùn)行和集群特性。

3.2 逆變器

逆變器效率是大型光伏發(fā)電裝置的重要指標(biāo)。目前，逆變器的研究包括開關(guān)元件、開關(guān)頻率、控制算法、死區(qū)、輔助電源、散熱等，許多產(chǎn)品的工作效率可以超過30%。在大型光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，電能質(zhì)量問題一直存在。為了抑制電網(wǎng)中的諧波電流和小電流，在并網(wǎng)系統(tǒng)中疊加多個(gè)逆變器，控制電壓較高時(shí)的小電流諧波。

電力電子制造商通常使用合適的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電感設(shè)計(jì)，包括電容器參數(shù)、PWM驅(qū)動(dòng)方式、控制算法、掃描精度和操作精度等，確保諧波分量符合標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)光伏發(fā)電廠連接到大型輸電網(wǎng)時(shí)，要通過電磁干擾濾波器和絕緣變壓器使用控制算法。當(dāng)供電系統(tǒng)因維護(hù)故障或停電而停止運(yùn)行時(shí)，連接到客戶網(wǎng)絡(luò)的光伏發(fā)電系統(tǒng)無法檢測(cè)到停電狀態(tài)，即安裝的本地網(wǎng)絡(luò)無法快速斷開；而采用光伏發(fā)電系統(tǒng)連接時(shí)，周圍負(fù)荷的供電會(huì)產(chǎn)生能源孤島現(xiàn)象，無法由電力系統(tǒng)控制。無源檢測(cè)方法主要包括諧波檢測(cè)、頻率電壓檢測(cè)和相位跳變檢測(cè)；有源檢測(cè)方法一般分為停電法、電壓干擾法和頻率干擾法。此外，研究人員提出一種基于高級(jí)階段的檢測(cè)方法，該方法通過改變電流和電壓之間的相位及系統(tǒng)的輸出頻率來縮短檢測(cè)時(shí)間，各種參數(shù)可用于逆變器的并聯(lián)檢測(cè)。

4 光伏發(fā)電并網(wǎng)中的常見問題和優(yōu)化策略

4.1 光伏發(fā)電并網(wǎng)中的常見問題

影響光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的因素很多，如天氣。在夏天，傳輸線與云中的電荷相互作用，導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)高壓?jiǎn)栴}。高壓?jiǎn)栴}的發(fā)生給輸電網(wǎng)的運(yùn)行埋下許多隱患，對(duì)配電網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。因此，必須控制和應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，從根本上促進(jìn)光伏發(fā)電和電網(wǎng)擴(kuò)建的安全有序運(yùn)行。光伏發(fā)電系統(tǒng)具有運(yùn)行點(diǎn)變化快的特點(diǎn)，在應(yīng)用光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)時(shí)，大型電網(wǎng)的接入效果不好。由于接入點(diǎn)數(shù)量多，很難將其置于中心位置，導(dǎo)致并網(wǎng)后光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間相互作用。

全面研究光伏系統(tǒng)和大型電網(wǎng)的作用是提高電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性的有效措施。規(guī)劃光伏發(fā)電并網(wǎng)后的配電網(wǎng)，可以改善大型電網(wǎng)的作用效果。到目前為止，大型電網(wǎng)（配電系統(tǒng)）已從單一功能系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧嫒菹到y(tǒng)，電能的傳輸、分配和收集集成到了配電系統(tǒng)中。光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的集成對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量有非常重要的影響。例如，當(dāng)光伏系統(tǒng)連接到電網(wǎng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電壓閃爍、諧波和污染，這對(duì)大電流電網(wǎng)提出了新的要求。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模并網(wǎng)后，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)非常重要。

4.2 光伏發(fā)電并網(wǎng)的優(yōu)化策略

為了促進(jìn)新能源光伏發(fā)電并網(wǎng)的發(fā)展，需要制定光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)范，使光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的整體安全可靠，建設(shè)效率更高，目標(biāo)更明確。為了使數(shù)據(jù)更可靠，還需要根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)建立適當(dāng)?shù)目刂茩C(jī)構(gòu)。在中央電網(wǎng)中，由于配電距離小，及時(shí)采取優(yōu)化控制措施非常重要。在規(guī)劃中，基于具體情況，統(tǒng)籌物流系統(tǒng)與流通系統(tǒng)的結(jié)合，以控制光伏發(fā)電系統(tǒng)。

為了更好地消除光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)大型電力系統(tǒng)的影響，可以建立光伏發(fā)電并網(wǎng)影響的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。建立一個(gè)光伏發(fā)電廠并網(wǎng)的典型示例，給出光伏系統(tǒng)典型并網(wǎng)類型的典型運(yùn)行模式、故障狀態(tài)和控制方案，并對(duì)這些典型案例進(jìn)行仿真。深入分析配電網(wǎng)選擇、電源配置等問題，提高配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)的安全性；詳細(xì)分析配電網(wǎng)規(guī)劃中存在的問題，解決配電網(wǎng)的運(yùn)行問題。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)我國(guó)光伏運(yùn)行現(xiàn)狀，分析光伏大規(guī)模應(yīng)用帶來的問題，并從技術(shù)角度提出解決問題的主要技術(shù)方案，可以為我國(guó)光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供重要的理論指導(dǎo)，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。光伏發(fā)電作為一種新的發(fā)電技術(shù)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮著重要作用。光伏發(fā)電并網(wǎng)會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的性能，因此，對(duì)于光伏發(fā)電，不僅要加強(qiáng)對(duì)并網(wǎng)技術(shù)的研究，還要促進(jìn)光伏發(fā)電系統(tǒng)和高性能電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，確保配電系統(tǒng)的安全性和合理性。