张启亮
华电科工新能源技术开发公司 北京市丰台区
摘要：电网系统中，大规模光伏发电机组只有并入电网，其产生的电能才能充分发挥作用。然而此过程中，在实验与实践中发现还存在一些问题，表现为大规模光伏发电并网后对电网系统带来了很大的影响。因而必须要深入研究这些问题，才能为电网系统有效运行奠定良好的基础。因而针对大规模光伏发电对电力系统造成的影响相关知识，本文进行了简单地论述，希望对相关领域研究有帮助。
关键词：光伏发电；电力系统；影响
引言
国家发展中，电能是重要能源来源其直接关系到国民经济发展。随着时代的进步，居民生活品质不断提高对能源应用出现了更多的需求，与此同时出现了更多的发电形式，比如水力、风力、核电站、沼气及潮汐等新型发电形式拓宽了电能来源渠道。近年来，光伏发电逐渐兴起，其出现与应用推广，为人们日常生活、工作与学习创造了极大地便利条件，对资源紧缺、能源匮乏甚至环境污染等问题的解决发挥着积极作用。所以，深入研究大规模光伏发电原理及构成，论述大规模发电并网对电力系统造成的影响，具有非常重要的意义。
1、大规模光伏发电系统概述
1.1光伏发电并网系统内涵
其利用光伏电池方阵为并网逆变器及变压器中输送方阵产生的电流，其不用蓄电池组对电能进行储存，而是通过逆变器或变压器为公共电网直接输送产生的电能，中间省去了储能环节。光伏发电并网后，不用蓄电池储能或释放其形成的电能，因而该系统能源耗损低且占地范围小。现阶段，大规模光伏发电都会并入大电网。
光伏并网后离散动作及发电间隙是逆变器比较常见的问题，此时电网功率输送或接收，系统电压都会出现短时或长时现象，所以大规模光伏光电系统并网时必须要注意这一问题。
1.2大规模光伏发电系统原理与优势
将太阳能发电系统生产的直流电转换成与实际供电需求相一致的交流电，这一过程就是大规模光伏发电，其是利用并网逆变器完成转换，光伏并网发电系统形式主要包含集中式大型并网电站与分散式小型并网发电系统两类，其中前者在发电站内就可实现电能转化，能够直接为用户配电，因而在国家级电站中有很强的适用性；后者在居民建筑应用范围大，适用于光伏一体化建筑。光伏发电并网系统没有能力储存与释放，降低了能源损耗，电能应用效率明显提高。
大规模光伏发电中太阳能是主要能源，其有明显优势主要表现为：有效提高了电能应用效率，而且电能损耗小；太能能属于一种清洁型能源，相较之其它发电形式，不会污染环境；光伏发电并网系统有很高的收益，提供的电能能源多，居民电能使用需求得到了很好的满足；该发电系统与建筑物的有效融合，使得建筑拥有更加完美的色彩与特色。
2、分析光伏发电系统发展现状
现阶段，太阳能为光伏发电系统运行提供了重要的能源支撑。近年来随着现代科技水平的提高，光伏发电成本日益减小，而且我国太阳能能源是比较丰富的，因而为光伏发电发展规模的扩大创造了条件，与此同时很多电力系统能够将太阳能转换为电能。当前，光伏发电系统光伏应用于农村工业供电与通信、荒漠光伏供电等，其中独立光伏发电是使用最为频繁的，其主要是利用光伏组件方阵为某一区域居民与住户构建用电系统，该发电系统规模小且范围有限，因而利于保障整个区域居民有正常的用电电压。近些年，荒漠与偏远山区开始大规模建设此类光伏发电系统，因其电能需求量小，应用该供电系统使得供电质量与安全有了很大的保障。我国光伏发电系统运行中，并网光伏发电系统也是非常重要的沟通，相较之独立光伏发电，并网光伏发电有更大的应用范围，在军事、城市、野外、石油及通讯等领域都能看到。另外，国民经济发展中，并网光伏发电应用规模还在不断扩大，独立光伏、并网光伏及大规模光伏发电系统，与太阳能光伏发电密切相关。然而现阶段，我国太阳能光伏发电系统应用依然存在一些问题：（1）光伏发电基本材料匮乏，很多材料以国外进口为主。（2）光伏发电太阳能电池主要用于出口，光伏发电领域使用效率不高。（3）对于太阳能光伏发电系统，基础设施维护还不够完整，导致光伏发电系统无法充分发挥其价值。（4）法律政策确实，光伏发电系统正常运行受到影响。
总体而言，尽管光伏发电系统还存在一些问题，但其发展前景是很广阔的。因而大规模光伏发电系统运行中，深入分析其对电力系统造成的影响，合理制定解决措施解决出现的各类问题，提高光伏发电系统使用效率是十分必要的。
3、大规模光伏发电具体建模
3.1光伏电池及阵列模型
其围绕二极管模型，应用基尔霍夫原理构建光伏等效对应电路，同时简化理论计算公式，采用不同光伏发电系统短路、开路及最大功率点电流，还有最大功率点电压等相关参数以此获得有效的模型表达公式并应用于项目计算中。通常，该阵列模型要结合光伏电池模型与串并联关系组合获得。这一过程，必须要注意光伏阵列组件差异及遮挡问题，会对P-V特性多峰值及逆变器阵列模型构建带来影响。
3.2并网换流器及内控模型
光伏发电系统中，并网换流器是必不可少的构成，直接关乎到发电单位暂态及并网其它特性。现阶段，换流器控制以内外环结构方式为主。其中，内环任务在于输入电流，外环控制电流参考值的形成是重要指标，输电网络系统中借助环流器将电流纳入其中。外环控制中以电压输入为主，其通过电压输入，经过各控制环节为内环控制形成电流参考值，由此对换流器并网策略与外特性有着重要的影响。
环流器与内外装置设计中，一般工作人员选用解耦控制策略，解耦处理换流器机电暂态模型下电压与电流，并将该信息引入内环控制中。为了有效应用该模型，简化换流器及内环控制环节是十分必要的。比如外环控制模型，工作人员要结合电网系统为光伏发电系统设定要求，以此保障换流器并网功能
3.3动态模型
光伏发电系统建立动态模型时，根据发电系统各部门状态方程建立有效的方程组，同时把逆变器与MPPT控制变为相应状态方程，有效融合两种状态方程形成新方程组，为光伏发电系统构建相应动态模型。
3.4稳态模型
光伏发电系统中因逆变器为双环控制模式，可采用电压或电流方式与电网并接，此种情况下潮流计算中分别处理有功输出与并网节点电压恒定相关的PV节点亦或是入网电流恒定PI节点。通常，光伏发电系统功率因素是1，无功补偿装置的安装是非常必要的。电容器补偿装置无功输出直接关系到节点电压幅值，计算潮流时如果需要从内部计算光伏发电系统，构建对应潮流方程，此种潮流方程中要涉及光伏阵列、逆变器及变压器等相关稳态模型。
4、电力系统中大规模光伏发电系统造成的影响
4.1有功频率特性造成的影响
大规模光伏发电运行中，其具有明显的特点比如随机波动性、低电压条件下没有无功动态、四象限控制以及脱网等特点，一定程度上改变了电力系统运行的稳定性，直接影响到系统正常运行与规划。相关研究人员提出光伏电力系统随机波动性频率与幅度，对系统有功平衡性带来严重的冲击，以此直接影响到电力系统一二次调频与有功经济调度等运行特点，同时加大了频率质量等风险。接入光伏系统后，系统备用优化策略发生了变化，此时常规机组运行中，及时协调其电源有功频率，增强其适应性。从本质上来讲，光伏电源是非旋转静止原件，因接入规模不断增加使得系统等效转动惯量明显减小，系统应对功率缺额能力急剧恶化，此种情况下加大了频率快速变化的风险，直接影响到系统正常运行情况。
4.2功角稳定性造成的影响
根本上来讲，功角震荡中不会出现功夫电源发电，所以本质上而言功角稳定性问题是不存在的。众所周知，光伏电源发电原件自身具有一定的随机波动性，还有无转动惯量等属性，大规模光伏发电与电力系统并网后，电源网内部分布呈现潮流趋势，以此直接影响到通道内整个电流功率，是不断下降的趋势，电力系统内等效惯量受到严重的影响。另外，光伏发电并入电网系统后，整个电网形成后基本性能发生改变，电网系统中拓扑结构补充方式与电力传输运行方式而减小了模型功能，系统功角稳定性受到影响。所以，光伏电网出现故障后，经常会因穿越能力匮乏出现脱网故障，特别是集中化与规模化后此类故障发生几率比较大，所以改进过程中药充分发挥光伏配电站作用，保障配电站无功补偿功能，从整体上为系统安全性的提高奠定良好的基础。
4.3无功电压产生的影响
大规模光伏发电系统运行中，作为一种新电力技术无功电压主要用于解决电能供应中因供电系统电阻太大引起的电能供应迟缓等方面的问题，此种情况下要采取有效措施，通过补给外力电压合理改进并完善电压。该电压技术的研究发现，对电力系统保持稳定电压发挥着积极的影响。如果结合光伏发电技术，可保障电压稳定性同时促为电力系统稳定运行提供重要的保障，电力系统运行中有效应用无功电压技术并充分发挥其作用。光伏发电技术自身稳定性比较好，无功电压运行环境下，为电力系统同步应用双电源及多电源创造了很好的条件。很大程度上，光伏发电与无功电压技术间是相互促进的，大规模光伏发电系统的应用，为无功电压发展及应用提供了重要的推动力，无功电压技术应用效果也能够推动光伏发电稳定运行，两者之间正向发展构成良性循环系统。
4.4电能质量产生的影响
大规模光伏发电的并网，光伏应用电力电子系统，且非线性负载在系统中应用日益光伏，使得电力系统受到了一定的破坏与污染，电能质量问题也是必不可少的。逆变器开关速度比较满足且灵活度减小，输出功率存在偏差引起谐波。受太阳光照射影响、输出功率变小以及变化太大等因素影响，会形成更大的谐波，且光伏并网同时也会促使电流产生谐波叠加的现象。大规模光伏发电与电网系统结合，利于增强电网内部电力电子元件结构可靠性与稳定性，为系统实现信息与智能化运行目标奠定了良好的基础。另外，还会引起污染问题，如果出现污染问题就会减小整个电网系统整体电能质量。因而为了及时了解光伏发电对电能质量产生的影响，现阶段纵观国内外大规模光伏发电系统运行实验，单一并网逆变器会输出较小的电流谐波，所以并联多台逆变器后极易可能造成电流谐波出现叠加，此种情况下输出电流就会比较大。
4.5影响配电系统保护
配电网中应用光伏电源，导致配网故障特点发生了改变，对继保及其自动装置运行造成一定的影响。配电网中光伏电源的应用可能会出现一些问题，这对配电网内部结构特性也会造成影响，最终造成继保及自动装置失去效果等问题。根据实际工作经验以及此领域国内外研究情况，具体包含：（1）系统构成结构中大规模光伏发电网架结构融合双电源与多电源等各拓扑结构，受该结构影响，光伏电网电力出书过程中，电网电流大小、方向与时间等发生发生变化。因而，此种情况下回发生馈线保护失效、装置误动甚至拒动等问题。（2）配电网中并入光伏电源后，改变了配电网变压器组合，改进了原有变压器，逆变器与变压器间回路也发生了一定的改变，有效提高了电路系统的零序电流，因而可有效保护配电系统运行。
4.6系统小扰动稳定性造成的影响
众所周知，太阳能是大规模光伏发电系统的主要电能来源，所以光伏系统并网运行可有效规避机械及电磁量出现的稳定性与失衡等问题，小扰动稳定性问题依然无法避免，直接影响到电气系统的稳定运行，不利于电力系统充分发挥其功能，无法保障电力系统稳定运行。其主要表现为大规模光伏发电系统两运行点中，因位于高出力环境下一个运行点不稳定，而光伏电力系统自身电容储存能力不好，如果发生故障，择优直流侧电容负责吸收不平衡功率，因而因故障问题直流侧电压急剧增加，调整难度比较大使得电源运行不稳定，因此受到光照等效干扰扰动后，电力系统稳定性受到了很大的影响。
结束语
综上所述，电力系统运行中，结合不同发电原理，电力系统频率出现了一些变化，很大程度上确保各用户不同生活与生产需求得到了满足。大规模光伏发电系统与传统火力发电原因有所差异，随机相关与无功动态特性尤为突出，此类特性对电力系统整体稳定运行带来了很大的影响。因而，大规模光伏发电系统运行中，只有充分了解光伏发电与电力系统间的影响关系，才有利于深入研究大规模光伏发电系统，从根本上为我国社会主义现代化建设奠定良好的基础。
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