分类：电子论文 时间：2021-12-17 热度：605
摘 要：光伏发电并入国家大电网是发展的目标。简要介绍了光伏发电，阐述了分布式与集中式并网系统，分析了LVRT(低电压穿越)等关键技术，提出了解决对策。研究表明：光伏并网对公共电网平稳运行的干扰，是当前面临的主要问题，防雷系统安装、配电系统规划、并网干扰控制和调压方式优化是解决上述问题的有效对策。
关键词：光伏发电;并网;LVRT(低电压穿越);雷击;干扰控制
引言
20多年来，我国一直致力于研究完善光伏太阳能发电技术，以生产清洁能源，促进环境良好且可持续发展。2016年我国光伏发电新增和累计装机容量均为全球第一，新增和累计装机容量分别达到3 454、7 742 万千瓦。根据国家对光伏发电的相关管理规定，安装光伏发电设备，用不完的电(即余电)可上网至公共电网，由当地电网企业和用户结算上网费用，标准参考当年的标杆燃煤电价，此外用户光伏设备发出来的电还可享受国家规定的相关补贴。
伴随着家庭、企业与农业、集团与区域等独立光伏发电系统的安装，特别是当光伏发电量多余时，并入公共电网并需要核算供应电量成本时，并网技术无法完全满足公共电网运行安全性与可靠性要求，且存在核算成本困难等问题。
完善并网技术、优化光伏发电系统，是本文开展分析研究的对象。
1 光伏发电及并网技术
1.1 光伏发电
光伏发电本质是利用太阳光照射光伏元件，在光生伏特效应作用下，通过电荷聚集产生电动势，最终转换为电能。以分布式光伏发电系统为例，其系统构成包括太阳电池方阵、直流配电柜、控制器、逆变器及交流配电柜等，如图1所示。各部分功能各自不同，其中逆变器和太阳电池方阵最为重要。在设计时，太阳电池方阵要求串联，将所有电池组件有效组合在一起，得到较大电压，确保完全满足输出要求。
由于受到光照与温度等因素的支配，外界条件发生变化会对光伏发电效率产生重要影响，因此整个过程控制性较低、随意性较强[1] 。另外，光伏发电输出直流电，必须转换为交流电方可正常应用。光伏发电技术还具有变化快、功率小等特点，若要将其应用到生产生活中，还需要采取一定处理措施。
1.2 光伏发电并网技术
目前光伏发电系统从规模上主要分为集中式和分散式两种，其并网技术要根据系统结构、系统特点和实际需求来研究确定。
1.2.1 集中式并网技术
集中式并网是指光伏发电电能直接输送给公共电网，由公共电网经过统一调配后供用户使用。整个过程与大电网保持单向电力交换，且电压等级在10 kV以上。集中式发电系统一般由几千个光伏组件、光伏开关站等构成。充分利用广袤的农田、荒漠地区丰富和相对稳定的太阳能资源构建大型光伏电站，接入高压输电系统供给远距离负荷使用，这就是集中式并网发电。
集中式发电规模很大。以某40兆瓦农业光伏(应用于农作物)项目为例，其总规划用地面积为1 090亩，共分为40个单元，每个发电单元布置4 532块光伏组件，建有35 kV开关站一座，建成后预计年均上网电量达5 200多万千瓦时。
一般情况下，集中式光伏发电需要依赖长距离输电线路送电入网，由于供电量较大，也是电网的一个较大的干扰源，存在着电压跌落、输电线路损耗、无功补偿等问题。大容量的光伏电站由多台变换装置组合实现，这些装置协同工作、信息系统、远程处理等技术尚不成熟。
为保证电网安全，大容量的集中式电量接入需要有LVRT(低电压穿越)等功能，。LVRT是指当光伏电站并网点电压跌落时，光伏电站能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网电压恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。这样才能保证公共电网稳定性。
1.2.2 分布式并网技术
分布式并网是指光伏发电电能被直接分配到用电负载，若电力多余或不足，则连接大电网进行调节。整个过程与大电网保持双向交换。分布式光伏发电的构成主要包括：(1)太阳能电池组件;(2)保护装置;(3)电路;(4)逆变器;(5)电网接口。其中太阳能电池组件是光伏系统中的核心部件，其作用是把太阳能转化成电能。逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池组件产生的电为直流电，而实际应用过程中绝大部分负载都是交流负载，因此需要此装置将直流电转换成交流电以供负载使用，且可并网向国家大电网供电。
在分布式系统的并网技术中，发电与用电并存。针对发电，地面电站要将多余电量升压、变频后接入配电网，实现区域就地消纳原则，而不是公共电网。根据配电网中的潮流方向要调整变化，逆潮流导致额外损耗，相关的保护都需要重新整定，变压器分接头需要不断变换。
要装配电压和无功调节控制技术以及防止短路技术的设备。需要配电网级的能量管理系统，在较大规模电量接入的情况下进行负载协同管理;对二次转换设备和通讯提供了新的要求，系统较复杂。
在分布式光伏系统设计时，其系统要与公共电网衔接很关键。在设计电网接口时，要关注光伏(PV)系统电网接口特性(国家标准GB/T 20046-2006)中的关键指标，使得系统设计规范，并网性能优良。
2 光伏发电并网技术现存问题
2.1 电网运行效率
鉴于光伏发电系统的自身特点，对其进行并网势必会对大电网运行效率产生一定影响。并网时，两种发电方式相互作用复杂度较高，而目前并未完全掌握作用方式和规律[2] 。如果光伏发电系统接入点属于大规模集中式并网，若光伏电站仍采取被动保护式解列则会导致有功出力大量较少，增加整个系统的恢复难度，甚至可能加剧故障，引起其他机组的解列，导致大规模停电。在这种情况下，低电压穿越能力就是必须的。
2.2 雷击灾害影响
光伏发电受环境因素影响较大，如果温度与光照发生变化，则会直接体现到最终所得的电能质量。如果遇到雷雨天气，室外光伏发电还易导致雷击灾害，因为云层表面负电荷与电网电线间产生感应，生成高电压。若闪电穿过此空间，会由于电磁作用产生感应电流，对光伏发电系统产生较大破坏，情况严重者甚至威胁整个输电网[3] 。在发生雷击灾害时，瞬时增加的电流还可能导致大面积停电，不仅影响居民正常生活，还会对企业造成重大经济损失。
2.3 电网运行方式干扰
如前文所述，光伏发电系统主要通过日光照射实现、随着外界条件的变化而变化、具有很强的不确定性等。如此并网后，若要在大电网运行中准确观测光伏发电电量，将面临巨大难度，导致无法设计交换功率设备，增加电网负荷预测难度。电网运行管理强度增大，更易出现运行事故[4] 。另外，电网内存有大量光伏发电接入点，规模小且分散，实际电源控制难度高，并网时会很大程度上削弱大电网控制力度。大电网运行方式的改变将影响到电网控制与保护设备，再加上光伏发电系统产生的电能与传统电能并不相同，并网后也会对运行效率产生影响，进而作用到大电网保护装置，降低保护动作的灵敏性与时效性，更易发生运行故障。
3 光伏发电并网问题解决对策
3.1 防雷系统安装
对于室外光伏发电系统，为降低雷击灾害对其造成的影响，需在设计阶段做好防雷接地工作，安装必要防雷装置，及时将雷击电流引入地下，避免对电网造成损坏。
一方面，设置外部避雷装置。总结以往经验，为光伏发电装置安装接闪器、引下线与接地装置。通过接闪器吸收雷击电流，再通过引下线与接地装置的连接及时将过大的雷击电流引入地下。
另一方面，内部防雷保护。安装等电位系统、涌浪保护器等装置，避免电压超出系统承受能力，确保系统安全运行，提高防雷效果。
无论选择哪种防雷系统，均需结合实际情况，科学分析和设计，尽量使一个避雷系统将整个光伏发电系统囊括在保护范围内，并节约成本。
3.2 配电系统规划
光伏发电并网会对配电网产生一定影响，出现电压偏差、电压波动与闪变等情况，制约电网运行质量。为消除此类影响，在并网前必须对光伏发电配电系统进行合理规划，充分分析电压波动与谐波污染对大电网运行产生的影响，采取措施提高电能输出质量与并网技术水平。应根据实际需求分析电源优化配置方案，如电源容量与选址等，选择科学的控制方式、接入位置及并网技术[5] 。另外，配电网规划设计时还要重点分析光伏发电原理，确定影响因素，提高发电稳定性，确保实现发电量的准确观测。同时，还需对经济性及安全性等方面进行深入研究。
3.3 并网干扰控制
光伏发电并网虽然会对区域或公共电网运行安全性和可靠性产生一定影响，但也可为用户提供绿色电能，符合节能降耗生产理念，具有巨大发展优势。需深入分析并掌握光伏发电系统与电网间的作用，作为提高大电网综合运行效率的重要保障。例如，针对光伏发电系统电源特性进行研究，建立动态模型，结合经验对常见不确定性问题进行分析;对下一阶段的运行状态进行预测，作为大电网运行管理的依据，增强对换流器电压频率的控制效率[6] 。同时，为保证各种不确定因素的有效控制，还应研究提高预测光伏发电功率准确性的方法，并制定高效与稳定的计划方案。
3.4 调压方式优化
配电网调压复杂程度高。为降低光伏发电并网对配电网造成的影响，需根据配网不同节点的特点及运行状态确定调压方法。一方面，应对光伏发电所处环境的光照情况和建筑规模进行分析;另一方面，应结合实际发展要求，合理规划设计光伏电源;最后，在维持原有配网结构状态前提下，对配电网电压进行调节。
4 结束语
光伏发电建设周期短、环境适应性强，不需要水源、燃煤运输等原料保障，运行成本低，便于集中管理，受到空间的限制小，可以很容易地实现扩容。其发电量实现并入公共电网，在消除其不稳定等风险后，可提高电网运行效率，并保证公共电网稳定、安全运行，为国家经济建设持续发展提供能源保证。——论文作者：辛乳江，魏勇
文章名称：光伏发电并网关键技术及对策探究
