光伏发电并网对电力系统稳定性的影响.pdfVIP

电 61 郦洪柯 2006010909 1 光伏光伏发电并网对电力系统稳定性的影响发电并网对电力系统稳定性的影响 电 61 郦洪柯 2006010909 【摘要】【摘要】 并网光伏发电系统在电网中所占的比例日益增长， 有必要考察其对电网稳定 性的影响。由于光伏发电具有出力随机性大，夜间不能发电等特点，对电力系统 稳定性的影响不同于传统电源，需要依照其技术特点进行讨论。可以通过一些方 法来保证光伏发电系统所接入电网的安全稳定运行。 1 【 【背景背景】 11 太阳能发电太阳能发电发展现状发展现状 传统的化石燃料在使用过程中会产生大量的环境污染物，并且储量逐渐耗 竭，而清洁、无限量的太阳能是理想的替代能源。太阳能发电分为太阳能热发电 和太阳能光伏发电，其中，太阳能光伏发电产业年增长率达到 30%以上。经国外 相关机构推算，2040 年太阳能光伏发电将达到全球发电总量的 15%20%。 12 太阳能太阳能光伏光伏发电系统发电系统分类分类 太阳能光伏发电系统分为独立光伏发电系统，和并网光伏发电系统。 并网光伏发电系统又分为集中式大型并网光伏发电系统以及分散式小型并 网光伏发电系统（住宅并网光伏发电系统） 。分散式小型并网光伏发电系统是与 建筑结合的光伏系统，容量小，所发电能直接分配到住宅，多余或不足的电能通 过电网来调节。 2 【光伏 【光伏发电对电力系统稳定性的影发电对电力系统稳定性的影响响】 21 光伏发电的技术特点光伏发电的技术特点 1、现有的光伏并网逆变器的控制方式主要为电压源电流控制，输出功率基 本为有功功率，功率因素达到 0.98 以上。 2、光伏发电系统的冷启动并网和热启动并网，有较大的电流变化率，与不 同的并网逆变器的启动工作特性有关。 3、光伏发电系统受到光照、温度等条件影响，使直流输出中断时，交流测 输出呈现快速关断特性，电流变化率较大。在多云天气下，光伏电站的功率变化 最大可达装机容量的 25%，最大变化率达到 10%额定出力每秒。 【1】 4、光伏并网逆变器在将直流电能转换为交流电能的过程中，会产生大量谐 波。同时，光伏电站受自然因素影响，日功率曲线具有随机性，会增大谐波。尤 电 61 郦洪柯 2006010909 2 其是当轻载时，谐波会明显增大，当发电功率在 10%额定出力以下时，谐波比例 将达到 20%以上。 【1】 5、现有光伏发电系统采用最大功率点跟踪技术（mppt） ，实现太阳能的最 大利用，但不具备功率调节能力。改进 mppt 的算法有利于提高动态性能和稳 定性。 6、当电网由于电气故障、误操作等中断供电时，如果光伏并网发电系统未 能检测出停电状态，不能脱离电网，将形成一个电力公司无法控制的自给供电孤 岛。 光伏并网电站需要具有防孤岛特性。在平衡负载下抗孤岛检测的时间将明显 增加，甚至无法检测。 22 光光伏发电伏发电系统并网系统并网对电力系统对电力系统稳定性稳定性的影响的影响 光伏发电系统的技术特点决定了它有不同于传统发电站的工作特点， 对于电 力系统稳定性的影响也需要根据其技术特点进行分析。 221 光伏发电系统并网对光伏发电系统并网对电网电网电压电压稳定性稳定性的影响的影响 由于并网光伏发电系统只提供给电网有功功率， 无功功率由电网或专用的无 功补偿装置提供。当负荷距离供电单位较远时，负载的无功电流将使电网电压产 生较大压降，影响供电质量，严重时将不满足电网稳定运行的要求。 电力系统的节点电压水平是系统稳定运行的重要指标。当光伏电站的出力增 大时，电力系统中某节点的电压呈一定的变化趋势，先上升后下降 【2】 ，有越电压 下限的趋势， 当节点距离光伏电站电气距离较远时，对光伏电站出力变化的灵敏 度较小，而较近的节点则灵敏度较大。 当光伏电站出力发生突然性的扰动时，对电力系统暂态功角和电压稳定的冲 击作用较为明显。当光伏发电系统的发电容量比例增大后，可能影响到高压电网 的电压稳定性， 由于光伏发电系统出力变化可以达到额定功率的 25%， 当其出力 减少时，将导致大量的功率缺额。这对电网提出了热备用容量的要求，同时，在 目前的技术条件下，应该控制光伏发电在区域电网中的比例。 另外，光伏发电系统并入电网相当于两个交流电源的并联，只有在电压同幅 值同相位时才能并联， 如果并网逆变器在光伏发电系统交流侧电压与电网电压不 同步时并网，将产生冲击性电流，对电网产生冲击，严重时可能损坏电网设备和 发电系统的设备，因此光伏并网逆变器必须有可靠的同步控制装置。 222 光伏发电系统并网对光伏发电系统并网对电网频率稳定性电网频率稳定性的影响的影响 受天气等自然因素的影响，光伏发电系统出力具有很大的随机性，可能导致 电网内的频率波动。由于一次调频机组大多采用火电机组，可能影响汽轮机叶片 的使用寿命，如果一次调频机组在额定使用年限内损坏，可能无法满足电网频率 调节的要求，影响到电网的频率稳定性。 光伏发电系统会对电网电压叠加大量谐波，根据目前的并网逆变器样本资 电 61 郦洪柯 2006010909 3 料， 交流侧的电压波形畸变率已经接近或超过相关限定值，和电网背景谐波叠加 后有可能超过其限值。如果多个谐波源的能量叠加，更有可能激发高次谐波的功 率谐振。谐波的影响不但劣化了电能质量，同时可能破坏电网的安全稳定运行。 223 光伏发电系统并网光伏发电系统并网可能造成的孤岛效应和其影响可能造成的孤岛效应和其影响 电网中孤岛的危害很大，除了造成电力检修部门的检修危险外，还会对孤岛 中的部分电网的安全稳定运行产生以下的破坏： 由于大量负荷需要三相对称交流 电源， 而光伏发电系统提供的是单相交流电，孤岛中光伏电站的单相供电模式造 成三相负荷的欠相供电，使三相电压不平衡。处于孤岛中的用电负载可能因为电 压和频率的不稳定而损坏， 光伏电站的并网逆变器也可能因为负荷的突然增大而 损坏。 当光伏并网发电系统切换成孤岛运行时，如果供电系统内无储能元件或容 量太小，会使得用户负荷发生电压波动和闪变。 因此当孤岛发生时必须快速准确地切除并网逆变器， 现在的孤岛检测办法分 为主动式检测和被动式检测两种，但是由于在等阻抗下无法检测，因此仍需要改 进。 在电网恢复供电时，如果光伏电站的供电相位不同步，将干扰电网的正常合 闸过程并且损坏并网逆变器，对电网造成冲击。 另外，在并网光伏发电容量越来越大时，像大型风力发电并网一样对光伏发 电系统提出了低电压穿越的考察要求，如果电网故障而光伏电站立即停止工作， 可能加重故障程度，影响向负载及时供电和推迟电网恢复时间。 224 光伏发电系统并网对光伏发电系统并网对配电网稳定性配电网稳定性的影响的影响 光伏发电系统的发电功率随日照强度变化，晴天时呈单峰曲线形状，阴天时 呈现出较大的随机性。同时当引入大量的分布式光伏发电系统时，电网中的电源 变得多而分散，可能造成双向潮流，改变配电网潮流流向。 光伏并网发电系统受自然因素的影响较大， 而配电网中很少具有动态无功调 节设备，将使配电线路上的负荷潮流也极易大幅波动，从而加大了电网正常运行 时的电压调整难度，调节不好会使电压超标。当光伏电站规模较大时，如果由于 日照突变等导致电网电源突然减少或失去， 母线处甚至整个配电网的电压骤降可 能对配电网有破坏性作用。 我国的中低压配电网是传统的单电源辐射状网络， 大量光伏发电系统的投入 将使配电网变成多端网络，从而改变故障电流的大小方向和持续时间。这可能导 致本线路保护的灵敏度降低、拒动、甚至误动，而相邻线路的保护误动，失去选 择性。当光伏电站孤岛检测不灵敏时，与自动重合闸装置配合不成功，将导致重 合闸不成功。同时，目前已有的继电器不具备方向敏感性，可能使继电器的保护 区缩小。 因此并网光伏发电系统将导致配电网络的规划、运行等彻底改变，对配电网 电 61 郦洪柯 2006010909 4 的安全稳定运行产生极大的影响。 225 光伏发电系统并网对光伏发电系统并网对电网稳定性可能的益处电网稳定性可能的益处 在重负荷中心引入分布式光伏电源可以减少进线输送功率， 从而在一定程度 上提高电网的稳定性。 光伏发电系统并网装置的结构与 statcom 基本相同， 当其以适当的方式接 入单机无穷大系统时，对有功、无功进行适当调节，可以增大单机无穷大系统的 阻尼，抑制单机无穷大系统的功率振荡。 3并网光伏发电系统对电力系统稳定性影响的解决办法并网光伏发电系统对电力系统稳定性影响的解决办法 31 准备备用容量准备备用容量 光伏发电系统不具备调峰和调频的能力， 将对电网的早峰负荷和晚峰负荷造 成冲击。因此，为了提高电网的稳定性，必须为光伏发电系统准备一定的旋转备 用机组来解决早峰和晚峰的调峰问题。 当光伏发电达到一定的规模后，如果地理气象等条件发生大幅度变化，将导 致光伏发电的出力大幅度变化， 因此需要提供足够的区域性旋转备用容量和无功 补偿容量，用以调整频率和电压。 准备备用容量是以牺牲经济性为代价来保证电力系统的安全稳定运行，同 时，当光伏发电容量增大到一定程度后，准备备用容量会愈显困难。 32 开发新型的储能技术开发新型的储能技术 研制可以瞬时释放大量能量的新型储能设备，由储能装置进行削峰填谷，减 小出力波动，在提高电网稳定性的同时，也达到了比准备热备用机组更好的经济 性。目前的储能技术有蓄电池、超级电容器、超导储能、飞轮储能等。 其中超级电容的电容量达到法拉级，功率密度高，能量转换率高，充电速度 快， 放电电流仅受内阻和发热限制， 使用寿命长， 没有蓄电池常有的 “记忆效应” 。 工作温度范围大。是理想的储能装置 。 33 开发新型的开发新型的并网逆变器并网逆变器 在现有的并网逆变器基础上，如果新型的并网逆变器具有有功/频率控制、 无功/电压控制的能力，调度自动化功能，维持输出电压恒定的能力，那么可以 显著提高光伏发电系统所接入电网的稳定性。同时，并网逆变器的启动电流变化 率也应当维持在较低水平。 由于并网逆变器的电路结构与有源无功补偿和滤波装置的主电路一致， 可以 考虑将两者相结合 【3】 ， 构成同时具有逆变并网与无功补偿控制功能的功率调节系 统，从而节省设备投资，简化结构，优化电网末端供电能力和质量，提高电力系 统稳定性。 34 开发风开发风-光光-（常规能源常规能源）互补发电系统互补发电系统 电 61 郦洪柯 2006010909 5 由于风电、光电系统的出力随机性都较大，单独发电时电压控制和频率控制 都较为困难。然而在很多地区，风能和太阳能呈现出季节间的互补性或者昼夜间 的互补性，比如，夏天风能较少但光能可能较强，而冬天的风能显著增大，光能 有所减少；夜间没有光能时，也正是风能较强的时候。 因此合理搭配风-光互补发电，或者风-光-常规能源互补发电，可以为电网提 供稳定的电压和功率，提高所在电网的稳定性。 35 其他其他提高稳定性的提高稳定性的常规常规方法方法 在光伏电站附近装设无功补偿装置可以有效提高系统的电压水平， 优化变压 器分接头和无功补偿装置的运行有利于改善节点电压水平。 合理分布负荷，延时分布投入，提高负荷功率因素，可以减小在远端负荷上 的电压降落。光伏电站从轻负荷线路接入可以降低系统网损。 其他提高电网运行安全稳定性的方法，如降低线路阻抗以缩短电气距离等。 36 设想的一些有新意的设想的一些有新意的方法方法 由于常规化石燃料终会耗竭，同时化石燃料其实是非常好的化工原料，因此 在科技发展到更高程度后，太阳能和核聚变能终将成为电网电源的两大支柱，因 此， 前面提到的大部分常规方法都不足以甚至完全无法保证这样情况下的电网的 稳定性。 因此在当前的电网条件下，可以不急于把光伏发电系统大规模地接入电网， 而是可以在荒漠等光能充沛地区，建立大规模光伏电站，为不需要持续性提供电 能或者对电能质量要求低的产业提供电力，例如太阳能制氢和制造燃料电池等。 生产出来的氢气和燃料电池可以供给清洁动力汽车使用或者为电网提供比太阳 能光伏发电性能更好的电能。另外，可以在光能充沛地区，种植含油量丰富的作 物，转化为生物质能来使用。 由于全球必定有半球处在光照之下，当太阳能光伏发电达到很高的规模后， 如果能建立全球性的互联电力系统来调度电力，也可以合理分配光伏电力的使 用。建立近地空间上的轨道发电站，用微波输送电力，也可以缓解夜间无法进行 光伏发电的问题。 4 【总结】 【总结】 光伏发电系统在电力系统中所占的比例正在日益增大， 因此非常有必要关注 光伏发电系统大规模并网对电力系统的影响。 并网光伏发电系统对电力系统的影响有两类： 一是由于季节变更和昼夜交替 导致电站出力周期性变化，变化幅度大，变化缓慢，可以由负荷预测和潮流计算 进行分析。二是由于天气因素，如浮云遮挡等造成电站出力突然变化，具有不可 预见性和突然性，在具有许多动态元件的电网中，对暂态稳定计算提出了很高的 电 61 郦洪柯 2006010909 6 要求。 目前还没有光伏发电在电网稳定计算中的电源和负荷数学模型， 光伏发电并 网对电网安全稳定运行具体有多大的影响目前尚不清楚。 一个合理的光伏发电系 统模型应能根据日照强度和气候条件反映光伏发电系统的发电能力的时变性， 能 按年份反映光伏发电系统的效率，还要求能反映逆变器的功率因素等。 可以通过一些途径和方法来保证光伏发电系统接入的电网的安全稳定运行 性能。长远来看也有必要开发技术性能更好的太阳能发电手段。 5 【参考资料】 【参考资料】 【1】浙江电网光伏电站并网特性的试验研究；浙江省电力试验研究院，童杭伟， 池勇，叶传良，李鹏。 【2】考虑电网安全稳定约束的光伏电站最大安装容量计算与分析；中科院电工 所，王一波，李晶，许洪华。 【3】光伏并网发电及无功补偿的统一控制；教育部光伏系统工程研究中心合肥 工业大学能源研究所，汪海宁，苏建徽，张国荣，茆美琴，丁明。 【4】小型光伏发电系统并网对电网的影响；上海电力设计院有限公司，桑妲。 【5】风光互补发电系统的应用展望；上海风光能源科技有限公司，贺炜。 【6】并网光伏发电系统的孤岛检测；辽宁工程技术大学，吕振，杨丽。 【7】浅析光伏并网发电系统研究中的关键问题；青岛大学，隋岗，韩嵩。 【8】未来光伏并网发电对电网的影响；云南华能澜沧江水电有限公司，李维亚。 【9】利用光伏发电系统抑制电网功率振荡的研究；清华大学电机系，龙源，李 国杰，程林，孙元章。 【10】 考虑电