光伏并网发电系统对电网的影响及相关需求分析

光伏并网发电系统对电网的影响及相关需求分析杨卫东 , 薛 峰 , 徐泰山 , 方勇杰 , 李碧君(国网电力科学研究院 / 南京南瑞集团公司 , 江苏省南京市 , 210003)摘要 : 从电压和频率稳定性 、 电能质量 、 短期负荷预测等方面 , 分析了光伏并网发电系统接入电网后对电网安全稳定运行可能产生的影响 ; 并从继电保护 、 供电可靠性 、 电能计量 、 配电系统的实时监控和调节等方面 , 论述了光伏并网发电系统接入电网后对配电网可能产生的影响 。 此外 , 分析了光伏并网发电系统对电网仿真分析和计算以及电网研究试验环境将要产生的新需求 , 并就光伏并网发电系统对原有电网调度运行管理模式 、 运行准则 、 安全稳定导则的影响以及相应的法律法规制定等问题阐述了初步看法 。关键词 : 光伏并网发电系统 ; 电能质量 ; 安全稳定性 ; 配电网 ; 仿真分析和计算 ; 试验环境 ; 调度运行管理模式中图分类号 : TM 914收稿日期 : 2009 03 05。0 引言将太阳能有效且经济地转换为一般民用供电 ,已成为各国兼顾环保与发电的重要产业发展政策。鉴于太阳能对未来世界环保与经济发展的重要性 ,各发达国家无不在全力开展推动太阳能应用的发展计划 [ 1] , 中国也将大力开发太阳能发电技术作为了一项基本国策 [ 2] 。光伏发电系统通常分两大类 : 一是独立光伏发电系统 , 二是光伏并网发电系统 [ 3, 4] 。其中 , 光伏并网发电系统由于具有环保且易于安装等优点 , 再加上商品化技术的成熟与世界各国的计划性推动 , 已成为发达国家发展太阳能发电的主要选择。目前 ,世界上最大的太阳能发电厂将于 2009 年在葡萄牙南部 穆 拉 市 附 近 建 成 [ 5] , 该 发 电 厂 发 电 能 力 达66 MW, 所产生的电能足以供应 21 000 户家庭日常使用 , 它的建设标志着人类太阳能利用水平的又一次飞跃 , 使得太阳能发电由原来的试验阶段和局部点缀功能逐步过渡到大规模发电的新阶段 , 成为一种有竞争力的发电模式。因此 , 大规模光伏并网发电技术将是今后世界性的一个研究方向。在众多有待研究的问题中 , 大规模光伏并网发电系统将对电网的安全稳定性产生什么影响 , 光伏并网发电系统对电网仿真分析和计算会产生什么新的需求 , 对电网研究试验环境有何新的需求 , 对原有的电网调度运行管理模式和有关电网运行准则、 安全稳定导则等会产生哪些改变或影响 , 等等 , 都是迫切需要回答的问题。本文针对这些问题提出看法及设想。1 光伏并网发电系统对电能质量的影响当光伏并网发电系统与电网并网运行时 , 通常会产生以下问题。1. 1 影响电压质量及其控制光伏并网发电系统对配电网和高压输电网的电压质量及其控制均有一定的影响。光伏并网发电系统受日光照射的影响较大 , 发电量时常变化无常 , 而配电网中除了通过投切电容电抗器调节电压外 , 一般很少具有其他的动态无功调节设备 , 如果该类发电量所占比例较大 , 其具有的易变性将使配电线路上的负荷潮流也极易波动且变化较大 , 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 [ 6] 。对于系统电压的影响程度 , 取决于光伏并网发电系统的安装位置、 容量大小等。当电网内的光伏并网发电系统规模较大时 , 如果由于日照突变等原因导致光伏并网发电系统的电源突然减少或失去 ,一般而言 , 若这部分功率须由当地的配电变压器提供 , 则该类系统对其安装母线处甚至整个配电网的电压骤降可能起到破坏作用。1. 2 谐波污染光伏并网发电系统的直流电经逆变后转换为交流电并入电网时 , 会产生谐波 , 对交流电网造成谐波污染 [ 6] 。当电网内的光伏并网发电系统规模有限时 , 如果滤波器的设计良好 , 由直流电逆变为交流电时所35第 33 卷 第 4 期2009 年 8 月 20 日Vo l. 33 N o. 4A ug. 20, 2009产生的高次谐波对交流电网造成的谐波污染一般能控制在可控范围内。但是 , 随着今后光伏并网发电系统的逐步推广和发电容量占电网内总发电量比例的上升 , 有关的谐波管理须得到应有的重视。如果管理不当 , 来自多个谐波源的能量叠加 , 有可能达到电能质量不可接受的谐波含量 ; 另外 , 当系统内含有多个谐波源时 , 还可能在系统内激发出高次谐波的功率谐振。1. 3 孤岛效应影响用户用电质量当电力公司的供电因故障、 事故或停电维修而跳脱时 , 各用户端的太阳能并网发电系统有可能和周围的负载构成一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛 , 即所谓的孤岛效应 [ 7 9] 。当光伏并网系统越来越多时 , 产生孤岛效应的概率也将增加。一般来说 ,孤岛效应对整个配电系统及用户端造成的影响主要包括 :1) 重新恢复供电时 , 因相位不同步而对电网用户造成冲击 [ 8] 。2) 电力孤岛区域供电电压和频率不稳定 [ 9] 。3) 当太阳能并网发电系统切换成孤岛方式运行时 , 如果该供电系统内无储能元件或其容量太小 , 会使用户负荷发生电压闪变 [ 6] 。4) 太阳能供电系统脱离原有的配电网后 , 其原来的单相供电模式可能造成其他配电网内出现三相负载不对称的情形 , 因而可能影响到其他用户的电压质量。2 光伏并网发电系统对电网安全运行的影响2. 1 对电网电压及其稳定性的影响当光伏并网发电系统的发电容量占电网内总发电量比例逐步增大后 , 不仅可能对配电网内的电压控制产生影响 , 还可能影响到高压电网的电压特性 ,甚至引起电压稳定性问题。例如 , 某大区电网的重负荷区内安装了大量的光伏发电系统 , 考虑到这类地区的日照特性基本相同 , 当该地区的日照出现突变时 , 由于太阳能功率的大量减少 , 将导致该地区出现大量的功率缺额 , 若该缺额很大 , 则可能对该地区整个的电压质量甚至电压稳定性产生不利影响。从这一角度看 , 即使今后要大力发展光伏发电 ,在负荷中心处 , 也须对该类发电系统所占的比例进行适当控制。2. 2 对电网频率的影响当光伏并网发电系统的发电容量占电网内总发电量比例逐步增大后 , 由于其发电具有一定的随机性 , 因而可能导致电网内的频率时常出现波动 , 如果系统内的一次调频机组大多采用火电机组 , 将会在一定程度上影响到汽轮机叶片的使用寿命。此外 , 为今后更好地接纳大容量光伏并网发电系统发出的电能 , 并应对光伏并网发电系统所发电能的时变性 , 要求电网内必须具备足够的调峰电源 ,同时也要求人们对传统的电网调峰容量配置理念进行重新审视。2. 3 孤岛系统内的电压和频率安全另一个值得重视的问题是 , 当系统内出现了孤岛效应后 , 在该孤岛内缺少蓄电池的前提下 , 如何确保该孤岛系统内用户的供电电压和频率质量 , 乃至电压和频率稳定性 , 这也是光伏并网发电系统中需要重点解决的技术问题。3 光伏并网发电系统对配电网的影响3. 1 继电保护 [ 6]由于处在电能传输链的最末端 , 配电系统的电压等级通常较低 , 在光伏发电等分布式发电系统投入之前 , 除了局部地区存在一些零星的小水电、 小煤电外 , 配电系统中基本无电源存在。这意味着 , 目前大多为放射型的配电网络中 , 潮流的流动通常是单一的 , 很少会产生转移电流。这就使得配电网中早已大量存在的继电保护装置中的很多继电器不具备方向敏感性。随着光伏发电或其他分布式发电系统的大量投运 , 配电系统中线路上的潮流具有了双向流动的可能性。因为不可能为了新增的光伏发电或其他分布式发电系统而对现有的继电保护体系做大量改动 ,如果光伏并网发电系统不能与原有的继电保护协调配合并相适应 , 当其他并联分支元件发生故障时 , 便可能引起安装有光伏并网发电系统分支上的继电器误动 , 进而造成该无故障分支失去主电源。此外 , 当光伏并网发电系统的功率注入电网时 , 通常会使原来的继电器保护区缩小 , 从而可能影响继电保护装置的正常工作。3. 2 供电可靠性有时 , 光伏并网发电系统还会对电力系统尤其是处在网络最末端的配电系统的运行可靠性产生不利影响。例如 , 当其所处的交流系统停电 , 又恰逢日光照射强度降低 , 则本应在系统最需要的时候提供电能输出的光伏并网发电系统也将无能为力。从这一角度看 , 光伏并网发电系统的存在并不一定就会提高配电系统的供电可靠性。此外 , 不恰当的光伏并网发电系统安装地点、 配置容量和与电网的连接方式 , 也可能导致配电网的可靠性变坏 [ 6] 。例如 , 若其与配电网原有的继电保362009, 33( 4)护配合不好 , 反而可能使继电保护误动作 , 使电网运行可靠性降低。3. 3 配电系统的实时监视 、 控制和调节 [ 6 ]原有的配电网基本是一个无源的放射形电网 ,与高电压等级电网相比 , 其信息采集、 开关操作、 能源调度等相对比较简单 , 其实时监视、 控制和调度通常由供电部门统一执行。而光伏并网发电系统接入后 , 将使该过程趋于复杂化。需要增补哪些信息 , 这些增补的信息是作为监视信息还是作为控制信息 ,由谁来执行等 , 均须依据光伏并网发电系统的并网规程重新予以审定 , 并通过具体的光伏并网发电系统并网协议以及与调度运行部门的妥善协调最终确定。3. 4 电能计量光伏并网发电系统并入配电网前 , 配电网中电能的流向基本是单一方向 , 并入后 , 个别配电网区域内的潮流流向可能是双向的 , 因此需将原有的电能计量模式由单向改为双向计量模式 [ 6] 。另外 , 由于光伏并网发电系统的发电成本仍然较高 , 如何在计量系统中合理地反映电价差别 , 也需重新考虑。3. 5 其他问题当配电网故障时 , 光伏并网发电系统可能采取解列运行方式 , 但解列后重新接入电网的同期过程中 , 应尽量减少对配电网产生的冲击 , 且应采取一定的控制策略和手段给予保证。另外 , 光伏并网发电系统最大发电效率的跟踪技术 [ 10 11] 、 孤岛系统的检测技术 [ 7 9] 等 , 也均会影响 到该类系统 运行的稳 定性 , 并对局部电网内的静态和动态安全特性产生间接影响。4 光伏并网发电系统对电网运行经济性的影响太阳能是取之不尽的清洁能源 , 光伏发电作为常规能源的补充 , 无论是从近期或远期 , 从环境保护或能源战略上来看 , 都具有重大的意义。其对电网运行和人类社会将产生的巨大经济效益具体表现在以下方面 :1) 从太阳能使用的方便性和广泛性来看 , 由于太阳能无处不在 , 因此可在解决特殊应用领域 , 如通信、 信号电源和边远无电地区民用生活用电需求方面 [ 12] 发挥巨大作用 , 由此产生的经济效益也将是巨大的。2) 从环境保护来看 , 由于太阳能的清洁性 , 基本不会对人类的生存环境产生不利影响 , 因而可为人类节约大量的环保开销。3) 从远期看 , 以光伏发电为代表的分布式发电和绿色能源技术 , 由于其具有可再生性和取之不尽的充足性 , 终将成为解决人类能源危机的必然选择。尽管目前光伏发电的发电成本较常规发电高 , 但随着各种技术的不断进步 , 光伏发电终将会以分散式电源进入电力市场 , 并部分取代常规能源。尽管光伏发电可 能为人类带来巨大的经济效益 , 但由于其自身的特点 , 也会对电网的运行效益带来一些负面影响 , 具体表现在以下方面 :1) 光伏并网发电系统的接入可能使配电网中的某些设备闲置或成为备用。例如 , 当光伏并网发电系统运行时 , 与配电系统相连的配电变压器和电缆线路会因负荷小而轻载 , 导致配电系统部分设备成为光伏并网发电系统的备用 , 从而使配电网的运营成本增加 , 供电局的效益下降 [ 6] 。2) 当光伏并网发电系统规模较大后 , 除非是储能技术有了大的突破 , 否则 , 为了应对该类系统发电的波动性 , 电网将不得不为其提供一定的区域性旋转备用机组和无功补偿容量 , 以便能及时调控系统的频率和电压。3) 即使未来光伏并网发电远距离输送电力在经济和技术上都成为可能 , 无论是专门为其架设输电线路还是借道已有的输电线路 , 由于负荷率低下 , 将使这些输电线路的利用效率很低 , 因而显得很不经济 [ 1 2] 。上述分析表明 , 光伏并网发电系统的接入 , 一方面利用了太阳能这一取之不尽的清洁能源 , 但另一方面在某些情况下也将对电网的经济运行产生一定的负面影响。5 光伏并网发电系统对电网调度运行的影响1) 断面交换功率的控制难度加大光伏并网发电系统受光照强度等气候条件影响较大 , 导致其向交流电网输送的功率处于不断的变化中 , 如果某一输电断面的某侧电网内有容量相对较大的光伏并网发电系统存在 , 会导致该输电断面的功率出现波动 , 这将不利于断面两侧系统间交换功率的平稳控制。2) 短期负荷预测更加困难传统的电网发电计划 , 尤其是日发电计划 , 主要依赖于对负荷的准确预测。光伏并网发电系统所发出的电能往往能就地平衡掉当地的某些负荷 , 由于光伏并网发电系统的发电量受气候影响显著 , 使得整个电网的负 荷总量具有了更多的时 变性和随机性 , 从而给电网的发电计划 , 尤其是日发电计划的合37绿色电力自动化 杨卫东 , 等 光伏并网发电系统对电网的影响及相关需求分析理制定 , 带来了较大的难度。3) 对原有调度管理体制的挑战由于光伏并网发电系统的投资人与电网公司可能来自多个不同的经济实体 , 因此常会根据其自身需求随意启动和停运光伏并网发电系统 ; 加之该类系统受气候因素影响较大 , 可能使配电网侧的能量管理面临前所未有的挑战 , 从而加大了电力管理部门调度电力的难度。如果未来有大规模大容量光伏并网发电系统直接接入高压网络 , 也同样会使高压电网的管理面临类似的问题。6 光伏并网发电系统的接入对相关法规 、 标准的影响1) 对电力市场的影响目前国内还未正式出台有关光伏并网发电系统所发电力上网的运行标准 , 今后一旦允许其向配电网送电 , 不但要在现有的电网中增加双向计量表计 ,光伏并网发电系统本身的电价及其高峰和低谷电价如何计算 , 也将成为一个主要问题。此外 , 国内目前尚未开放配电网侧的电力市场 , 而光伏并网发电系统的接入与配电网侧的电力市场密切相关 [ 6] 。2) 对电网法规的改进需求未来的光伏并网发电系统具有分布广泛、 容量大小不均、 发电量随机性强、 投资方可能来自不同利益实体等多种特征 , 除了技术上会给电网的正常运行带来影响外 , 还会涉及到电力系统的管理体制 , 并可能对传统的电网法规提出新的改进需求。例如 ,目前已有的 ! 电网运行准则 ?中就未包括对光伏并网发电系统和其他分布式电源的明确管理说明 ; 再如 ,光伏并网发电系统接入电网后 , 将对电网的运行特性及安全稳定评估需求等产生影响 , 因此也需要对原有的 ! 电力系统安全稳定导则 ?等相关内容进行修订或增补。3) 光伏电站的设计及其接入电网的相关标准目前 , 光伏电站在国内的发展仍处于起步阶段 ,很多技术尚处于发展中 , 有关光伏电站的设计和施工规范以及接入电网的相关标准还不够完善 , 应尽早规范光伏电站的设计和施工 , 尽快出台光伏电站接入电网的相关标准 , 以便为今后光伏电站的设计、施工和接入电网提供依据。7 光伏并网发电系统对电网仿真分析和计算的需求7. 1 对配电网仿真分析和计算软件的新需求配电网仿真分析过程中 , 一般只需关注配电网中的潮流分布和电能质量问题 , 而计及光伏并网发电系统后的配 电网潮流计算过程具有 以下新的特点 :1) 鉴于光伏并网发电系统所发电量与气候强相关 , 为更准确地把握电网的运行特性 , 各地或县调度部门需考虑的典型方式数量可能会显著增加。建议可根据当地的气候条件 , 在不同季节的不同时段 , 根据光伏并网发电系统的装机容量与实际所发电量的统计数据 , 决定所需考虑的系统典型方式数量。2) 潮流计算软件中 , 应有能计及光伏并网发电系统特点的相关模型 , 该模型至少应具有以下功能 :# 能根据日照强度或其他气候条件反映光伏并网发电系统发电量的时变性 ; ? 能按年份反映太阳能电池的效率 ; %能反映光伏并网发电系统逆变器的功率因数。7. 2 对大电网仿真分析和计算软件的新需求对大电网仿真分析和计算软件而言 , 主要须考虑因大量光伏并网发电系统接入对系统频率和电压稳定性产生的影响。受地理、 经济和其他多种条件制约 , 即使未来太阳能功率集中送入高压电网 , 这类光伏发电的容量占大电网中的总发电比例也是有限的 , 其送出交流线路故障时 ( 或该类电 源突然失去时 ) , 通常不会对系统的功角稳定性产生特别不利的影响。当采用机电暂态方法研究相关问题时 , 对光伏并网发电系统的建模 , 建议采用类似于 STA COM和 U PFC 等的建模方法 ; 在某些情形下 , 甚至可近似地将光伏并网发电系统等效为一个负的恒定电流或恒定功率负荷来加以考虑。当采用电磁暂态或机电 电磁混合仿真方法研究相关问题时 , 对光伏并网发电系统的建模 , 建议详细描述光伏并网发电系统的逆变过程 , 并根据所研究问题的需要 , 对有关的外部系统进行相应的简化或等值。7. 3 评估电网内谐波含量对仿真软件的需求当光伏并网发电系统接入电网的比例达到一定水平后 , 无论是在配电网还是在高压电网的仿真分析过程中 , 可能均需要对电网中的谐波含量进行相应评估 , 为此需研发基于电磁暂态模型的相关软件。当所研究的系统规模有限时 ( 通常用于某个局部配电网的研究分析中 ) , 该类软件除应能对光伏并网发电系统的逆变过程进行较详细的建模外 , 还要求其能按光伏并网发电系统逆变器类型计算出谐波成分及谐波含量。当所研究的系统规模较大时 , 为分析光伏并网发电系统接入对系统电能质量产生的影响 , 须注意以下问题 :382009, 33( 4)1) 由于该类系统一般大量存在于配电网中 , 而配电网的电压等级较低 , 规模也十分庞大 , 想要进行完整的电磁暂态建模几乎是不可能的。2) 在研究中 , 除需对高电压等级网络进行简化和等值外 , 所要考察的配电网只能做针对性的保留。3) 必要时 , 可将各配电网中的光伏并网发电系统集中等值为一个大容量光伏并网发电系统 , 接入高压电网的某条母线 , 当然 , 其有效性和可行性须经过充分论证。显然 , 当有大量的光伏并网发电系统接入电网后 , 如何开展有关的电能质量研究 , 也是一个值得深入研究的课题。8 光伏并网发电系统接入后的电网安全稳定运行产生的研究需求大量光伏并网发电系统接入电力系统后 , 从对电网产生影响的角度看 , 主要有以下研究需求 :1) 对局部 电网内频率和电 压稳定性产生 的影响。2) 对系统电 能质量 ( 如谐波和电压质量 ) 的影响。3) 从有利于电网安全运行的角度 , 还需要研究 :# 太阳 能光电 池的 最大功 率转换 追踪控 制技术 ;? 光伏并网发电系统的孤岛效应检测技术 ; %光伏并网发电系统重新恢复供电时的相位同步技术 [ 9] 。为取得良好的研究效果 , 还需对光伏并网发电系统接入电网后的有关新研究方法进行系统、 深入的研究 , 具体包括 :1) 研究光伏并网发电系统各种组件及相应控制保护的数学建模方法 , 建立适合于电网静态和动态分析的光伏并网发电系统模型 , 并在现有的电力系统仿真软件中实现。2) 在电磁暂态研究中 , 恰当地选取待研究系统规模 , 进行系统化简或等值 , 其中包括外部网络和配电网的化简或等值。3) 在包含大规模光伏电站的电力系统中 , 研究如何通过改进对光伏电站的控制来改善电网的运行特性和安全性。4) 研究包含大规模光伏电站的电力系统及小规模配电系统中有关光伏电站的 实用监视和控 制技术。5) 从机电暂态角度 , 研究光伏并网发电系统接入后对电网安全稳定可能造成的不利影响和其他新的技术问题 , 比如研究结果的可信度和准确性等。6) 研究因光伏电站的接入而引起的有关系统运行规则 ( 例如原有的电网安全稳定导则、 电网运行准则等 ) 、 标准等的修订与增补。9 光伏并网发电系统接入后的电网研究试验环境需求为从机理上研究光伏并网发电系统对电网安全稳定、 电能质量和调度运行可能带来的技术问题 , 有必要进行大量的试验研究 , 这便对相应的电网研究试验环境提出了特殊需求。有以下 3 种试验方案 :1) 有必要建立真实的光伏并网发电系统试验基地 , 采用实时数字仿真 ( RTDS) 等实时仿真工具 , 并具有将光伏并网发电系统 接入 RTDS 的各种接口工具。目前 , 许多国家已建立了类似的示范性研究基地 , 但这样做的缺点是需要花费大量的投资 , 且由于光伏并网发电系统占地面积通常很大 , 所能模拟的真实光伏并网发电系统规模将十分有限。因而这样的试验系统也只能模拟个别小型光伏并网发电系统对电力系统产生的影响 , 当要模拟现实中多个光伏并网发电系统对电网的影响时 , 这样的试验系统仍然无能为力。2) 在方案 1 的基础上 , 研究光伏并网发电系统的电磁暂态仿真模型 , 并使其在 RTDS 等实时仿真工具或电磁暂态仿真软件中实现。不过 , 该项功能的实现需得到有关实时仿真工具或电磁暂态仿真软件开发商的技术支持。3) 在方案 1 的基础上 , 研究光伏并网发电系统的电磁暂态仿真模型 , 并使其在国内自主研发的实时仿真工具或电磁暂态仿真软件中实现。以上 3 种试验环境建设方案 , 以方案 1 所需的投资最大 , 需要建设相应的光伏发电试验基地 , 所需工期也较长。方案 2或方案 3 的实现基本上属于软课题研究 , 但也需要投入相当的人力和物力。参 考 文 献[ 1] M EI NH A RDT M , CRAM ER G. 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Its str ucture, principle,main functions and applicat ion to the Sanbanxi Water Conservancy Pr oject are described. T he problems encountered in theprocess of the equipment applicat ion arediscussed in detail. T he measured data indicate that the equipment is of high precision,complete automation and good applicat ion prospects.Key words: surface deflectio n measurement; safety monitor ing; automation(上接第 39 页 )[ 7] M EK HIL EF S, RA BIM N A. Implementatio n of gridconnected photov oltaic system with pow er factor contro land islanding detection/ / Proceedings of 35th A nnualIEEE Power Elecrr onics Specialists Confer ence. A achpn,Germany: 2004[ 8] 张超 , 何湘宁 , 赵德 安 , 等 . 一种 新颖 的光 伏并 网系 统孤岛检测方法 . 电力电子技术 , 2007, 4( 11) : 97 99.[ 9] 殷洪亮 , 吕建 . 浅析 太阳 电池 并网 发电 技术 , 独 立电 源 :电池技术 , 2006( 1) : 57 59.[ 10]王环 , 金新民 . 光 伏并网逆变器最大功率点的跟踪控 制 .电子产 品世界 , 2004, ( 4) : 88 90.[ 11] BRA NDO G, DA N NIER A, RIZZO R. 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