李碧君，方勇杰，楊衛(wèi)東，徐泰山

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京 210003）

光伏發(fā)電并網(wǎng)大電網(wǎng)面臨的問題與對策

李碧君，方勇杰，楊衛(wèi)東，徐泰山

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京 210003）

0 引言

太陽能發(fā)電是傳統(tǒng)發(fā)電的有益補(bǔ)充，鑒于其對環(huán)保與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性，各發(fā)達(dá)國家無不全力推動太陽能發(fā)電工作，目前中小規(guī)模的太陽能發(fā)電已形成了產(chǎn)業(yè)。太陽能發(fā)電有光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電2種方式，其中光伏發(fā)電具有維護(hù)簡單、功率可大可小等突出優(yōu)點，作為中、小型并網(wǎng)電源得到較廣泛應(yīng)用[1-4]。隨著太陽電池成本的下降和發(fā)電效率的不斷提高，世界光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，截止2007年底，世界太陽電池累計裝機(jī)容量已達(dá)到12300MW[5]。2008年全世界太陽能電池總產(chǎn)量達(dá)6850MW，我國太陽能電池總產(chǎn)量達(dá)1780MW；到2008年年底我國光伏系統(tǒng)的累計裝機(jī)容量達(dá)到140MW[5]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)比離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)投資減少25%[6]。將光伏發(fā)電系統(tǒng)以微網(wǎng)的形式接入到大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，與大電網(wǎng)互為支撐[7]，是提高光伏發(fā)電規(guī)模的重要技術(shù)出路，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行也是今后技術(shù)發(fā)展的主要方向，通過并網(wǎng)能夠擴(kuò)張?zhí)柲苁褂玫姆秶挽`活性。在大量光伏發(fā)電設(shè)備亟待并網(wǎng)運行的今天，除了在經(jīng)濟(jì)政策和法規(guī)方面進(jìn)一步完善外，在技術(shù)層面能否解決好光伏發(fā)電系統(tǒng)接入大電網(wǎng)后2部分都能安全高效運行這一重大問題，也是決定光伏發(fā)電技術(shù)能否大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

盡管很多國家對光伏發(fā)電等分布式發(fā)電供能技術(shù)展開研究，但除了在發(fā)電設(shè)備研發(fā)、制造和設(shè)備自身控制方面具有一些較成熟的技術(shù)外，涉及其并網(wǎng)對大電網(wǎng)的影響，以及并網(wǎng)運行后大電網(wǎng)在系統(tǒng)優(yōu)化、協(xié)調(diào)和控制等諸多領(lǐng)域的研究大多剛剛起步。分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后，對大電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量和運行的經(jīng)濟(jì)性等方面都可能有影響[8]。有關(guān)分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)對大電網(wǎng)的影響及應(yīng)對措施的研究，已取得一定研究成果，目前以風(fēng)電并網(wǎng)問題研究居多[9-12]。光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于分布式發(fā)電系統(tǒng)的一種，一般而言，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)與其他分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)給大電網(wǎng)帶來的問題可能相同；但與其他分布式電源相比較，光伏發(fā)電在時間周期和地理位置、與大電網(wǎng)并網(wǎng)接入的方式有區(qū)別、發(fā)電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)特性等方面有其自身特點，因此，可以借鑒其他分布式電源并網(wǎng)方面的研究成果，但仍然有必要研究光伏發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)并網(wǎng)后大電網(wǎng)可能面臨的問題及對策。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)及并網(wǎng)的特點

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

在光生伏打效應(yīng)的作用下，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢，將光能轉(zhuǎn)換成電能。通常光伏系統(tǒng)由太陽能電池方陣、蓄電池、控制器、直流配電柜、逆變器和交流配電柜等設(shè)備組成，見圖1。其中太陽能電池方陣和逆變器是光伏系統(tǒng)的基本要素。通過太陽能電池組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求。太陽能通過光伏組件轉(zhuǎn)化為直流電力，通過直流監(jiān)測配電箱匯集至逆變器（有蓄電池組時，還經(jīng)充放電控制器同時向蓄電池組充電），將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電力。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

與現(xiàn)有的主要發(fā)電方式相比較，光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點有：工作點變化較快，這是由于光伏發(fā)電系統(tǒng)受光照、溫度等外界環(huán)境因素的影響很大；輸入側(cè)的一次能源功率不能主動在技術(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控，只能被動跟蹤當(dāng)時光照條件下的最大功率點，爭取實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出；光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出為直流電，需要將直流電優(yōu)質(zhì)地逆變?yōu)楣ゎl交流才能帶負(fù)荷。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的基本必要條件是，逆變器輸出之正弦波電流的頻率和相位與電網(wǎng)電壓的頻率和相位相同。光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)有2種形式：集中式并網(wǎng)和分散式并網(wǎng)。

集中式并網(wǎng)：特點是所發(fā)電能被直接輸送到大電網(wǎng)，由大電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電，與大電網(wǎng)之間的電力交換是單向的。逆變器后380V三相交流電，接至升壓變前380V母線，升壓后上網(wǎng)，升壓變比0.4/10.5kV，示意圖如圖2所示。適于大型光伏電站并網(wǎng)，通常離負(fù)荷點比較遠(yuǎn)，荒漠光伏電站采用這種方式并網(wǎng)。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)集中式并網(wǎng)

分散式并網(wǎng)：特點是所發(fā)的電能直接分配到用電負(fù)載上，多余或不足的電力通過聯(lián)接大電網(wǎng)來調(diào)節(jié)，與大電網(wǎng)之間的電力交換可能是雙向的，如圖3所示。適于小規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)，通常城區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用這種方式，特別是與建筑結(jié)合的光伏系統(tǒng)。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)分散式并網(wǎng)

在微網(wǎng)中運行，通過中低壓配電網(wǎng)接入互聯(lián)特/超高壓大電網(wǎng)，是光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的重要特點。

2 光伏發(fā)電并網(wǎng)研究現(xiàn)狀

光伏電池陣列輸出的功率與環(huán)境因素密切相關(guān)，太陽能電池的伏-安特性呈非線性，需要MPPT控制器找到光伏陣列在確定日照和溫度條件下輸出最大功率時對應(yīng)的工作電壓，以適應(yīng)環(huán)境的變化。光伏電池陣列輸出的直流電力通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電力，逆變器的工作點在輸入側(cè)要與光伏電池陣列輸出電壓匹配，在輸出側(cè)要滿足交流并網(wǎng)的條件；逆變器會在交流側(cè)注入高次諧波，要通過優(yōu)化逆變器控制方式和濾波來降低諧波含量；光電能量轉(zhuǎn)換過程中不產(chǎn)生也不消耗無功，在逆變過程需要消耗無功，這是與其他常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的重要區(qū)別之一，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)需要配置無功補(bǔ)償設(shè)備，對并網(wǎng)點的功率因數(shù)進(jìn)行控制。大電網(wǎng)受到的擾動可能影響并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運行，尤其是如果出現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島運行時，必須迅速感知以調(diào)整逆變器的運行狀態(tài)，避免光伏發(fā)電系統(tǒng)受到危害，且為后續(xù)再并網(wǎng)做好準(zhǔn)備。目前光伏發(fā)電并網(wǎng)研究的問題主要是圍繞這些特點展開，包括最大功率點跟蹤 (Maximum Power Point Tracking，MPPT)[13]、逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式[14-17]、濾波（降低諧波含量）、無功補(bǔ)償（功率因數(shù)控制）、孤島檢測[18]等方面及其相互之間的協(xié)調(diào)配合[19-25]，側(cè)重于以逆變器為核心的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計與應(yīng)用研究。

在建模方面，文獻(xiàn)[26]基于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，建立了如圖4的等值電路，并進(jìn)一步提出了光伏陣列的功率模型、并網(wǎng)匯集點的注入功率模型和逆變器的功率平衡模型，對于分析研究并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行方式及其向大電網(wǎng)傳輸功率的大小具有重要作用，文獻(xiàn)[26]是極為少見的從電網(wǎng)分析計算的角度研究光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的文章。文獻(xiàn)[27]建立了包含光伏陣列、具有最大功率跟蹤功能的逆變器、變壓器及控制系統(tǒng)的并網(wǎng)光伏電站整體模型，提出了并網(wǎng)光伏電站等值簡化電路、光伏陣列至逆變器出口側(cè)等效電路、逆變器出口側(cè)至變壓器部分的等效電路和變壓器出口側(cè)至并網(wǎng)點部分的等效電路，用實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真驗證。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)等值電路圖[21]

在分析軟件方面[26]，PV F-CHART是綜合性的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與分析軟件，其中的公共電網(wǎng)接口子系統(tǒng)與并網(wǎng)問題相關(guān)；PV-DesignPro是光伏發(fā)電系統(tǒng)運行的仿真軟件，其中“PV-DesignPro-G”版適于并網(wǎng)系統(tǒng) （grid-connected systems）；PV*SOL是光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計、規(guī)劃和仿真軟件，對與公共電網(wǎng)的關(guān)聯(lián)也有所考慮；PVSYST面向規(guī)劃人員、運行工程師和研究人員，能夠進(jìn)行完整光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究、仿真和數(shù)據(jù)分析，包括與公共電網(wǎng)的互聯(lián),也是教輔工具。除了這些英語版的軟件外，還有德語版的PV Professional和意大利語版的Tetti FV等分析軟件。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)的分析軟件，能夠根據(jù)地理位置和氣息條件仿真一段時間內(nèi)的太陽光照情況，可以用于進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)自身的MPPT、逆變器和濾波器的運行控制和參數(shù)選取有比較周全的考慮，用于電網(wǎng)分析計算則還有很大的欠缺，尤其是難以用于并網(wǎng)后大電網(wǎng)的分析計算。

關(guān)于光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)問題已經(jīng)開展的大量研究，目前主要是針對光伏發(fā)電系統(tǒng)自身，以逆變器及其相關(guān)協(xié)調(diào)配合為核心。而對光伏發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)的相互影響及協(xié)調(diào)配合，特別是大規(guī)模并網(wǎng)后大電網(wǎng)面臨的問題及對策，相應(yīng)的研究成果很少見。

3 大電網(wǎng)面臨的問題

光伏發(fā)電功率輸出受環(huán)境因素影響很大，在微網(wǎng)中運行，通過中低壓配電網(wǎng)接入互聯(lián)特/超高壓大電網(wǎng)，大規(guī)模并網(wǎng)將給整個電網(wǎng)帶來深刻的影響，大電網(wǎng)在研究與實驗驗證手段、對光伏發(fā)電系統(tǒng)影響大電網(wǎng)機(jī)理的認(rèn)識、新型配電系統(tǒng)的規(guī)劃、電網(wǎng)運行控制、電網(wǎng)監(jiān)測保護(hù)與控制裝備、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范等方面面臨新的問題。

1）仿真分析研究與實驗驗證的技術(shù)裝備。仿真是研究電網(wǎng)運行和安全穩(wěn)定與控制的重要技術(shù)手段，光伏發(fā)電系統(tǒng)及并網(wǎng)方式有其自身特點，發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性與傳統(tǒng)發(fā)電模式有較大的區(qū)別，因此，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析工具不能勝任開展光伏發(fā)電系統(tǒng)接入公共電網(wǎng)后大電網(wǎng)的理論研究、規(guī)劃與設(shè)計、運行與控制分析研究工作的需要。鑒于光伏發(fā)電系統(tǒng)通過微網(wǎng)系統(tǒng)接入大電網(wǎng)的復(fù)雜性，為了能夠真實地研究并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對大電網(wǎng)安全穩(wěn)定和電能質(zhì)量可能帶來的各種技術(shù)問題，有必要建立針對光伏發(fā)電系統(tǒng)特點的試驗基地，克服傳統(tǒng)的研究實驗環(huán)境的不足。研究開發(fā)精良的仿真分析研究、實驗與驗證的技術(shù)裝備，無論是對研究光伏發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)相互作用的機(jī)理，還是對研究在它們在各種擾動下的復(fù)雜動態(tài)行為，無論是對研究開發(fā)與檢測其保護(hù)與控制裝備，還是對研究其規(guī)劃與設(shè)計和運行與控制問題，都是不可缺少的。

2）光伏發(fā)電系統(tǒng)影響大電網(wǎng)運行特性的機(jī)理。光伏發(fā)電系統(tǒng)通過微網(wǎng)接入大電網(wǎng)，微網(wǎng)存在多種運行狀態(tài)，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)以分散式并網(wǎng)運行時，功率可以雙向流動；在大電網(wǎng)故障時，通過保護(hù)動作和解列控制，可使微網(wǎng)與大電網(wǎng)解列形成孤島運行，獨立向其所轄重要負(fù)荷供電；在大電網(wǎng)故障消除后，通過并網(wǎng)控制可再次將微網(wǎng)并入大電網(wǎng)，重新進(jìn)入并網(wǎng)運行狀態(tài)[7]。光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性與傳統(tǒng)發(fā)電方式有很大區(qū)別，雖然并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)單個接入點上網(wǎng)功率小，但接入點多且分散，當(dāng)光伏發(fā)電大規(guī)模接入大電網(wǎng)后，與大電網(wǎng)間的相互作用將十分復(fù)雜，對大電網(wǎng)的運行特性產(chǎn)生重要影響，且是常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)沒有的。深入認(rèn)識光伏發(fā)電系統(tǒng)影響大電網(wǎng)運行特性的機(jī)理，揭示出與其直接相連的微網(wǎng)和大電網(wǎng)相互作用的本質(zhì)，發(fā)展相關(guān)理論和方法，是使二者相得益彰的關(guān)鍵。

3）新型配電系統(tǒng)的規(guī)劃。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)以微網(wǎng)形式接入配電系統(tǒng)后，配電系統(tǒng)將由原來單一電能分配的角色轉(zhuǎn)變?yōu)榧娔苁占?、電能傳輸和電能分配于一體的新型電力交換系統(tǒng)[7]。光伏發(fā)電系統(tǒng)可能給配網(wǎng)帶來電能質(zhì)量問題，如諧波污染、電壓波動及閃變，需要在規(guī)劃階段就予以考慮。因此，對配電網(wǎng)的規(guī)劃提出了新的要求。

合理規(guī)劃與設(shè)計的光伏發(fā)電等新能源分布式供能系統(tǒng)能有效提高可再生能源利用的效率，提高電力系統(tǒng)運行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和對重要負(fù)荷供電的可靠性。反之，不僅不能充分發(fā)揮分布式供能系統(tǒng)的正面作用，還可能對配電系統(tǒng)的運行產(chǎn)生負(fù)面影響[7]。微網(wǎng)設(shè)備建設(shè)和設(shè)備運行的不確定性問題將更加突出，必須在傳統(tǒng)規(guī)劃的思路與方法上有所創(chuàng)新。光伏發(fā)電等分布式發(fā)電的接入對配電網(wǎng)的供電經(jīng)濟(jì)性和母線電壓、潮流、短路電流、網(wǎng)絡(luò)供電可靠性等都會帶來影響，由此也對規(guī)劃設(shè)計提出了新的要求。

4）電網(wǎng)運行控制。由于太陽能發(fā)電的不確定性，使大電網(wǎng)短期負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確性降低，增加了傳統(tǒng)發(fā)電和運行計劃的難度，斷面交換功率的控制難度加大。光伏發(fā)電系統(tǒng)接入公共電網(wǎng)，使大電網(wǎng)中電源點增加了很多，電源點分散，單點規(guī)模小，顯著增加了電源協(xié)調(diào)控制的困難，常規(guī)的無功調(diào)度及電壓控制策略難以適應(yīng)，將可能在電網(wǎng)調(diào)峰、安全備用、電壓穩(wěn)定和頻率安全穩(wěn)定等方面帶來一定影響，增加了大電網(wǎng)運行控制的難度。因此，光伏發(fā)電大規(guī)模接入公共電網(wǎng)后，原有常規(guī)電源對大電網(wǎng)運行的調(diào)整與控制能力被削弱，給大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行控制帶來新問題。

光伏發(fā)電設(shè)備種類繁多、運行模式多樣、可控程度不同，電源的協(xié)調(diào)控制問題非常復(fù)雜。隨著太陽能發(fā)電規(guī)模的提高，逆變器可能產(chǎn)生的諧波也會使配電系統(tǒng)的諧波水平上升。光伏發(fā)電系統(tǒng)可能引起鐵磁諧振。由此，配電系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)運行面臨新的挑戰(zhàn)。

5）電網(wǎng)監(jiān)測、保護(hù)與控制裝備。發(fā)電系統(tǒng)的運行工況是電網(wǎng)調(diào)度運行最為關(guān)注的信息，光伏發(fā)電系統(tǒng)通過中低壓配網(wǎng)接入大電網(wǎng)，使大電網(wǎng)運行實時監(jiān)測的范圍需要有很大延伸；光伏發(fā)電作為新的發(fā)電模式，實時監(jiān)測的信息類型與傳統(tǒng)發(fā)電模式有所區(qū)別。因此，對電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備有新的要求。

類型的多樣化和電力電子裝置的應(yīng)用使得接入光伏發(fā)電設(shè)備的微網(wǎng)與常規(guī)配電系統(tǒng)或輸電系統(tǒng)都有根本性的差異；同時，微網(wǎng)的并網(wǎng)運行和獨立運行兩種模式間常常需要切換，因而帶來了一系列復(fù)雜的保護(hù)與控制問題，必須對傳統(tǒng)的保護(hù)與控制方法進(jìn)行較大調(diào)整才能滿足要求。

6）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。目前，由于包括光伏發(fā)電在內(nèi)的太陽能發(fā)電在我國的發(fā)展仍處于起步階段，很多技術(shù)尚處于發(fā)展中，有關(guān)其設(shè)計、與公共電網(wǎng)接入的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，都遠(yuǎn)未成熟且十分缺乏。特別是，目前的技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)主要是針對并網(wǎng)發(fā)電設(shè)備（系統(tǒng)），而對大電網(wǎng)為了大規(guī)模接入光伏發(fā)電應(yīng)具備的技術(shù)條件沒有規(guī)范與約束。為了使太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展，充分發(fā)揮太陽能發(fā)電的優(yōu)勢，盡量減少其接入對公共電網(wǎng)造成的負(fù)面影響，應(yīng)盡快開展健全太陽能發(fā)電接入公共電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的工作。

4 對策

隨著并網(wǎng)光伏發(fā)電規(guī)模的不斷增大，對大電網(wǎng)的影響也越來越明顯，除了在經(jīng)濟(jì)政策和法規(guī)方面外，也需要在技術(shù)層面積極應(yīng)對光伏發(fā)電并網(wǎng)給大電網(wǎng)帶來的新問題。

4.1 構(gòu)建光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究實驗與驗證環(huán)境

1）光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模研究、仿真對比與驗證環(huán)境?；诘湫偷膶嶋H光伏發(fā)電系統(tǒng)，研究分析光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性，在電力系統(tǒng)分析軟件中建立光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)模型，并與實際光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制器的靜態(tài)特性和動態(tài)性進(jìn)行比較，從而構(gòu)建完善的光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的模型，使電力系統(tǒng)仿真分析軟件具備包含光伏發(fā)電系統(tǒng)的大電網(wǎng)分析計算的能力，為進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)相互影響的測試與驗證打下良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

2）光伏發(fā)電系統(tǒng)對大電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響的仿真實驗環(huán)境。在進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)建模研究的基礎(chǔ)上，建立光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的典型案例，包括典型光伏發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)典型運行方式、典型并網(wǎng)方式、典型故障場景、典型控制措施等，然后對案例進(jìn)行仿真計算，通過對這些典型案例的不斷積累，建立光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的典型案例數(shù)據(jù)庫，從而為仿真分析研究光伏發(fā)電系統(tǒng)對大電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響提供良好的實驗環(huán)境。

3）光伏發(fā)電系統(tǒng)對大電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響的閉環(huán)實驗環(huán)境。建立真實的光伏發(fā)電系統(tǒng)試驗基地，在其中輔之以RTDS等實時仿真工具，并研究開發(fā)將光伏發(fā)電系統(tǒng)接入RTDS的各種接口工具，構(gòu)成光伏發(fā)電系統(tǒng)對大電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響的閉環(huán)實驗環(huán)境。設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型運行方式、并網(wǎng)方式和典型故障場景，仿真大電網(wǎng)的動態(tài)特性，測試與驗證光伏發(fā)電系統(tǒng)及控制設(shè)備對大電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響。

4）大電網(wǎng)擾動對光伏發(fā)電影響的實驗環(huán)境。建立光伏發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)仿真分析軟件的數(shù)據(jù)接口，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的型運行方式和并網(wǎng)方式的基礎(chǔ)上，在大電網(wǎng)中設(shè)置典型擾動，觀察與分析研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行特性，從而為研究大電網(wǎng)擾動對光伏發(fā)電影響提供平臺。

4.2 深入研究光伏發(fā)電系統(tǒng)及微網(wǎng)與大電網(wǎng)相互作用的機(jī)理

當(dāng)大量光伏發(fā)電以微網(wǎng)形式接入大電網(wǎng)后，微網(wǎng)與大電網(wǎng)間的相互作用將十分復(fù)雜，對大電網(wǎng)的運行特性產(chǎn)生重要影響，而對于這種影響的分析則需要以全新方法為基礎(chǔ)。配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題完全是由于微網(wǎng)的存在而提出的，其分析方法可能與高壓電力系統(tǒng)截然不同。研究目的是要揭示出微網(wǎng)與大電網(wǎng)相互作用的本質(zhì)，發(fā)展相關(guān)理論和方法，為含微網(wǎng)配電系統(tǒng)的穩(wěn)定分析與控制奠定理論基礎(chǔ)[7]。

4.3 研究與應(yīng)用新型配電系統(tǒng)的規(guī)劃理論與方法

在含分布式電源配電網(wǎng)規(guī)劃理論與方法研究成果[7,8,28]和微網(wǎng)研究成果的基礎(chǔ)上，考慮光伏發(fā)電及并網(wǎng)的特點，研究新型配電系統(tǒng)的規(guī)劃理論與方法。需要研究光伏發(fā)電電源的優(yōu)化配置，包括選址和容量，研究光伏發(fā)電輸出控制方式、接入位置和并網(wǎng)方式，研究其對電網(wǎng)諧波和電壓波動與閃變的影響等。在規(guī)劃中，優(yōu)先考慮光伏發(fā)電等可再生能源作為電源的合理性，充分光伏發(fā)電對可靠性的影響，對采用傳統(tǒng)的電網(wǎng)升級與分布式電源供電的多種電網(wǎng)擴(kuò)充策略之間的優(yōu)劣進(jìn)行比較，從規(guī)劃層面保證配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保性和電能質(zhì)量的綜合優(yōu)化。

4.4 研究與開發(fā)含光伏發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)運行控制理論與技術(shù)

1）經(jīng)濟(jì)運行理論與能量優(yōu)化管理方法。研究光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后的能量優(yōu)化管理方法，有助于提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性，為能源的高效利用創(chuàng)造條件。結(jié)合光伏發(fā)電的特點，研究微網(wǎng)運行的安全經(jīng)濟(jì)調(diào)度及優(yōu)化控制的理論與方法，最大限度地利用可再生能源，協(xié)調(diào)其他形式能量的合理分配，降低配電系統(tǒng)中的配電變壓器損耗和饋線損耗，保證整個系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性。

研究光伏發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)后，對電網(wǎng)調(diào)峰和備用配置的技術(shù)要求。

2）含光伏發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)分析與運行控制技術(shù)。電力系統(tǒng)分析離不開潮流計算和動態(tài)仿真，建立恰當(dāng)?shù)哪Ｐ褪谦@得有效結(jié)果的保證。分析光伏電池等各種分布式電源的特性，建立相應(yīng)的動態(tài)模型，并計及不同運行情況下的不確定性。隨著光伏發(fā)電的廣泛應(yīng)用，光伏發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)可能帶來大系統(tǒng)電網(wǎng)功角、電壓、頻率穩(wěn)定問題，研究典型光伏發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)典型運行方式、典型并網(wǎng)方式、典型故障場景、典型控制條件、換流器的電壓頻率可控能力、接入功率對大系統(tǒng)的靜態(tài)、暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定影響及其控制方法和控制策略，研究無功調(diào)度和電壓控制的新策略。研究提高預(yù)測光伏發(fā)電功率準(zhǔn)確性的方法，為在不確定性因素較多的情況下制定切實可行的發(fā)電和運行計劃提供保障。

3）分析光伏發(fā)電系統(tǒng)對配網(wǎng)運行的影響。研究光伏發(fā)電系統(tǒng)運行方式對配網(wǎng)潮流分布和運行控制的影響，研究配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問題和運行管理問題，研究逆變器的運行特性對電能質(zhì)量的影響，研究光伏發(fā)電系統(tǒng)對供電可靠性的影響。

4）大電網(wǎng)擾動對光伏發(fā)電系統(tǒng)影響的研究。大電網(wǎng)擾動可能引起光伏發(fā)電系統(tǒng)不能正常運行，反過來會加劇大電網(wǎng)受到的沖擊。在光伏發(fā)電系統(tǒng)的型運行方式和并網(wǎng)方式的基礎(chǔ)上，在大電網(wǎng)中設(shè)置典型擾動，觀察與分析光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行特性。研究當(dāng)大電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生擾動導(dǎo)致逆變器的交流母線電壓降低時，逆變器將無法完成正常換相的條件和判斷方法。

4.5 研究開發(fā)支撐光伏發(fā)電接入公共電網(wǎng)運行的監(jiān)測、保護(hù)與控制裝備

1）含光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電系統(tǒng)的保護(hù)原理與技術(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)通過微網(wǎng)的接入，徹底改變了配電系統(tǒng)故障的特征，使故障后電氣量的變化變得十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的保護(hù)原理和故障檢測方法將受到巨大影響，甚至無法滿足要求，需要探討新的保護(hù)方法和保護(hù)技術(shù)[7]。

2）孤島檢測及緊急控制與繼電保護(hù)。并網(wǎng)運行的分布式電源在發(fā)生大電網(wǎng)故障等情況時，與大電網(wǎng)斷開并繼續(xù)向本地負(fù)荷供電、獨立運行的情況稱為孤島運行。出于用電安全和用電質(zhì)量的考慮，須迅速檢測出孤島，對分離系統(tǒng)部分和孤島采取相應(yīng)的調(diào)控措施，至系統(tǒng)故障消除后再恢復(fù)并網(wǎng)運行[25]。研究光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測方法，研究緊急狀態(tài)下負(fù)荷切除和孤島劃分的優(yōu)化選擇技術(shù)，研究孤島運行和聯(lián)網(wǎng)運行的無縫切換控制技術(shù)。研究光伏發(fā)電對配電網(wǎng)中短路電流大小、流向及分布的影響，以及含光伏電源的配電網(wǎng)保護(hù)與控制技術(shù)，以保證故障的快速、可靠切除和及時智能地恢復(fù)供電。

3）含光伏發(fā)電的配電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析與控制。光伏發(fā)電存在較大的不確定性，功率輸出的波動，都可能給所接入系統(tǒng)的用戶帶來電能質(zhì)量問題。逆變器可能產(chǎn)生的諧波也會使配電系統(tǒng)的諧波水平上升。光伏發(fā)電可能以單相電源的形式并網(wǎng)，也增加了配電系統(tǒng)的三相不平衡水平。因此需要研究含光伏發(fā)電的配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量相關(guān)的獨特問題及其電能質(zhì)量綜合監(jiān)控技術(shù)。

4）配電系統(tǒng)的實時監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)。原有配電系統(tǒng)的實時監(jiān)視、控制和調(diào)度是由供電部門統(tǒng)一執(zhí)行的，由于原配電網(wǎng)是一個無源的放射形電網(wǎng)，信息的采集、開關(guān)的操作、能源的調(diào)度等相應(yīng)比較簡單。光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入使此過程趨于復(fù)雜化，電網(wǎng)運行需要監(jiān)測的信息類型和范圍增加，需要協(xié)調(diào)控制的對象增加。

5）計量設(shè)備。光伏發(fā)電系統(tǒng)等分布式電源并入配電網(wǎng)以前，配電網(wǎng)基本呈放射狀，且末端無電源，電能的流向基本是單一方向；分布式發(fā)電系統(tǒng)并入配電網(wǎng)后，個別配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的潮流流向則可能是雙向的，因此需要將原有的電能計量模式由單向改為雙向計量模式。

另外，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本仍然相對較高，如何在計量系統(tǒng)中合理地反映電價差別，也是個必需要研究的問題。

4.6 健全光伏發(fā)電接入公共電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

研究并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)和控制特性及承受大電網(wǎng)擾動能力的技術(shù)要求與標(biāo)準(zhǔn)，研究光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的規(guī)模、接入電壓等級、無功配置和電能質(zhì)量等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，研究大電網(wǎng)接納光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)具備的條件等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。健全光伏發(fā)電接入公共電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，將有利于引導(dǎo)與規(guī)范光伏發(fā)電等新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)有序接入大電網(wǎng)，確保這些新型發(fā)電系統(tǒng)及其控制設(shè)備不會對大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成危害。

5 結(jié)語

節(jié)能與環(huán)保是推動光伏發(fā)電發(fā)展的強(qiáng)勁動力，隨著光伏發(fā)電技術(shù)的成熟和發(fā)電成本的不斷下降，除了在經(jīng)濟(jì)政策和法規(guī)方面外，在技術(shù)層面妥善解決光伏發(fā)電系統(tǒng)接入大電網(wǎng)后兩部分都能安全、高效運行這一重大問題，成為決定光伏發(fā)電技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比較，光伏發(fā)電及其并網(wǎng)具有鮮明的特點，由此給大電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運行、優(yōu)化控制和電能質(zhì)量保證等方面帶來了新的問題，還缺乏相應(yīng)的研究與實驗驗證手段，對光伏發(fā)電系統(tǒng)影響大電網(wǎng)的機(jī)理的認(rèn)識還有待深入，需要完善含光伏發(fā)電等新能源的新型配電系統(tǒng)規(guī)劃的理論與方法，目前的電網(wǎng)運行控制理論與技術(shù)還不能完全適應(yīng)光伏發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)后的新要求，支撐光伏發(fā)電接入公共電網(wǎng)運行的監(jiān)測、保護(hù)與控制、計量裝備亟待開發(fā)，迫切需要健全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。本文倡議各界加大支持光伏發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)相關(guān)問題研究的力度，為主動探尋可能存在的問題并積極研究對策創(chuàng)造有利條件，從而引導(dǎo)與規(guī)范其有序發(fā)展，充分發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢，避免對大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成危害，實現(xiàn)大電網(wǎng)與光伏發(fā)電等分布式可再生能源發(fā)電的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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Problems and Countermeasures for Large Power Grids in Connection with Photovoltaic Power

LI Bi-jun,FANG Yong-jie,YANG Wei-dong,XU Tai-shan
（State Grid Electric Power Reasearch Institute,Nanjing 210003,Jiangsu Province,China）

It is one ofthe keyfor photovoltaic power generation systemslarge-scaleapplication in industry to properlydeall argegrid connection with photocoltaic power to make the two parts safe and efficient operation.This paper presents special characteristics ofPV anditsinterconnectionwiththelargepowersystem,andreviewsthe status of the grid-connected PV.This paper concludes that the large-scaled photovoltaic power generation and its interconnection with power grids might give rise to many problems in terms of the research and testingmeans for the large grid,understandingofthe impact mechanism of the PV generation on large power grids,planning of the new distribution system,operation and control,monitoring and protection systemand controle quipment of the grid,technicals tandards and codes and etc. Corresponding countermeasures for these problems are proposed in the paper.

photovoltaic;large power system;wind power connected with grid;security and stability;distributed generation;micro-grid;renewableenergyresources

妥善解決光伏發(fā)電系統(tǒng)接入大電網(wǎng)后2部分都能安全、高效運行是光伏發(fā)電技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵之一。分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)及其并網(wǎng)的技術(shù)特點，簡要闡述了光伏發(fā)電并網(wǎng)問題的研究現(xiàn)狀。指出光伏發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)使大電網(wǎng)在研究與實驗驗證手段、對光伏發(fā)電系統(tǒng)影響大電網(wǎng)機(jī)理的認(rèn)識、新型配電系統(tǒng)的規(guī)劃、電網(wǎng)運行控制、電網(wǎng)監(jiān)測保護(hù)與控制裝備、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范等方面面臨新的問題，并提出了應(yīng)對這些問題的策略。

光伏發(fā)電；大電網(wǎng)；風(fēng)電并網(wǎng)；安全穩(wěn)定；分布式發(fā)電；微網(wǎng)；可再生能源

1674-3814（2010）04-0052-008

TM615

A

上海世博會世博軸“陽光谷”。上海世博園集成了大跨度索膜結(jié)構(gòu)、“陽光谷”自然采光、雨水收集與回用、江水源和地源熱泵調(diào)控室溫以及冰蓄冷空調(diào)、光伏發(fā)電與建筑一體化、透水地面、垃圾氣力輸送、半導(dǎo)體照明、垂直生態(tài)綠化幕墻、節(jié)能電梯等一大批創(chuàng)新科技。（新華社記者 任瓏 攝）

神華集團(tuán)投資建設(shè)的內(nèi)蒙古錫林郭勒盟灰騰梁風(fēng)電場一景。（新華社記者 張領(lǐng) 攝）

2009-07-15。

李碧君(1966—)，男，博士，研究員級高工，主要研究方向為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制。

（編輯 徐花榮）