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摘要：为解决大规模光伏电站接入电力系统后可能对电力系统造成的不利影响，文章在介绍大规模光伏电站接入电力系统后可能带来的不利影响基础上（包括有功频率特性、无功电压特性、功角稳定性、小扰动稳定性、电能质量、配电系统保护），提出相应的解决措施，如新型输电技术、光伏电站规划设计技术、综合规划技术、源网协调技术、精细化光伏预测技术、有功无功控制技术等，以期为相关人员提供参考。

关键词：大规模光伏发电；光伏并网；电力系统

光伏发电是当前常见的新能源形式，它与电力系统的连接，尤其是大规模的光伏发电和电力系统的连接，势必会对电力系统造成很大冲击与影响，导致电力系统运行或电能质量等受到不同程度的干扰。因此，一方面要明确大规模光伏接入电力系统后可能造成的影响，另一方面则是要采取有效措施尽可能减小不利影响，使大规模光伏和电力系统之间良好融合。

1大规模光伏发电对电力系统的影响

1.1有功频率特性

光伏发电特点包括：1）输出功率的随机性；无需配置旋转元件，采用换流器直接实现并网；3）低电压穿越时动态特性不同；4）无法有效抵抗扰动与过负荷，容易造成脱网；5）在逆变器作用下实现并网，可以在进行四象限控制的基础上提供解耦控制功能，光伏发电系统基本结构如图1所示。上述各项特性使得电力系统在有光伏系统接入以后发生稳态或者是暂态的变化，影响系统运行与规划。光伏的随机波动性影响有功平衡，挑战调频和经济调度，增加频率质量风险。光伏接入改变系统备用策略，需要通过适当调整和常规机组之间达到良好协调。此外，光伏的非旋转特性随接入规模增大，使等效转动惯量大幅减小，虚弱了抵抗功率波动等现象的能力，最终在极端状况下使频率大幅降低，触发安全控制和保护措施的严重问题。

1.2无功电压特性

光伏系统在荒漠或戈壁等负荷低地区接入，当地电网短路容量小。大量光伏电力需远距离输送，其随机波动可能影响电网无功平衡，导致母线电压波动。此外，光伏电源自身无功电压无法提供足够的支撑能力，使电压质量出现失稳的问题。若采用分散方式与配电网相接，则会使原来的电网结构发生很大变化，形成多电源情况，使潮流控制复杂化，影响配电网电压质量，其影响程度与光伏接入位置、规模和出力密切相关。

1.3功角稳定性

光伏电源不直接影响功角稳定，但在接入规模相对较大的情况下会使电网自身潮流分布以及传输功率都出现很大变化，降低系统等效惯量。另外，光伏系统自身动态支撑性能不同于其它机组，影响电网功角稳定性，具体影响取决于电网结构、运行方式、光伏控制技术、并网位置和规模。光伏并网可能改善也可能恶化稳定性，需通过仿真分析确定。大规模光伏脱网风险增加，需评估其对系统稳定性的影响。青海光伏基地的接入降低了通道传输极限，但通过电源切除和动态无功补偿可提高安全性。光伏出力波动和逆变器控制策略改变系统阻尼，影响机电振荡模式，新频段的振荡可能出现。影响取决于接入位置、穿透率等因素。主动孤岛检测对系统振荡不利，而分散接入和逆变器的灵活控制可增强系统阻尼。利用光伏发电的独立控制能力，设计有功、无功附加控制策略，可抑制电网功率振荡。

1.4小扰动稳定性

光伏电池在并网后可能影响电网稳定性，尤其在大规模并网情况下。研究发现，当光伏系统在接近最大功率输出时，其运行点可能变得不稳定。通过小扰动法分析，这种不稳定性主要出现在高功率输出水平。在故障状态下，光伏电站能起到吸收不平衡功率的作用，但由于电容储能有限，会导致直流侧电压快速上升，对电源运行可靠性造成不利影响。为解决这一问题，可建立包含光伏电池与逆变器在内的模型，然后借助特征值法对系统受到小干扰之后表现出的稳定性进行分析，最后采用仿真方法验证系统是否稳定。

1.5电能质量

随着大量光伏和非线性负载接入，可能影响到电力系统的电能质量。由于逆变器开关存在一定程度的延缓，所以会出现谐波，太阳光变化、功率波动加剧时谐波增大，而采用集中并网的方法时会使电流谐波进一步增加。根据相关研究成果，即便单个逆变器并不会产生太大的谐波，多台并联后也可能超标。此外，电网阻抗耦合效应降低控制稳定性，引发电流谐波和系统不稳定。长距离接入弱电网可能引发谐振放大次谐波。直流注入也是问题之一，其原因复杂。光伏出力的波动还可能导致电压闪变、电压偏差和频率问题。为解决这些问题，提出了以下策略：1）使用补偿器或滤波器进行谐波抑制；2）通过安装隔离变压器改善直流注入；3）对逆变器进行设计优化；4）引入电容隔直；5）采取检测补偿的方法；6）引入虚拟电容。

1.6配电系统保护

光伏接入后，配网结构从单源结构改变成多源，无论是故障电流大小还是方向或持续时间都会发生一定程度的变化，可能导致保护装置误动或拒动。变压器连接方式改变，由于逆变器的存在会出现额外回路，对零序电流以及发生单相接地故障后产生的对地电压造成影响，改变保护特性。光伏变换器的敏感性增加，需要额外的保护措施，包括低电压穿越、谐波、直流分量和三相不平衡保护。如果PV系统具有的反孤岛保护功能无法和自动重合闸之间达到协调，则会产生非同期合闸。此外，高密度分布式光伏系统并网会使潮流变化以及电压波动现象大幅加剧。若小负荷馈线短路，可能造成熔断器选择性丧失，严重时将使短路功率大于断路器自身遮断容量。

2大规模光伏发电对电力系统影响的解决

2.1新型输电技术

为增强长通道外送光伏电源的可控性，通过配置一系列FACTS装置，优化交流输电技术，从而提高对具有间歇性质的各类新能源的适应能力。由于特高压直流输电具有良好的经济性与直通性，所以在我国广泛推广，为新能源的开发、外送和消纳提供新途径。在我国北方地区可考虑引入新颖的直流输电方法建立以可再生能源为核心的电网，以此对包含光伏与风电等在内的资源进行整合，再通过地域互补使由于新能源接入产生的功率波动进行平衡。半波长输电和分频输电被看好在超远距离大容量输送的应用。然而，对于VSC直流输电，由于受到各方面因素的影响和限制，在长距离和大容量方面还无法取代传统方式，而对光伏并网而言却可以起到良好的补偿作用。

2.2光伏电站规划设计技术

对光伏电站进行规划设计时需要完成很多内容，如确定具体安装地点、容量、投资时间、各功能模块的数量、安装倾角、最优组合、连接方式、穿透功率、置信容量以及经济性评价。直观类方法基于月平均最低光照能量计算，优化方法考虑随机性，拟合可靠性与规划容量的关系，建立经济模型优化求解。对于大型光伏电站，其系统接线结构包含多种类型，如集中式、组串式和微逆变器式。规划设计应满足安全、可靠、高效和经济原则。如果穿透功率相对较高，则会使馈线逆向潮流或引起电压方面的问题。采用可靠性评估的方法能对光伏发电具有的贡献值进行综合衡量，置信容量量化容量价值。可靠性分析有解析法和模拟法。元件故障率影响可靠性，TCT和BL结构提升有效工作时间。置信容量反映容量价值，但衡量标准不统一。经济性指标有最小能耗、净现值等，净现值常用。成本/效益评价比较光伏发电与常规发电，通过构建包含多个参数的整体分析模型明确建设是否可行，无论是贴现率还是光电池的效率都会对回收率造成很大影响。

2.3综合规划技术

光伏电站整体布局可能影响到电网未来规划。初期，小规模光伏以超高压或者是高压的方式与省内电网相接，需加强省内电网建设。伴随规模进一步扩大，应与区域电网相接，需同时加强省内和区域间互联。进一步增大时，需规划跨区特高压直流通道，实现跨区外送，并考虑与其他电源的配合。对于分散式并网，需调整配电网设计，规划智能配电网并与配电网协调。城市光伏增加，城市电网规划需预留更多空间。科学配置各种电源的容量、布点及负荷需求侧管理，以发挥大规模光伏接入的综合效益，是当前光伏开发的关键环节。

2.4源网协调技术

随着光伏渗透率提高，逆变器自身动态性能直接影响到电网自身安全。基于源网协调技术，出现了很多新概念，如虚拟同步机与友好型电源，同时对相应的关键技术实施了针对性攻关，取得阶段性成果。低电压穿越技术的引入能有效保证光伏接入安全，涉及低电压检测、电流控制和故障后功率恢复等控制技术，是研究热点。国标对光伏并网提出有功无功、低电压穿越、电能质量等要求，技术研究随即成为今后的一个重要方向。新能源和传统电源相结合是现阶段开发新能源的一个重要模式，但两者间的电气距离和耦合效应可能影响电网安全。为解决风光电源与常规电源的差异，探索“等效电源”或利用储能技术解决功率波动方面的问题，这是保证并网后电站可以平稳运行的有效技术手段。

2.5精细化光伏预测技术

对光伏电站的功率精细化预测和调度是保障电网稳定运行的关键。国外研究主要分为两种：基于太阳能资源预测和利用天气预报直接预测。德国提出一种以卫星云图为基础对太阳辐照度进行预测的方法，预测误差为36%，整合所有电站后误差降至13%。日本则利用神经网络预测，平均绝对误差约22%。国内主要方法分为统计方法（如BP神经网络、支持向量机，预测误差9%～25%）和物理方法（预测误差10%～30%）。

2.6有功无功控制技术

在光伏电站成功并网以后，增加了电网控制的复杂性，需要提出全新控制系统。该系统应考虑光伏电站的现状，以适应大规模接入。同时，需要通过不断研究提出新的通信机制，并开发能对性能进行综合评估的方法，进而使信号的采集和控制实现有效集成，此外还能提供纵向控制功能。应将光伏发电纳入AGC和AVC系统，实现对光伏电站的有功、无功闭环控制，以改善频率、电压质量和经济性。实时信息交换是关键。在无功控制中，光伏逆变器采用解耦控制，结合无功补偿，使光伏发电同时提供有功和无功。此外，研究重点还包括对无功和谐波进行统一控制。对于有功功率控制，可采用储能或与最大功率点相偏离等方式进行控制。采用附加控制的方法能提高系统运行稳定性，防止产生明显功率振荡。提出的有功控制系统架构和设计能实现调度主站的有功闭环控制。通过光伏逆变器的附加控制，可提高光伏电站的有功和无功调节能力，从而改善电网供电质量。引入储能系统可优化光伏发电的功率输出，实现削峰填谷功能。

3大规模光伏发电未来研究重点与趋势

研究不同的新型输电技术具有的经济性与可以创造的经济效益。探讨优化新型输电技术的规划策略，以适应大规模光伏。对输电系统自身网架与电源结构以及相应布局优化进行研究，建立动态光伏容量评价体系。研究智能配电网的规划技术，包括结构优化、设计和控制策略。研究光伏电站并网后可保证电能质量的有效方式，包括分散式光伏并网。研究不同时间尺度条件下有功频率控制方法，以及分层分区的自动电压控制技术。设计大规模光伏的控制框架，评估其接入安全性。

4结语

综上所述，大规模光伏电站在电力系统中的引入势必对电力系统造成一系列影响，对此以上在明确这种影响的基础上提出了相应的解决措施，旨在为今后大规模光伏电站更好的接入到电力系统中提供可靠技术参考和依据，充分发挥光伏电站自身功能与优势。

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作者简介：王代勇（1983.6）男，汉族，湖南娄底，本科，工程师，主要从事电力设计方向工作