• 电能质量新课题——光伏并网
2013-09-18

        对于电能质量治理领域而言,一个新市场正在兴起,那就是光伏发电市场。它已经替代风电成为迅速成长的新兴市场。

  毫无疑问,我国光伏行业正在经历一场艰难的调整。经济低迷以及多国发起的“双反”调查,让其一直以来赖以生存的原有国际市场岌岌可危;过度扩张、市场萎缩双重作用下爆发的产能过剩也让其产品价格直线下降,经营举步维艰。但也正是如此,才激发了国内光伏市场的快速启动。国家出台了一系列从规范光伏行业发展到鼓励光伏电站建设、并网的的扶持政策,我国国内光伏电站建设市场大幕开启。

  而一旦并网就意味着电站所发电量需要满足电力系统的质量要求,作为一种不稳定的可再生能源,光伏发电为电能质量治理开设了新课题。

  新能源新课题

  光伏发电系统通常分两大类:一是独立光伏发电系统,二是并网光伏发电系统。前者主要用于偏远地区,解决缺电困境;后者可以直接并网,也可以自发自用、余电上网,并且电网为用户提供备用。据悉,全世界的并网光伏发电系统比例已达80%以上,光伏并网无疑是一种未来发展趋势,由此也带来一系列的电能质量问题。

  “光伏发电系统并网所产生的电能质量问题主要包括谐波、电压波动、闪变等,影响有功及无功潮流、频率控制等特性。”西安交通大学教授卓放告诉记者。

  据介绍,由于受天气、环境温度、光伏板安装位置等因素影响,光伏电站的输出功率会有所变化,最大变化率甚至超过额定量的10%,因此产生了发电量的不稳定问题,会对馈入电网的谐波产生影响。

  光伏电站的并网需要应用到逆变器,这一产品的控制技术与光伏发电馈入电网的品质也密切相关。目前,为最大利用逆变器容量和最大发电量,厂家会将并网逆变器的功率因数设定在0.99。但随着光伏电站装机容量的增加,由于光伏发电的功率波动性,逆变器的高功率因数运行对电网的稳定性造成威胁,有功不变时,无功几乎不能调节,需要额外的无功来维持电压。另外,逆变器输出轻载时,谐波会明显变大,在10%额定出力以下时,电流的总谐波畸变率甚至会达到20%以上。

  在有些光伏电站可能会采用多个逆变器控制运行,也可能会遇到多台逆变器之间的孤岛保护问题。当光伏电站容量相对于负载比例小时,电网消失后,电压、频率会快速衰减,孤岛可以被准确检测。但当光伏电站容量加大后,特别是电站所采用并网逆变器由不同厂商生产、属于不同类型时,可能会互相干扰,在出现发电功率与负载基本平衡时,孤岛检测的时间会明显增加,甚至可能出现检测失败。

  大规模光伏电站并网还会对配电网的运行产生影响,如果处理不当会影响到系统的电压形态、网损、短路电流、频率控制等。

  光伏发电功率随日照强度变化对电网负荷特性产生影响,它的接入改变了电网潮流方向,将对现有电网的规划、调度运行方式产生影响。而且光伏发电单位不具有调度自动化功能,加大了电网控制与调度运行的难度。若大量光伏发电系统接入电网终端,将加剧电压波动,可能引起电压/无功调节装置的频繁动作;而若高比例光伏发电系统引入,将使得配电网从传统的单电源辐射状网络变成双端甚至多端网络,从而改变故障电流的大小、持续时间等,影响到系统的保护。

  众所周知,并网光伏系统按照接入的方式和规模又可以分为集中式光伏电站和分布式光伏电站。目前由于各国政策的鼓励,分布式光伏市场份额要远大于集中式,有着广阔的发展前景,我国也不例外,已经出台了相关的并网支持政策。

  与集中式光伏电站并网一样,分布式光伏电站并网同样面临电能质量方面的问题,国内外研究机构为此也都开展了大量研究(见表1)。如河北省电力研究院就开展了分布式光伏电源并网运行对配电网的影响、典型配电网接纳分布式光伏电源能力等研究。

  解决之道

  针对上述问题,卓放也向记者讲述了解决之道。“为适应大规模、高容量光伏发电系统接入电网运行,同时保证电网的安全稳定,有必要研究光伏并网发电的新技术,包括储能技术、谐波抑制、新型并网逆变器等。”他说。

  卓放表示,蓄电池、超级电容器、超导储能装置、压缩空气储能等都适用于光伏发电并网,这种方式在含有高比例光伏发电的电力系统中更有应用前景,目前出口欧洲的光伏装置都规定必须配备储能装置。光伏发电系统通过并网逆变器与储能装置配合,进行能量的释放与储存,可以实现频率/有功的调节,也可以平抑电网功率的波动,限制系统故障电流和平衡负荷的扰动,提高系统的静态和暂态稳定性。

  另外,通过对逆变器的调整能达到谐波抑制的目的,主要方案包括将多台逆变器并联运行的“群控技术”和在逆变器中使用交流滤波器的“综合补偿控制”。

  “由于群控时对各逆变器的直流侧进行并联,提高了直流侧的容量,通过协调控制可以使只有有限台逆变器工作,可使最小数量逆变器工作在较高效率区,从而提高逆变器发电功率、降低谐波含量。”卓放解释说,“而综合补偿控制是在实现有功/无功功率控制的同时,抵消产生的谐波分量。”

  实现光伏并网电能质量治理的另一条路径是直接改变逆变器本身,推出高性能并网逆变器,其可以实现完美无谐波输出效果,具有有功/频率控制、无功/电压控制功能与调度自动化通信能力等。

  实际上,通过不断实践,现在大多数逆变器厂商已经注意到了产品功率因数过高对无功的影响问题,无论是其新推出的产品还是行业新定的标准都希望并网逆变器的功率因数可调,大致在-0.8~0.8,以便在发电量不是很满的情况下,逆变器可以为无功产生做些贡献,维持系统电压稳定。可以说,他们已经向高性能并网逆变器的研制迈近了一步。

  而对于此前提到的孤岛问题,卓放也提出了自己的建议,即同一电站尽量选择同一厂家的逆变器产品,即使不能选择同一家,也要保证不同厂家产品间使用同样的保护规约。

 

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