王 歡
（國網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司，湖北 武漢 430050）
0 引 言
大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)是指將大量光伏電池組成的光伏電站接入電力系統(tǒng)，利用光能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行發(fā)電的系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要借助半導(dǎo)體界面的光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。通過對(duì)光伏電池進(jìn)行串聯(lián)管理、施加隔離保護(hù)、安裝電流傳感器，能夠?qū)⒐夥l(fā)電系統(tǒng)吸收的太陽能順利轉(zhuǎn)化為電能。大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)具有清潔、環(huán)保、資源豐富、分布廣泛等特點(diǎn)，可以有效減少對(duì)化石能源的依賴，緩解能源緊張壓力，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。通過采用大規(guī)模光伏發(fā)電，不斷提升對(duì)光伏發(fā)電調(diào)度管理和安全設(shè)計(jì)的控制力度，充分發(fā)揮光伏發(fā)電的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。隨著光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步和推廣應(yīng)用，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)將逐步成為未來能源發(fā)展的主要方向之一。
1 大規(guī)模光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響
1.1 質(zhì)量影響
由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率隨著太陽輻射強(qiáng)度的變化而波動(dòng)，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。特別是在光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入容量較大時(shí)，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)會(huì)反過來影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出，從而影響系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)后，其瞬時(shí)功率響應(yīng)也會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響[1]。瞬時(shí)功率響應(yīng)不足會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的設(shè)備熔斷或停機(jī)，而瞬時(shí)功率響應(yīng)過大則會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。并且光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流具有諧波等非線性特性，因此其接入電力系統(tǒng)后會(huì)對(duì)電力質(zhì)量產(chǎn)生影響，如引起諧波污染、電磁干擾等。
雖然光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)可以加快電力系統(tǒng)的輸電速度，但在并網(wǎng)過程中可能會(huì)產(chǎn)生諧波電流，導(dǎo)致電流波形穩(wěn)定性不足。由于諧振效應(yīng)，電容器容易出現(xiàn)深度諧波失真問題。接入分布式光伏電源后，電力系統(tǒng)中的諧波成分會(huì)增加，諧波污染也會(huì)增加，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定影響，甚至可能導(dǎo)致電能質(zhì)量下降。
1.2 穩(wěn)定性影響
由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與太陽輻射強(qiáng)度有關(guān)，因此其接入會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[2]。特別是在光伏發(fā)電系統(tǒng)接入容量較大時(shí)，其波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率波動(dòng)加劇，從而影響電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。并且大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入還會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后，由于其輸出功率的變化具有一定的時(shí)間常數(shù)，因此會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的振蕩頻率和阻尼變化，從而影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。此外，如果光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或停機(jī)，則將導(dǎo)致電力系統(tǒng)的供電能力下降，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。2011 年，德國的逆變器發(fā)生大規(guī)模故障，導(dǎo)致500 萬kW 的光伏電站瞬間停止發(fā)電。這次故障引起了對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的廣泛關(guān)注，促進(jìn)了逆變器技術(shù)的改進(jìn)和電力系統(tǒng)對(duì)光伏發(fā)電的管理。
1.3 運(yùn)行效率影響
由于光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)后，電流的傳輸距離和功率的分配方式發(fā)生了變化，因此會(huì)影響電力系統(tǒng)的損耗率[3]。大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入還會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行成本產(chǎn)生影響。一方面，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后可替代一部分傳統(tǒng)的火電發(fā)電，從而降低燃料成本；另一方面，光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)成本較高，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成一定的經(jīng)濟(jì)壓力。
1.4 規(guī)劃和管理影響
光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入需要進(jìn)行合理的系統(tǒng)規(guī)劃，包括容量規(guī)劃、接入點(diǎn)選取等，合理的規(guī)劃可提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的管理也是一個(gè)重要的問題，需要建立完善的管理機(jī)制，包括監(jiān)測(cè)、維護(hù)、故障排除等。同時(shí)，還需要加強(qiáng)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)管，防止對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響[4]。
1.5 降低電網(wǎng)的無功平衡性
考慮到大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)大多被架設(shè)在荒漠、高原等人煙稀少、光照充足的環(huán)境中，系統(tǒng)產(chǎn)生的電量除了少量供應(yīng)當(dāng)?shù)赜脩艚嚯x使用，更多是通過遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆绞�，滿足電能相對(duì)匱乏區(qū)域用戶的用電要求。對(duì)電能供應(yīng)情況進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，在短距離供電過程中，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能電壓能夠滿足用戶的實(shí)際需要，但在長距離傳輸后，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能電壓可能會(huì)因傳輸過程中電壓隨機(jī)波動(dòng)情況的出現(xiàn)，導(dǎo)致出現(xiàn)電能無法切實(shí)滿足用戶需要的情況。
這種電網(wǎng)無功運(yùn)輸現(xiàn)象的出現(xiàn)不僅會(huì)對(duì)母線電壓產(chǎn)生影響，增加電網(wǎng)系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)的難度，進(jìn)而降低電網(wǎng)整體電能運(yùn)輸質(zhì)量，還會(huì)給電能供應(yīng)區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展造成嚴(yán)重的阻礙�？傊�，現(xiàn)階段，我國大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)所能支持的遠(yuǎn)距離電能傳輸電壓都不夠高，無法切實(shí)滿足輸電工作的實(shí)際需要，降低了電網(wǎng)系統(tǒng)的工作質(zhì)量。
2 大規(guī)模光伏發(fā)電的應(yīng)對(duì)策略
2.1 儲(chǔ)能技術(shù)
大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率具有時(shí)變性和不穩(wěn)定性，這是由于光伏發(fā)電的輸出會(huì)受到日照、天氣和季節(jié)等因素的影響。電力系統(tǒng)需要保持供需平衡和電壓穩(wěn)定，以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和可靠性。儲(chǔ)能技術(shù)是解決這一問題的重要手段之一[5]。目前，常用的儲(chǔ)能技術(shù)包括電池儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、水泵儲(chǔ)能等。通過對(duì)光伏電池進(jìn)行串聯(lián)管理、施加隔離保護(hù)、安裝電流傳感器，能夠?qū)⒐夥l(fā)電系統(tǒng)吸收的太陽能順利轉(zhuǎn)化為電能。這些技術(shù)可以平衡光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率和電力系統(tǒng)負(fù)荷需求之間的差異，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。例如，在美國，大規(guī)模的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以在光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力超過負(fù)荷需求時(shí)進(jìn)行充電，在光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力不足以滿足負(fù)荷需求時(shí)進(jìn)行放電，平衡光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率與電力系統(tǒng)負(fù)荷需求之間的差異。
2.2 電力電子技術(shù)
電力電子技術(shù)是大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的核心技術(shù)之一。通過電力電子技術(shù)，可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換和控制。其中，最常見的電力電子器件是逆變器，它可以將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并控制輸出電流的波形和頻率，以滿足電力系統(tǒng)的需求。此外，電力電子技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤、功率因數(shù)校正和電壓控制等功能。最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在不同光照條件下，使光伏電池組的輸出功率最大化，從而提高系統(tǒng)的效率。功率因數(shù)校正技術(shù)可以優(yōu)化系統(tǒng)的功率因數(shù)，避免系統(tǒng)中出現(xiàn)無效功率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。電壓控制技術(shù)可以控制系統(tǒng)的電壓，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
2.3 智能電網(wǎng)技術(shù)
智能電網(wǎng)技術(shù)是一種非常有前途的技術(shù)，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用前景廣闊，是在現(xiàn)代電力工程領(lǐng)域的一個(gè)創(chuàng)新方向。它將先進(jìn)的信息技術(shù)、通信技術(shù)與傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合，提供更為智能、高效且環(huán)保的電力服務(wù)。智能電網(wǎng)技術(shù)是指利用信息通信技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化。采用智能電網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行與優(yōu)化調(diào)度，提高電力系統(tǒng)的效率和可靠性。同時(shí)，智能電網(wǎng)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行處理，避免對(duì)電力系統(tǒng)的影響。
2.4 光伏發(fā)電廠規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)
現(xiàn)階段，為了切實(shí)提升電能質(zhì)量，給用戶帶來良好的用電體驗(yàn)，在大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)前，需要對(duì)可能影響電能質(zhì)量的因素進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)，將光伏發(fā)電廠規(guī)劃的設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用到大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)工作中，提升電能轉(zhuǎn)化與輸送工作的可靠性。
例如，在大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的架設(shè)過程中，可以通過提升光伏發(fā)電站施工地點(diǎn)的可靠性、切實(shí)解決光伏發(fā)電站裝機(jī)容量問題、優(yōu)化光伏發(fā)電站規(guī)劃建設(shè)過程中的投資時(shí)間與投資成本、增強(qiáng)光伏發(fā)電站規(guī)劃設(shè)計(jì)的安全性與可靠性、保證光伏模塊與逆變器模塊使用數(shù)量滿足施工活動(dòng)需要，提升大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體工作質(zhì)量，降低發(fā)生電能質(zhì)量問題的可能性。
2.5 應(yīng)用新型輸電技術(shù)
近年來，隨著光伏發(fā)電裝機(jī)量的不斷增加，如何降低大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，提升電力供應(yīng)的可靠性，成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。一般情況下，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后，會(huì)對(duì)公共電網(wǎng)無功電壓產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾娔軐?huì)在電能傳輸過程中產(chǎn)生一定的電力波動(dòng)，影響電網(wǎng)系統(tǒng)的平衡性。
現(xiàn)階段，為解決上述問題，對(duì)大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸電技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，成為保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要舉措之一。例如，可以通過在一些海拔較高并且日照充足的大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)架設(shè)區(qū)域安裝合適類型的FACYS 裝置，不斷提升大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的對(duì)外輸電能力，實(shí)現(xiàn)電能遠(yuǎn)距離傳輸過程中波動(dòng)問題的有效改善[6]。
2.6 市場(chǎng)機(jī)制改革
市場(chǎng)機(jī)制改革是指通過調(diào)整市場(chǎng)規(guī)則和價(jià)格機(jī)制等手段，促進(jìn)清潔能源的發(fā)展和應(yīng)用。通過實(shí)行綠色證書制度、智能電價(jià)制度等市場(chǎng)機(jī)制改革，可以提高清潔能源的競(jìng)爭力和市場(chǎng)占有率，從而推動(dòng)大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。除了綠色證書和智能電價(jià)制度，市場(chǎng)機(jī)制改革還包括其他的手段和政策。例如，采用可再生能源配額制度，鼓勵(lì)電力企業(yè)在其電力銷售中使用可再生能源，促進(jìn)清潔能源的應(yīng)用。同時(shí)，通過完善市場(chǎng)化交易機(jī)制，如直接交易、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)等方式，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的市場(chǎng)化程度，降低其發(fā)展成本。
3 對(duì)大規(guī)模光伏發(fā)電發(fā)展的展望
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性將不斷提高。高效光伏電池、新型太陽能材料、新型儲(chǔ)能技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用將有助于提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能。預(yù)計(jì)未來光伏電池的價(jià)格將進(jìn)一步下降，促進(jìn)大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展。各國政府將繼續(xù)出臺(tái)鼓勵(lì)清潔能源發(fā)展的政策，為大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展提供政策支持。例如，各國政府將加大對(duì)光伏發(fā)電的補(bǔ)貼和獎(jiǎng)勵(lì)力度，促進(jìn)清潔能源的發(fā)展和應(yīng)用。并且隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。通過智能化技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理，提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。
4 結(jié) 論
大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種清潔、可再生能源，對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生了積極影響，同時(shí)也帶來了一些挑戰(zhàn)。在影響方面，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)質(zhì)量、電壓穩(wěn)定性、瞬時(shí)功率響應(yīng)和電力質(zhì)量污染等方面均有影響。針對(duì)這些影響，應(yīng)對(duì)策略包括儲(chǔ)能技術(shù)、電力電子技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)以及市場(chǎng)機(jī)制改革等。在未來，隨著技術(shù)的進(jìn)步、價(jià)格的下降和政策支持的不斷增強(qiáng)，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)將得到快速發(fā)展，同時(shí)也將與其他能源形成協(xié)同發(fā)展，推動(dòng)清潔能源的發(fā)展和應(yīng)用。
