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光伏發電系統對電網調度運行的影響

發布時間:2012-03-07 23:52所屬分類:電力瀏覽:1加入收藏

敘述了光伏發電是近年來新興起的能源類型,是未來能源發展的一個方向。從電壓偏差分析、能源儲存技術、防孤島效應、無功補償和諧波抑制等幾個方面

0引言
盡管尋找新能源的工作已經有相當長的歷史了,但是世界性的環境污染和能源短缺已經迫使人們更加努力的尋找和開發新能源。在尋找和開發新能源的過程中,人們很自然的把目光投向了各種可再生的替代能源,光伏發電就是其中之一。雖然光伏發電的實際應用存在著種種的局限,但是隨著光伏發電成本的降低和礦物發電成本的提高以及礦物能源的減少,總有一天光伏發電的成本將會與傳統發電成本相當。到時侯,光伏發電將逐步進入商業化階段。光伏并網發電形成規模后會對電網形成什么樣的影響是本文想要探討的問題。
1   系統原理
太陽能光伏發電系統主要由太陽能光伏電池組、光伏系統電池控制器、蓄電池和交直流逆變器等主要部件組成。其中的核心元件是光伏電池組和控制器。各部件在系統中的作用是:
a) 光伏電池用來進行光電轉換;
b) 控制器:作用于整個系統的過程控制。光伏發電系統中使用的控制器類型很多,如2點式控制器、多路順序控制器、智能控制器、大功率跟蹤充電控制器等,中國目前使用的大多都是簡單設計的控制器,智能型控制器僅用于通信系統和較大型的光伏電站;
c) 蓄電池:蓄電池是光伏發電系統中的關鍵部件,用于存儲從光伏電池轉換來的電力。目前中國還沒有用于光伏系統的專用蓄電池,而是使用常規的鉛酸蓄電池;
d) 交直流逆變器:由于它的功能是交直流轉換,因此這個部件最重要的指標是可靠性和轉換效率。并網逆變器采用最大功率跟蹤技術,最大限度地把光伏電池轉換的電能送入電網;
e) 太陽能光伏電池板:太陽能電池主要使用單晶硅為材料。用單晶硅做成類似二極管中的P-N結。工作原理和二極管類似。只不過在二極管中,推動P-N結空穴和電子運動的是外部電場,而在太陽能電池中推動和影響P-N結空穴和電子運動的是太陽光子和光輻射熱。也就是通常所說的光生伏特效應原理。目前光電轉換的效率,也就是光伏電池效率,大約是單晶硅13%~15%,多晶硅11%~13%。目前最新的技術還包括光伏薄膜電池。
2   光伏發電系統并網電壓等級
總裝機容量在60 kW以下與60 kW~250 kW的小型光伏發電站采用集中式逆變器并入三相220 V和400 V低壓運行的方式。這種變壓器具有過壓保護、對地故障保護、過載保護、短路故障保護等多項基本保護功能,而且能夠及時地獲取直流輸入電壓和電流、交流輸出電壓和電流、功率、電網頻率等逆變器的運行參數[1]。總裝機容量在250 kW以上的光伏發電站大部分通過10 kV或35 kV線路并入電網運行。電廠側裝一套方向過電流、方向限時電流閉鎖電壓速斷保護裝置就能滿足安全需要。安全起見,還需要找合理的位置安裝低壓解列及低周解列裝置,一旦變電所的線路出現故障,低壓解列與低周解列裝置能夠及時反應,將光伏電廠與系統解列,一方面使大系統側變電所進線和電廠線的快速恢復更加快捷,另一方面能夠讓光伏電站避免更大的損失。
3  光伏并網發電系統不足和改進建議
3.1系統電壓偏差分析
光伏發電系統在主系統受到干擾時可以進行快速切換,這是在進行系統設計時特意設置的功能,但發電功率的損失也會影響系統的穩定性。因此,電力調度部門希望光伏發電站能夠克服電網干擾而維持工作。因為光伏發電靠采光進行發電的性質,決定了光伏系統受天氣、季節、溫度等的影響較大。而且一天中的不同時刻也會對電壓輸出效率產生明顯影響,白天光照足,中午左右光伏電網輸出效率最大,晚上光照微弱,輸出功率幾乎為零,因此電壓的控制需要廣大企業積極采取有效措施。常用的電壓控制可以有兩種方法實現:一是逆變器的輸出側用一個帶可調的自耦變壓器來實現。通過一個閉環控制系統來實現分接頭的變換,能夠有效控制輸出電壓的相位的幅度;二是利用靜止逆變器輸出交流電壓的幅值與整流電路輸入的直流電壓成正比,通過改變直流電壓來控制電壓。這種方案對于光伏發電等類似的、系統較薄弱的電網特別有益,如VAR技術,能夠在幾分之一秒的時間內自動維持所規定的電網電壓水平及電能質量。
3.2用于提高穩定的能源儲存技術
當光伏發電系統大量投入運行時,穩定與否就成了眼前的一個棘手問題。維持光伏電壓的穩定,可以采用柔性交流輸電技術、高壓直流輸電以及能源存儲技術等辦法來解決,這樣就能在波動功率源有效控制的基礎上,兼顧電源穩定性和電能質量。解決系統的動態穩定性和短功率是安排與優化電網功率實用的運行策略,這樣就能夠解決主要的系統約束。以某個1 MW的光伏發電站為例,要維護系統的穩定運行,需要表一所列的一個最大功率為200 kW、具有100 kW·h容量的能量存儲裝置。
表1  用于電網支撐的1 MW·h可供選擇的能量存儲技術
技術指標 抽水蓄能 壓縮空氣儲能 蓄電池
效率
%
75 60 70
原件壽命
40 30 5
功率設備成本
×104 元·(kW·h)-1
 
1.8 1.4 0.1
×104 元·(kW·h)-1 0.3 0.7 0.35
從表1中可見,雖然這種存儲裝置的成本并不很低,但是功能齊全,從整個電網運行的效果來看作用重要。
3.3避免出現孤島效應
孤島效應是電網中一種多見的嚴重危害,會導致并網逆變系統和用電設備的損壞,還會給電力檢修人員帶來危險。按照相關規定,如果孤島電網建設的目的是為了提高供電可靠性,那么可以保留,否則電力調度部門原則上對孤島電網都要進行切除。防止孤島效應的基本點和關鍵點是電網環節的檢測,可以采取主動和被動方式相結合的方法來對孤島效應進行檢測和防止,目前相關領域通用的兩種主動檢測方法有:Sandia頻率漂移法和Sandia電壓漂移法;常用的被動檢測方法有:頻率或者電壓繼電器檢測、電壓諧波檢測、電壓相位突變檢測法等。安裝孤島檢測裝置可以有效的解決光伏發電系統電源中的非正常孤島,雖然主動式檢測方法以及電網側檢測方法大都不存在檢測盲區,但是設備昂貴,配套設施復雜,影響分布式電源的接入效率。相對于主動式檢測而言,被動式檢測方法不僅不會對電力系統產生干擾,而且檢測費用相對便宜,但是被動式方法存在檢測盲區,但如果實際運行中供給的功率不大,而且保護保護配置到位的話,用被動法檢測盲區的缺點通過調整運行方式就可以完全避免[2]
3.4無功補償和諧波抑制
光伏發電站功率因數約在0.98以上,基本上為純有功輸出。為滿足無功補償按分層分區和就地平衡的原則,光伏發電站應配置適當的無功補償裝置,以滿足電網對無功的要求,將電壓提高,減少在輸電線路上的損耗。從諧波理論和實踐看,并網電流的瞬時值可以通過軟件的設定調節來實現,不僅能夠迅速改變并網電流的瞬時波形,而且可以實現對電網的諧波對抗。有源電力濾波器是一種可動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置。這種裝置能夠克服LC濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償方法的缺點,同時實現對頻率和幅值變化的跟蹤和補償,而且它的補償作用不受電網阻抗的影響,因此,這類方法受到人們的廣泛關注[3]
4  結語
隨著新能源產業的進一步發展,將光伏電力并入到公用電網中是未來發展的趨勢。但是目前受到光伏發電領域技術的限制,光伏發電能量密度低、穩定性差,調節能力較容易受到限制,發電量受天氣及地域的影響較大,并網發電后會對調度運行都將造成一定影響。所以新時期的任務就是最大限度的將光伏發電的效率和質量提升到最高,在保證光伏電力的穩定性和可靠性上下功夫。另外,積極探索與光伏發電系統相適應的穩定系統、運行方式、繼電保護等技術,用以改善目前光伏并網發電在運行不規范方面的問題,是目前光伏并網發電需要解決的重中之重。
 
參考文獻
[1]   魏  磊,張伏生.基于瞬時無功功率理論的電能質量擾動檢測、定位與分類方法[J].電網技術,2004,28(6):53-58.
[2]   劉樹民,宏偉譯.太陽能光伏發電系統的設計與施工[M].北京:科學出版社,2006.
[3]   趙爭鳴,劉建政,孫曉瑛,等.太陽能光伏發電及其應用[M].北京:科學出版社,2005.

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