1.3　大型光伏電站存在的主要技術(shù)問(wèn)題

由于光伏陣列輸出的是低壓直流電，目前大型光伏電站普遍采用光伏逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)集中并網(wǎng)，進(jìn)而通過(guò)送端配電站實(shí)現(xiàn)高壓遠(yuǎn)距離交流輸電^[16，17]，圖1.3所示為大型光伏電站的基本框架。

這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于：光伏電站中每臺(tái)并網(wǎng)逆變器僅通過(guò)并網(wǎng)點(diǎn)相連，能夠避免并網(wǎng)逆變器之間產(chǎn)生環(huán)流，而且每臺(tái)并網(wǎng)逆變器一般來(lái)自同一生產(chǎn)廠家，彼此之間的差異較小，例如當(dāng)一臺(tái)并網(wǎng)逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，剩余各臺(tái)仍能正常工作，從而便于對(duì)每臺(tái)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行獨(dú)立控制^[18]。

并網(wǎng)逆變器通常分為單級(jí)和雙級(jí)兩大類，如圖1.4所示。典型的雙級(jí)并網(wǎng)逆變器由DC/DC升壓變換部分和DC/AC并網(wǎng)逆變部分組成，而單級(jí)并網(wǎng)逆變器僅含有DC/AC并網(wǎng)逆變器。

單級(jí)和雙極并網(wǎng)逆變器各具優(yōu)勢(shì)，具有各自適合的應(yīng)用場(chǎng)合。由于雙極并網(wǎng)逆變器具有更加靈活的控制功能和更寬的直流電壓接入范圍，小容量的并網(wǎng)逆變器更傾向采用此種結(jié)構(gòu)。由于單級(jí)并網(wǎng)逆變器硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以降低造價(jià)，大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)更青睞于單級(jí)結(jié)構(gòu)^[19，20]。

不同于小容量光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，大型光伏電站并網(wǎng)將對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃、電能質(zhì)量、安全穩(wěn)定運(yùn)行等方面產(chǎn)生重大影響。鑒于目前國(guó)內(nèi)大型光伏電站存在的諸多挑戰(zhàn)，本節(jié)分別從并網(wǎng)電能質(zhì)量、無(wú)功與電壓控制以及并網(wǎng)穩(wěn)定性三個(gè)角度闡述大型光伏電站面臨的技術(shù)難題。

1.3.1　并網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題

由于大型光伏電站額定容量較大，而且并網(wǎng)逆變器額定功率亦較大，和小容量光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)相比，大型光伏電站中的并網(wǎng)逆變器更易受到各種潛在因素的干擾，光伏電站中逆變器并網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題如圖1.5所示。

首先，并網(wǎng)逆變器中LCL濾波器參數(shù)是在額定功率下設(shè)計(jì)的，由于并網(wǎng)逆變器在光照不足時(shí)逆變效率大大降低^[21～23]，并網(wǎng)逆變器在低光照下的電能質(zhì)量也會(huì)惡化。當(dāng)光照不足時(shí)，通過(guò)合理設(shè)置光伏陣列和并網(wǎng)逆變器之間的連接方式，可以降低并網(wǎng)逆變器的并聯(lián)臺(tái)數(shù)以提高并網(wǎng)逆變器的逆變效率，使并網(wǎng)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)之間作為一個(gè)整體穩(wěn)定運(yùn)行。但是目前多數(shù)大型光伏電站并網(wǎng)逆變器之間還沒(méi)有相應(yīng)的集中控制方案。

其次，由于并網(wǎng)逆變器的額定功率較大，當(dāng)一組光伏發(fā)電單元出現(xiàn)故障或者光照變化劇烈時(shí)，很容易對(duì)并網(wǎng)公共點(diǎn)處的電網(wǎng)電壓產(chǎn)生沖擊^[24]，而且電網(wǎng)電壓自身的諧波、閃變、不對(duì)稱等問(wèn)題也影響著光伏并網(wǎng)發(fā)電的電能質(zhì)量^[25，26]。

最后，由于并網(wǎng)逆變器開(kāi)關(guān)頻率不高，為有效降低濾波器的體積和損耗，常采用LCL濾波器結(jié)構(gòu)^[27]。但是LCL濾波器是一個(gè)三階系統(tǒng)，如果不采取相應(yīng)的阻尼措施，并網(wǎng)逆變器很容易引起諧振問(wèn)題。因此，如何設(shè)計(jì)并網(wǎng)逆變器的控制策略就顯得尤為重要。

1.3.2　無(wú)功與電壓控制問(wèn)題

光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器通常以單位功率因數(shù)形式并網(wǎng)發(fā)電，對(duì)于小型光伏電站，其功率的擾動(dòng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響甚微。但是隨著裝機(jī)容量的不斷增大，光伏電站由于其自身的一些特性也會(huì)在不同方面對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，其中大型光伏電站的電壓?jiǎn)栴}愈發(fā)嚴(yán)重^[28]。光伏電站中并網(wǎng)逆變器無(wú)功支撐問(wèn)題如圖1.6所示。

一方面，我國(guó)太陽(yáng)能資源主要富集于青海、甘肅、新疆、內(nèi)蒙古等遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的西北部邊遠(yuǎn)地區(qū)，電網(wǎng)本身結(jié)構(gòu)薄弱，導(dǎo)致大型光伏電站的電壓?jiǎn)栴}突出，而大型光伏電站由于無(wú)旋轉(zhuǎn)慣量，大規(guī)模接入會(huì)進(jìn)一步降低電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，增加光伏電站電壓失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，電網(wǎng)從自身安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度考慮，需要大型光伏電站具備相應(yīng)的電源特性^[29]。

另一方面，大型光伏電站輸出功率隨著光照強(qiáng)度、溫度等環(huán)境因素變化而變化，隨機(jī)波動(dòng)的有功輸出功率通過(guò)長(zhǎng)距離輸電線路造成母線電壓大幅波動(dòng)，而大幅波動(dòng)的母線電壓反作用于光伏電站，造成大型光伏電站電壓越限，甚至失去穩(wěn)定，導(dǎo)致大面積停電事故。此外，大型光伏電站接入電網(wǎng)也導(dǎo)致線路繼電保護(hù)裝置整定更加復(fù)雜，電壓劇烈波動(dòng)將導(dǎo)致保護(hù)裝置動(dòng)作，致使光伏發(fā)電單元脫網(wǎng)，嚴(yán)重影響了光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行^[30，31]。

面對(duì)日益凸顯的電壓?jiǎn)栴}，從安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度考慮，必須利用無(wú)功功率對(duì)大型光伏電站的電壓進(jìn)行控制，并且國(guó)標(biāo)要求光伏電站站內(nèi)各光伏逆變器應(yīng)該參與電壓調(diào)節(jié)，大型光伏電站應(yīng)充分利用站內(nèi)各光伏逆變器進(jìn)行無(wú)功控制，以維持并網(wǎng)點(diǎn)和站內(nèi)電壓的穩(wěn)定。此外，不少國(guó)家提出了比較嚴(yán)格的光伏電站并網(wǎng)技術(shù)要求，在電網(wǎng)緊急情況下光伏電站應(yīng)能夠提供無(wú)功支撐，而目前的示范工程均未達(dá)到這些要求^[32]。因此，通過(guò)對(duì)大型光伏電站靜態(tài)電壓穩(wěn)定性及其內(nèi)部電壓分布進(jìn)行分析，對(duì)大型光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行以及無(wú)功電壓控制都有重要的意義^[33]。

1.3.3　并網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題

為了獲得良好的電能質(zhì)量，大型光伏電站中并網(wǎng)逆變器一般采用LCL濾波器，且很多光伏電站建立在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心、光照資源豐富的荒漠地區(qū)。光伏電站連接的地區(qū)電網(wǎng)多處于偏遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)，負(fù)荷比較分散，地區(qū)電網(wǎng)輸電線路較長(zhǎng)，電網(wǎng)相對(duì)薄弱^[34]。電網(wǎng)阻抗會(huì)造成并網(wǎng)逆變器中LCL濾波器性能發(fā)生改變，使得光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量下降，逆變器動(dòng)態(tài)性能顯著退化，甚至引發(fā)諧振現(xiàn)象^[35]。國(guó)內(nèi)外若干大型光伏電站在實(shí)際運(yùn)行中的問(wèn)題表明：在光照強(qiáng)度充足條件下，即使每臺(tái)并網(wǎng)逆變器的輸出電流諧波含量都較小，光伏電站在裝機(jī)容量增加后，輸出電流諧波含量也有可能超標(biāo)甚至引發(fā)諧振等問(wèn)題，威脅大型光伏電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，限制了光伏電站的規(guī)模化應(yīng)用^[36，37]。圖1.7所示為光伏電站裝機(jī)容量增加前后以及電網(wǎng)阻抗增加前后并網(wǎng)電流的變化情況示意圖。

另一方面，大型光伏電站中并網(wǎng)逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)的采用將會(huì)改變并網(wǎng)逆變器自身連接電網(wǎng)的等效阻抗，且逆變器中固有的數(shù)字控制延時(shí)、死區(qū)效應(yīng)等非線性因素，可能會(huì)加劇大型光伏電站與電網(wǎng)之間的諧振現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)存在諧振峰并且背景諧波與諧振頻率相匹配時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)諧振過(guò)電壓、過(guò)電流，引發(fā)諧波含量超標(biāo)等電能質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)，諧振現(xiàn)象對(duì)并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行也有較大影響，由系統(tǒng)阻抗網(wǎng)絡(luò)不匹配引起的串/并聯(lián)諧振甚至可能造成并網(wǎng)逆變器無(wú)故障跳閘，危及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行^[38]。

總之，在能源緊缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的形勢(shì)下，建設(shè)大型光伏電站是優(yōu)化能源配置和緩解霧霾天氣的主要途徑。隨著光伏電站裝機(jī)容量的逐漸增加，大型光伏電站面臨諸多需要克服的技術(shù)難題，限制了大型光伏電站的規(guī)模化應(yīng)用。本書通過(guò)對(duì)大型光伏電站無(wú)功與調(diào)壓控制等問(wèn)題的剖析與研究，旨在提高大型光伏電站的并網(wǎng)電能質(zhì)量，增強(qiáng)大型光伏電站的并網(wǎng)穩(wěn)定性，推動(dòng)大型光伏電站的規(guī)模化應(yīng)用，為示范試驗(yàn)工程提供理論支撐和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。