作者： 張顯立
陽光電源 光伏解決方案部總監(jiān)
1、前言
太陽能作為替代能源，應(yīng)用越來越廣泛，預(yù)計到2020年，國內(nèi)光伏裝機容量將達(dá)到150GW，平均每年以20GW的裝機容量遞增。到2030年，裝機容量有望達(dá)到400GW。光伏發(fā)電受自然條件影響，具有間歇性、隨機性、周期性特點。隨著裝機量的不斷增大，滲透率的不斷提高，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)性能的要求越來越高。大量分布式光伏接入配電網(wǎng)，對配電網(wǎng)安全運行也將產(chǎn)生一定的影響。因此，作為光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口，逆變器具有十分重要的作用，將直接影響光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)性能。
2光伏電站并網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)
挑戰(zhàn)一：電網(wǎng)故障時，光伏電站需要在規(guī)定的時間內(nèi)保持并網(wǎng)運行
在電網(wǎng)出現(xiàn)擾動故障時，光伏電站需保持并網(wǎng)運行，并為電網(wǎng)提供支撐，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，以防止事故進(jìn)一步擴大，造成大面積的停電。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也明確要求大中型光伏電站應(yīng)具備一定的耐受電網(wǎng)頻率和電壓異常的能力，能夠為保持電網(wǎng)穩(wěn)定性提供支撐。圖1(a)所示光伏電站低電壓穿越能力要求，當(dāng)并網(wǎng)點電壓跌至0時，光伏電站應(yīng)能不脫網(wǎng)連續(xù)運行0.15s，當(dāng)并網(wǎng)點電壓跌至曲線1以下時，光伏電站可從電網(wǎng)切出。圖1(b)所示電站高電壓穿越能力要求，當(dāng)并網(wǎng)點電壓為額定電壓的1.2~1.3倍時，光伏電站應(yīng)能不脫網(wǎng)連續(xù)運行0.5s，當(dāng)并網(wǎng)點電壓為額定電壓的1.1~1.2倍時，光伏電站應(yīng)能不脫網(wǎng)連續(xù)運行10s。
挑戰(zhàn)二：功率調(diào)度，電壓頻率調(diào)節(jié)要求越來越高
光伏裝機容量占一次能源的比例越來越高，調(diào)度的重要性日益突出。目前青海、甘肅等新能源裝機量大的地區(qū)已明確要求光伏系統(tǒng)需具備調(diào)度能力，并且響應(yīng)時間也有明確要求。目前國內(nèi)調(diào)度方式主要是調(diào)度主站將調(diào)度指令下發(fā)至電站AGC/AVC，然后AGC/AVC通過通訊方式下發(fā)至逆變器。調(diào)度性能一方面取決于電站監(jiān)控系統(tǒng)接受調(diào)度指令后下發(fā)至逆變器速度，另一方面取決于逆變器功率調(diào)度模式和自身響應(yīng)速度。國外如德國中壓并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)BDEW已規(guī)定逆變器需要根據(jù)電網(wǎng)電壓和頻率變化自動調(diào)節(jié)逆變器輸出無功和有功，對逆變器提出了更高要求。不同的逆變器方案和通訊方案對調(diào)度的快速性、穩(wěn)定性也將產(chǎn)生影響。
挑戰(zhàn)三：諧振、電壓波動、功率因數(shù)低等問題突出
光伏電站接入電網(wǎng)環(huán)境千差萬別，部分末端電網(wǎng)相對較弱，電壓波動明顯，電能質(zhì)量差。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)甚至出現(xiàn)諧振脫網(wǎng)的現(xiàn)象。如圖2所示的西北某大型電站，采用了多臺組串式逆變器并網(wǎng)方案，由于設(shè)備數(shù)量多，電網(wǎng)弱，光伏輸出阻抗與電網(wǎng)阻抗嚴(yán)重不匹配導(dǎo)致諧振，引起大面積脫網(wǎng)事故。無奈之下只有通過增加額外的無功補償裝置以增強對電網(wǎng)的支撐，并逐個修改了每臺逆變器的控制軟件。脫網(wǎng)不僅造成了發(fā)電量損失，而且增加了設(shè)備投資。
在國家政策大力支持背景下，分布式系統(tǒng)得到了快速發(fā)展和建設(shè)，系統(tǒng)中無功需求以及功率因數(shù)控制的問題也突顯。由于目前分布式的電價政策鼓勵自發(fā)自用、余量上網(wǎng)，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點必然是在產(chǎn)權(quán)分界點以下。光伏發(fā)電自用導(dǎo)致產(chǎn)權(quán)分界點的有功減少，產(chǎn)權(quán)分界點的無功基本不變，最終導(dǎo)致并網(wǎng)點功率因數(shù)急速下降。圖3所示為某工廠裝設(shè)5MW屋頂電站后廠區(qū)產(chǎn)權(quán)分界點的功率因數(shù)，月度功率因數(shù)僅為0.509，遠(yuǎn)低于電力公司規(guī)定的0.9的要求，造成的無功罰款超過光伏發(fā)電的收益。
圖3某5MW屋頂分布式電站產(chǎn)權(quán)分界點功率因數(shù)統(tǒng)計趨勢
此外，扶貧項目發(fā)展，光伏系統(tǒng)在農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)。農(nóng)村地區(qū)電網(wǎng)相對較弱，光伏并網(wǎng)后，可能會出現(xiàn)三相不平衡，電網(wǎng)波動劇烈等異常情況，部分地區(qū)需要對原有電網(wǎng)進(jìn)行改造，給光伏電站建設(shè)帶來了挑戰(zhàn)。
挑戰(zhàn)四：滲透率不斷加大，將對電網(wǎng)穩(wěn)定運行產(chǎn)生一定的影響
滲透率是指光伏系統(tǒng)的交流容量與峰值負(fù)荷的比值。研究發(fā)現(xiàn)，光伏發(fā)電最高滲透率一般不超過25%-50%，否則電網(wǎng)可能會出現(xiàn)電壓升高、由云層變化引起的電壓波動、由低電壓和頻率波動引起的大范圍脫網(wǎng)等問題。分布式電源配電網(wǎng)并網(wǎng)國家標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定'接入電網(wǎng)的分布式電源裝機容量不宜超過上一級變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大允許負(fù)荷的25%'。據(jù)統(tǒng)計我國西部部分地區(qū)2014年光伏加風(fēng)電裝機容量占電力總裝機容量比例超過了30%。在分布式光伏系統(tǒng)中，很多光伏系統(tǒng)容量甚至超過了峰值負(fù)荷的60%以上。國外對滲透率也做了很多研究工作，例如美國加州獨立系統(tǒng)運營商2010年完成了基于可再生能源滲透率為20%的研究，2020年將完成33%的研究。
3優(yōu)越并網(wǎng)性能的逆變器確保光伏系統(tǒng)接入友好
逆變器作為光伏組件和電網(wǎng)之間的橋梁，將光伏組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電后饋入電網(wǎng)，其性能和可靠性對光伏電站發(fā)電的電能品質(zhì)和投資者收益起到?jīng)Q定性作用。
3.1逆變器需具備良好的電網(wǎng)故障穿越能力
光伏電站需具備一定的故障穿越能力，如零電壓穿越、低電壓穿越以及高電壓穿越。光伏逆變器接入電網(wǎng)須通過第三方機構(gòu)的故障穿越能力檢測，旨在保障電網(wǎng)出現(xiàn)故障時逆變器可提供一定支撐，避免事故擴大。但單臺逆變器通過低穿試驗，并不能代表實際電站采用該型號逆變器仍具有相同出色的低穿能力。在對電站進(jìn)行現(xiàn)場低電壓穿越檢測時，仍會出現(xiàn)部分廠家的逆變器脫網(wǎng)現(xiàn)象。
2013年6月20日至21日，國網(wǎng)青海電力公司、中國電科院、青海電力公司等單位聯(lián)合進(jìn)行了一次真實的低電壓穿越驗證試驗，檢測了不同類型光伏逆變器12種，以及多種SVG和SVC無功補償裝置，基本涵蓋了國內(nèi)現(xiàn)已安裝的主流型號光伏逆變器和無功補償裝置。測試結(jié)果：僅僅一個逆變器廠家的產(chǎn)品沒有出現(xiàn)脫網(wǎng)情況。另外多個品牌逆變器均不同程度的出現(xiàn)脫網(wǎng)情況，少則幾臺，多則幾十臺。
3.2逆變器具備SVG功能，改善并網(wǎng)點功率因數(shù)
逆變器自身具備無功調(diào)節(jié)的能力，除了可以通過響應(yīng)調(diào)度指令發(fā)出無功外，逆變器還可以根據(jù)電網(wǎng)電壓按照一定比例自動調(diào)節(jié)無功。逆變器的功率因數(shù)一般在-0.9~+0.9之間連續(xù)可調(diào)，這意味著500kW的逆變器，在輸出500kW有功的同時,可以發(fā)出242kVar的容性或感性無功，滿足目前電站要求配置15~30%容量SVG的要求，且逆變器無功輸出響應(yīng)時間在30ms以內(nèi)。因此，在大型光伏電站，完全可以利用逆變器替代SVG，減少系統(tǒng)初始投資，改善無功調(diào)節(jié)性能，還可以減少額外增加SVG裝置帶來的功率損耗。
分布式電站并入用戶配電網(wǎng)，使得用戶從電網(wǎng)汲取的有功降低，而負(fù)荷無功是固定的，導(dǎo)致用戶總進(jìn)線關(guān)口表計量的功率因數(shù)下降，造成無功罰款。通過逆變器自身具備SVG功能，配合智能有功無功調(diào)節(jié)裝置，完成系統(tǒng)動態(tài)功率因數(shù)控制，可以減少分布式項目的SVG投資，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。
智能有功無功調(diào)節(jié)裝置獲取到產(chǎn)權(quán)分界點的有功功率P、無功功率Q和功率因數(shù)等信息，實時給逆變器下發(fā)無功給定值，使逆變器輸出無功，保證產(chǎn)權(quán)分界點功率因數(shù)滿足電力公司要求。某工廠5MW屋頂分布式電站無控制時月度功率因數(shù)為0.509，增設(shè)智能有功無功調(diào)節(jié)裝置，利用逆變器進(jìn)行無功補償后月度功率因數(shù)達(dá)到了0.972，如圖5所示。
圖5某5MW屋頂分布式電站產(chǎn)權(quán)分界點無功補償前后功率因數(shù)對比
3.3逆變器需具備良好的響應(yīng)調(diào)度能力
光伏電站需接受AGC/AVC的調(diào)度指令，進(jìn)行有功無功輸出，響應(yīng)時間一般為幾秒到十幾秒。為了增加電站并網(wǎng)友好性，逆變器自身應(yīng)可以根據(jù)電網(wǎng)電壓自動補償無功，根據(jù)電網(wǎng)頻率自動調(diào)節(jié)有功。逆變器可根據(jù)電網(wǎng)電壓按照圖6所示的運行曲線輸出無功，保證電網(wǎng)電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。
圖6國內(nèi)某廠家逆變器Q-U運行曲線
3.4不同場景正確選用逆變器，確保并網(wǎng)友好性
光伏電站類型日趨多樣化，大型地面、山丘、屋頂、漁塘、農(nóng)業(yè)大棚等廣泛用于光伏電站建設(shè)，逆變器選型時不僅需要考慮不同類型電站的特點差異，還應(yīng)確保電站并網(wǎng)的友好，設(shè)備數(shù)量越多，相互之間協(xié)調(diào)越困難，調(diào)度閉環(huán)響應(yīng)速度慢，系統(tǒng)風(fēng)險越大。對于大型地面電站、工業(yè)屋頂、漁光互補等電站，采用集中式逆變器設(shè)備數(shù)量少，電網(wǎng)接入更友好、無諧振風(fēng)險，是首選方案。而對于復(fù)雜屋頂、復(fù)雜山丘、農(nóng)光互補等存在嚴(yán)重朝向和遮擋問題的電站，可選用組串式逆變器，但需關(guān)注逆變器的并網(wǎng)特性。
4儲能在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用
光伏系統(tǒng)發(fā)電受自然條件影響，具有間歇性、隨機性、周期性等特點，采用儲能技術(shù)可以保證光伏系統(tǒng)平滑并網(wǎng)，提高電能品質(zhì)，使得光伏系統(tǒng)更友好并網(wǎng)。同時儲能技術(shù)還可以解決目前光伏系統(tǒng)并網(wǎng)中遇到的限電等問題。
4.1平滑光伏系統(tǒng)輸出，解決棄光問題
通過在光伏系統(tǒng)中配置一定容量的儲能，可有效抑制光伏系統(tǒng)的波動問題，平滑光伏系統(tǒng)輸出，改善并網(wǎng)特性，如圖7所示。限電問題一直是我國西部大型電站的痛點，電網(wǎng)建設(shè)速度趕不上新能源發(fā)展的速度，地方消納不足，導(dǎo)致大量的棄光棄風(fēng)現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計僅甘肅省2015年上半年的棄光率接近30%，給投資者造成了巨大的經(jīng)濟損失。儲能系統(tǒng)可在限電期間將光伏多余電力儲存起來，在光伏電力不足時將電力釋放出來，減少棄光，有效解決光伏限發(fā)問題，保證系統(tǒng)投資收益，如圖8。
4.2通過儲能增強系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)峰能力，提高穩(wěn)定性
傳統(tǒng)的調(diào)峰機組響應(yīng)時間長大幾分鐘，光伏發(fā)電滲透率增大后，原有備用機組容量不夠和響應(yīng)速度慢的問題日益凸顯。據(jù)權(quán)威機構(gòu)計算，儲能系統(tǒng)調(diào)峰比一般的燃?xì)鈾C組相比價格低，且儲能系統(tǒng)的響應(yīng)時間一般毫秒級，可有效增強系統(tǒng)的調(diào)峰能力。
新能源的滲透率提高，對系統(tǒng)調(diào)頻要求也越高，尤其是在系統(tǒng)出現(xiàn)頻率波動同時，新能源又發(fā)生了功率波動，雙重故障會導(dǎo)致災(zāi)難性的脫網(wǎng)事故。通過配置儲能系統(tǒng)在頻率出現(xiàn)偏差時進(jìn)行快速功率汲取或釋放，保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，如圖9。儲能逆變器采用的虛擬同步發(fā)電機控制新技術(shù)，通過下垂控制和轉(zhuǎn)動慣量穩(wěn)定頻率和電壓，進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能，并可實現(xiàn)弱網(wǎng)接入、并離網(wǎng)無縫切換等功能。
圖9基于傳統(tǒng)發(fā)電機和儲能系統(tǒng)的調(diào)頻曲線對比
4.3構(gòu)建智慧微網(wǎng)系統(tǒng)，為偏遠(yuǎn)無電區(qū)提供清潔能源
光儲系統(tǒng)可以構(gòu)建智慧微電網(wǎng)，既可以和大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行，也可以離網(wǎng)運行，進(jìn)一步提高了區(qū)域供電的安全性和穩(wěn)定性，還可以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題。國外研究數(shù)據(jù)表明，對于戶用系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性而言，如果每一家安裝了5千瓦時的儲能電池，可以將風(fēng)險降到最低，臨界重要負(fù)荷中斷的平均持續(xù)時間（SAIDI）、平均每位用戶的中斷次數(shù)(SAIFI)、未供電的重要負(fù)荷量（UCL）三項指標(biāo)幾乎為0。
5結(jié)束語
光伏系統(tǒng)的周期性、隨機性和間歇性的特點，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了一定的挑戰(zhàn)。特別是隨著滲透率的不斷加大，挑戰(zhàn)也在不斷提高。逆變器作為光伏系統(tǒng)連接電網(wǎng)的接口，其并網(wǎng)性能對系統(tǒng)安全運行十分重要，需要不斷地通過技術(shù)創(chuàng)新，提高光伏系統(tǒng)并網(wǎng)友好性。儲能技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，可有效的解決限電問題、平滑輸出，并能配合電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰、調(diào)頻，改善電網(wǎng)性能，對新能源并網(wǎng)起到了促進(jìn)作用。
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