光伏并网对电网自动化控制系统的影响分析

0 引 言

近年来，传统能源不仅存在能源紧缺问题，还带来了环境污染问题。全球能源结构转型势在必行，清洁能源正逐渐取代传统能源[1]。太阳能因节能减排、取之不尽的特性深受人们喜爱，未来我国将进一步扩大光伏发电的应用范围。同时，光伏出力的随机波动性影响电网的运行，主要集中在自动发电控制系统、自动电压控制系统及自动稳定控制系统等方面。因此，研究光伏并网对电网自动化控制系统意义重大。

1 光伏并网与自动发电控制系统

近年来，我国正大力推进新能源的普及，如太阳能、地热能、风能等非常规能源正逐渐代替煤炭、石油等传统能源。在众多新能源项目中，太阳能的应用最普遍，与扶贫、农业、环境等领域的结合也越来越紧密。在政策扶持和国内市场需求被激发的情况下，光伏发电产业增长迅猛[2]。随着市场需求的增长，光伏产业的发展模式趋于多元化。“渔光互补”“农光互补”“光伏扶贫”等发展模式的兴起，促使光伏产业生机勃勃。

同时，光伏发电出力具有明显的波动性和随机性，且随着太阳光照强度的变化，其大小随之变化。图1为某地区典型日的光伏出力曲线。首先需保证系统功率的动态平衡。系统中的负荷随时变化，故需配备自动发电控制系统应对负荷的不确定性。当系统中接入光伏电站后，光伏出力也具有不确定性，故需设置更多的旋转备用容量，以应对增大的系统不确定性，提高对自动发电控制系统的要求。

图1 光伏的典型出力曲线

由图1可知，光伏出力在白天太阳光照强度较高时段，出力较大；在夜间光照强度为零时，光伏出力为零。光伏出力显著的波动性给系统的自动发电控制系统（AGC）带来了一定挑战。系统保证稳定运行，

光伏并网后对系统旋转备用容量的影响，主要包括对系统的正旋转备用容量和负旋转备用容量的影响。当光伏出力较小时，系统中的常规机组需增大发电出力，满足系统的负荷需求[3]；当光伏出力较大时，系统中的常规机组需减小发电出力，保证系统功率时刻保持动态平衡。

系统的自动发电控制系统主要是调节系统的频率。电力系统的频率调整按照负荷变化的周期和幅值大小进行区别对待。针对不同的负荷变动分量，划分为一次调频、二次调频和三次调频，从而做到合理分配机组的调节功率，同时考虑系统运行的经济性和计划发电量等因素的影响[4]。一般而言，光伏并网后，需结合自动发电控制和安全约束经济调度构成闭环控制系统，实现稳定断面越限的预防和校正控制，给出系统的最优经济调度策略。

2 光伏并网与自动电压控制系统

我国光伏行业发展迅速，在高纯多晶硅原材料生产、太阳能电池生产、太阳能电池组件生产及相关生产设备制造等领域均处于领先地位。例如，拥有一流生产工艺和国际先机设备的展宇新能源股份有限公司，凭借自主生产的领先国际水平的多晶黑硅太阳能电池，成为全球规模最大、技术最先进的黑硅电池生产商。光伏发电需采用大量的电力电子装置，消耗大量的系统无功功率，故光伏并网对系统的电压和自动电压控制系统（AVC）有一定的影响[5]。光伏电站出力受太阳能资源的影响，具有规律性和波动性。

光伏发电的有功功率不断变化，无功功率也随之不断变化，而电压与系统的无功功率水平关系密切。当系统中的无功功率充裕时，系统应对电压冲击的能力强；当系统中的无功功率不足时，系统应对电压冲击的能力弱，易出现电压崩溃的现象。系统常采用的电压调整方式有并联电容器、调节有载变压器的分接头位置或者调整系统的运行方式。将负荷较重或电压调节压力较大地区的负荷转移到其他线路接收，有利于系统的电压调节。对于有大量光伏并网的地区，应配备足够的无功电源。当系统无功功率不足时，无功电源可快速响应，提高系统对电压的调节水平，进而保障系统的电压稳定。

在含光伏发电的经济调度或优化控制模型中，加入系统的节点电压约束；在满足系统节点电压正常的前提下，实现光伏的最优并网控制。只有当无功功率水平和电压水平均处于合理范围时，才可维持系统稳定运行。自动电压控制系统作用重大，尤其是当光伏大量并网时，更需发挥电压调节作用。

3 光伏并网与系统稳定控制系统

光伏发电是利用太阳能电池的光伏板接收太阳光能并转换为电能的一种技术，是国家鼓励推广的新能源发电项目。光伏扶贫政策在我国很多地区得到了很好落实，不管是集中式的大规模光伏电站还是装机容量较小的分布式光伏，光伏的总装机容量在不断扩大。由于光伏出力的波动性和不确定性，需设置更多的辅助服务以保证光伏并网后的系统稳定运行。式（1）为系统的功率平衡约束，光伏发电出力不断变化将影响系统的功率平衡，使系统有一定的稳定运行压力。

其中，PG,i和QG,i分别为系统中电源发出的有功功率和无功功率，包括常规机组和光伏发电机组；PD,i和QD,i分别为系统中负荷的有功功率需求和无功功率需求；NB为系统中的总节点数。

为保持系统运行稳定性，电网都配备了相应的稳定控制措施，包括负荷的批量控制和多轮负荷切除等系统稳定控制装置。当系统的稳定运行受到挑战时，系统会启动负荷控制策略。依据安装负荷的重要程度和负荷在电网中的分布情况，实现分轮次切除，以保证系统的稳定运行。当系统中的光伏发电占比较大时，由于光伏出力时大时小，对系统中的控制稳定装置的控制性能和控制策略的要求也较高。负荷切除后，可采用储能装置、多能互补等多处措施，满足系统的弃光电量不过高的要求。

为使我国未来光伏发电向高质量、高比例的方向发展，还需解决以下几方面问题。第一，大电网向智能化、高效化方向发展，逐渐实现可再生能源友好型，即提高有间歇性的太阳能发电的并网率。在高速双向通信技术的基础上，利用先进的传感和测量技术、控制方法及决策支持系统，实现电网的智能化。第二，做好国内的区域互联，强化清洁能源开发消纳，而微能源网是一个重要的发展方向。微能源网是能源互联网最核心的子单位，可通过能源存储和优化配置，实现本地能源生产与用能负荷的基本平衡，实现按需与公共电网的灵活互动。

4 结 论

与传统能源易造成环境污染且存在一定安全隐患不同，光伏发电以太阳能为原料，具有安全可靠、无噪声、无污染排放及绝对干净的优点，且很少受地域资源分布的限制。我国绝大多数地方都可很好地利用太阳能，因此光伏发电具有广阔的应用前景。光伏发电具有可持续性，在我国未来能源结构中的占比将进一步提高。通过处理好光伏并网对系统自动发电控制、自动电压控制和自动稳定控制的影响，将进一步扩大光伏并网的规模，实现光伏产业的良好发展。