光伏发电并网技术面临的挑战及解决方案
作者： 张显立
1、前言
太阳能作为替代能源，应用越来越广泛，预计到2020年，国内光伏装机容量将达到150GW，平均每年以20GW的装机容量递增。到2030年，装机容量有望达到400GW。光伏发电受自然条件影响，具有间歇性、随机性、周期性特点。随着装机量的不断增大，渗透率的不断提高，光伏系统并网性能的要求越来越高。大量分布式光伏接入配电网，对配电网安全运行也将产生一定的影响。因此，作为光伏系统与电网的接口，逆变器具有十分重要的作用，将直接影响光伏系统的并网性能。
2光伏电站并网面临的挑战
在电网出现扰动故障时，光伏电站需保持并网运行，并为电网提供支撑，保证系统的稳定运行，以防止事故进一步扩大，造成大面积的停电。相关标准也明确要求大中型光伏电站应具备一定的耐受电网频率和电压异常的能力，能够为保持电网稳定性提供支撑。图1(a)所示光伏电站低电压穿越能力要求，当并网点电压跌至0时，光伏电站应能不脱网连续运行0.15s，当并网点电压跌至曲线1以下时，光伏电站可从电网切出。图1(b)所示电站高电压穿越能力要求，当并网点电压为额定电压的1.2~1.3倍时，光伏电站应能不脱网连续运行0.5s，当并网点电压为额定电压的1.1~1.2倍时，光伏电站应能不脱网连续运行10s。
图1光伏电站故障穿越能力要求
挑战二：功率调度，电压频率调节要求越来越高
光伏装机容量占一次能源的比例越来越高，调度的重要性日益突出。目前青海、甘肃等新能源装机量大的地区已明确要求光伏系统需具备调度能力，并且响应时间也有明确要求。目前国内调度方式主要是调度主站将调度指令下发至电站AGC/AVC，然后AGC/AVC通过通讯方式下发至逆变器。调度性能一方面取决于电站监控系统接受调度指令后下发至逆变器速度，另一方面取决于逆变器功率调度模式和自身响应速度。国外如德国中压并网标准BDEW已规定逆变器需要根据电网电压和频率变化自动调节逆变器输出无功和有功，对逆变器提出了更高要求。不同的逆变器方案和通讯方案对调度的快速性、稳定性也将产生影响。
光伏电站接入电网环境千差万别，部分末端电网相对较弱，电压波动明显，电能质量差。光伏系统并网甚至出现谐振脱网的现象。如图2所示的西北某大型电站，采用了多台组串式逆变器并网方案，由于设备数量多，电网弱，光伏输出阻抗与电网阻抗严重不匹配导致谐振，引起大面积脱网事故。无奈之下只有通过增加额外的无功补偿装置以增强对电网的支撑，并逐个修改了每台逆变器的控制软件。脱网不仅造成了发电量损失，而且增加了设备投资。
在国家政策大力支持背景下，分布式系统得到了快速发展和建设，系统中无功需求以及功率因数控制的问题也突显。由于目前分布式的电价政策鼓励自发自用、余量上网，光伏系统并网点必然是在产权分界点以下。光伏发电自用导致产权分界点的有功减少，产权分界点的无功基本不变，最终导致并网点功率因数急速下降。图3所示为某工厂装设5MW屋顶电站后厂区产权分界点的功率因数，月度功率因数仅为0.509，远低于电力公司规定的0.9的要求，造成的无功罚款超过光伏发电的收益。
图3某5MW屋顶分布式电站产权分界点功率因数统计趋势
此外，扶贫项目发展，光伏系统在农村电网建设。农村地区电网相对较弱，光伏并网后，可能会出现三相不平衡，电网波动剧烈等异常情况，部分地区需要对原有电网进行改造，给光伏电站建设带来了挑战。
挑战四：渗透率不断加大，将对电网稳定运行产生一定的影响
渗透率是指光伏系统的交流容量与峰值负荷的比值。研究发现，光伏发电最高渗透率一般不超过25%-50%，否则电网可能会出现电压升高、由云层变化引起的电压波动、由低电压和频率波动引起的大范围脱网等问题。分布式电源配电网并网国家标准也规定'接入电网的分布式电源装机容量不宜超过上一级变压器供电区域内最大允许负荷的25%'。据统计我国西部部分地区2014年光伏加风电装机容量占电力总装机容量比例超过了30%。在分布式光伏系统中，很多光伏系统容量甚至超过了峰值负荷的60%以上。国外对渗透率也做了很多研究工作，例如美国加州独立系统运营商2010年完成了基于可再生能源渗透率为20%的研究，2020年将完成33%的研究。
3优越并网性能的逆变器确保光伏系统接入友好
逆变器作为光伏组件和电网之间的桥梁，将光伏组件产生的直流电转换成交流电后馈入电网，其性能和可靠性对光伏电站发电的电能品质和投资者收益起到决定性作用。
3.1逆变器需具备良好的电网故障穿越能力
光伏电站需具备一定的故障穿越能力，如零电压穿越、低电压穿越以及高电压穿越。光伏逆变器接入电网须通过第三方机构的故障穿越能力检测，旨在保障电网出现故障时逆变器可提供一定支撑，避免事故扩大。但单台逆变器通过低穿试验，并不能代表实际电站采用该型号逆变器仍具有相同出色的低穿能力。在对电站进行现场低电压穿越检测时，仍会出现部分厂家的逆变器脱网现象。
2013年6月20日至21日，国网青海电力公司、中国电科院、青海电力公司等单位联合进行了一次真实的低电压穿越验证试验，检测了不同类型光伏逆变器12种，以及多种SVG和SVC无功补偿装置，基本涵盖了国内现已安装的主流型号光伏逆变器和无功补偿装置。测试结果：仅仅一个逆变器厂家的产品没有出现脱网情况。另外多个品牌逆变器均不同程度的出现脱网情况，少则几台，多则几十台。
3.2逆变器具备SVG功能，改善并网点功率因数
逆变器自身具备无功调节的能力，除了可以通过响应调度指令发出无功外，逆变器还可以根据电网电压按照一定比例自动调节无功。逆变器的功率因数一般在-0.9~+0.9之间连续可调，这意味着500kW的逆变器，在输出500kW有功的同时,可以发出242kVar的容性或感性无功，满足目前电站要求配置15~30%容量SVG的要求，且逆变器无功输出响应时间在30ms以内。因此，在大型光伏电站，完全可以利用逆变器替代SVG，减少系统初始投资，改善无功调节性能，还可以减少额外增加SVG装置带来的功率损耗。
分布式电站并入用户配电网，使得用户从电网汲取的有功降低，而负荷无功是固定的，导致用户总进线关口表计量的功率因数下降，造成无功罚款。通过逆变器自身具备SVG功能，配合智能有功无功调节装置，完成系统动态功率因数控制，可以减少分布式项目的SVG投资，系统结构如图4。
图4分布式电站无功补偿系统方案
智能有功无功调节装置获取到产权分界点的有功功率P、无功功率Q和功率因数等信息，实时给逆变器下发无功给定值，使逆变器输出无功，保证产权分界点功率因数满足电力公司要求。某工厂5MW屋顶分布式电站无控制时月度功率因数为0.509，增设智能有功无功调节装置，利用逆变器进行无功补偿后月度功率因数达到了0.972，如图5所示。
图5某5MW屋顶分布式电站产权分界点无功补偿前后功率因数对比
3.3逆变器需具备良好的响应调度能力
光伏电站需接受AGC/AVC的调度指令，进行有功无功输出，响应时间一般为几秒到十几秒。为了增加电站并网友好性，逆变器自身应可以根据电网电压自动补偿无功，根据电网频率自动调节有功。逆变器可根据电网电压按照图6所示的运行曲线输出无功，保证电网电压在规定范围内。
图6国内某厂家逆变器Q-U运行曲线
光伏电站类型日趋多样化，大型地面、山丘、屋顶、渔塘、农业大棚等广泛用于光伏电站建设，逆变器选型时不仅需要考虑不同类型电站的特点差异，还应确保电站并网的友好，设备数量越多，相互之间协调越困难，调度闭环响应速度慢，系统风险越大。对于大型地面电站、工业屋顶、渔光互补等电站，采用集中式逆变器设备数量少，电网接入更友好、无谐振风险，是首选方案。而对于复杂屋顶、复杂山丘、农光互补等存在严重朝向和遮挡问题的电站，可选用组串式逆变器，但需关注逆变器的并网特性。
4储能在光伏系统中的应用
光伏系统发电受自然条件影响，具有间歇性、随机性、周期性等特点，采用储能技术可以保证光伏系统平滑并网，提高电能品质，使得光伏系统更友好并网。同时储能技术还可以解决目前光伏系统并网中遇到的限电等问题。
4.1平滑光伏系统输出，解决弃光问题
通过在光伏系统中配置一定容量的储能，可有效抑制光伏系统的波动问题，平滑光伏系统输出，改善并网特性，如图7所示。限电问题一直是我国西部大型电站的痛点，电网建设速度赶不上新能源发展的速度，地方消纳不足，导致大量的弃光弃风现象。据统计仅甘肃省2015年上半年的弃光率接近30%，给投资者造成了巨大的经济损失。储能系统可在限电期间将光伏多余电力储存起来，在光伏电力不足时将电力释放出来，减少弃光，有效解决光伏限发问题，保证系统投资收益，如图8。
图7储能系统平滑光伏输出图 8储能系统解决光伏限发
4.2通过储能增强系统调频调峰能力，提高稳定性
传统的调峰机组响应时间长大几分钟，光伏发电渗透率增大后，原有备用机组容量不够和响应速度慢的问题日益凸显。据权威机构计算，储能系统调峰比一般的燃气机组相比价格低，且储能系统的响应时间一般毫秒级，可有效增强系统的调峰能力。
新能源的渗透率提高，对系统调频要求也越高，尤其是在系统出现频率波动同时，新能源又发生了功率波动，双重故障会导致灾难性的脱网事故。通过配置储能系统在频率出现偏差时进行快速功率汲取或释放，保证系统频率稳定，如图9。储能逆变器采用的虚拟同步发电机控制新技术，通过下垂控制和转动惯量稳定频率和电压，进一步改善系统性能，并可实现弱网接入、并离网无缝切换等功能。
图9基于传统发电机和储能系统的调频曲线对比
光储系统可以构建智慧微电网，既可以和大电网联网运行，也可以离网运行，进一步提高了区域供电的安全性和稳定性，还可以解决偏远地区的供电问题。国外研究数据表明，对于户用系统供电的稳定性而言，如果每一家安装了5千瓦时的储能电池，可以将风险降到最低，临界重要负荷中断的平均持续时间（SAIDI）、平均每位用户的中断次数(SAIFI)、未供电的重要负荷量（UCL）三项指标几乎为0。
5结束语
光伏系统的周期性、随机性和间歇性的特点，给电网的安全稳定运行带来了一定的挑战。特别是随着渗透率的不断加大，挑战也在不断提高。逆变器作为光伏系统连接电网的接口，其并网性能对系统安全运行十分重要，需要不断地通过技术创新，提高光伏系统并网友好性。储能技术不断发展进步，可有效的解决限电问题、平滑输出，并能配合电网进行调峰、调频，改善电网性能，对新能源并网起到了促进作用。
