作者： 張顯立

陽(yáng)光電源 光伏解決方案部總監(jiān)

       1、前言

　　太陽(yáng)能作為替代能源，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，預(yù)計(jì)到2020年，國(guó)內(nèi)光伏裝機(jī)容量將達(dá)到150GW，平均每年以20GW的裝機(jī)容量遞增。到2030年，裝機(jī)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(jī)性、周期性特點(diǎn)。隨著裝機(jī)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(lái)越高。大量分布式光伏接入配電網(wǎng)，對(duì)配電網(wǎng)安全運(yùn)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(shí)，光伏電站需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)保持并網(wǎng)運(yùn)行

　　在電網(wǎng)出現(xiàn)擾動(dòng)故障時(shí)，光伏電站需保持并網(wǎng)運(yùn)行，并為電網(wǎng)提供支撐，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，以防止事故進(jìn)一步擴(kuò)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?yàn)楸３蛛娋W(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(diǎn)電壓跌至0時(shí)，光伏電站應(yīng)能不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行0.15s，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至曲線1以下時(shí)，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(diǎn)電壓為額定電壓的1.2~1.3倍時(shí)，光伏電站應(yīng)能不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行0.5s，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓為額定電壓的1.1~1.2倍時(shí)，光伏電站應(yīng)能不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行10s。

圖1光伏電站故障穿越能力要求

　　挑戰(zhàn)二：功率調(diào)度，電壓頻率調(diào)節(jié)要求越來(lái)越高

　　光伏裝機(jī)容量占一次能源的比例越來(lái)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(jī)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(shí)間也有明確要求。目前國(guó)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(guò)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(guó)外如德國(guó)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(dòng)調(diào)節(jié)逆變器輸出無(wú)功和有功，對(duì)逆變器提出了更高要求。不同的逆變器方案和通訊方案對(duì)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(dòng)、功率因數(shù)低等問(wèn)題突出

　　光伏電站接入電網(wǎng)環(huán)境千差萬(wàn)別，部分末端電網(wǎng)相對(duì)較弱，電壓波動(dòng)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(tái)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(wú)奈之下只有通過(guò)增加額外的無(wú)功補(bǔ)償裝置以增強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)的支撐，并逐個(gè)修改了每臺(tái)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。

圖2某電站現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的諧振波形

　　在國(guó)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(wú)功需求以及功率因數(shù)控制的問(wèn)題也突顯。由于目前分布式的電價(jià)政策鼓勵(lì)自發(fā)自用、余量上網(wǎng)，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)必然是在產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)以下。光伏發(fā)電自用導(dǎo)致產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)的有功減少，產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)的無(wú)功基本不變，最終導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)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(diǎn)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(wú)功罰款超過(guò)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(diǎn)功率因數(shù)統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)

　　此外，扶貧項(xiàng)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(duì)較弱，光伏并網(wǎng)后，可能會(huì)出現(xiàn)三相不平衡，電網(wǎng)波動(dòng)劇烈等異常情況，部分地區(qū)需要對(duì)原有電網(wǎng)進(jìn)行改造，給光伏電站建設(shè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

　　挑戰(zhàn)四：滲透率不斷加大，將對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)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(guò)25%-50%，否則電網(wǎng)可能會(huì)出現(xiàn)電壓升高、由云層變化引起的電壓波動(dòng)、由低電壓和頻率波動(dòng)引起的大范圍脫網(wǎng)等問(wèn)題。分布式電源配電網(wǎng)并網(wǎng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定'接入電網(wǎng)的分布式電源裝機(jī)容量不宜超過(guò)上一級(jí)變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大允許負(fù)荷的25%'。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)西部部分地區(qū)2014年光伏加風(fēng)電裝機(jī)容量占電力總裝機(jī)容量比例超過(guò)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(guò)了峰值負(fù)荷的60%以上。國(guó)外對(duì)滲透率也做了很多研究工作，例如美國(guó)加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)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(duì)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(guò)第三方機(jī)構(gòu)的故障穿越能力檢測(cè)，旨在保障電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)逆變器可提供一定支撐，避免事故擴(kuò)大。但單臺(tái)逆變器通過(guò)低穿試驗(yàn)，并不能代表實(shí)際電站采用該型號(hào)逆變器仍具有相同出色的低穿能力。在對(duì)電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)低電壓穿越檢測(cè)時(shí)，仍會(huì)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(guó)網(wǎng)青海電力公司、中國(guó)電科院、青海電力公司等單位聯(lián)合進(jìn)行了一次真實(shí)的低電壓穿越驗(yàn)證試驗(yàn)，檢測(cè)了不同類型光伏逆變器12種，以及多種SVG和SVC無(wú)功補(bǔ)償裝置，基本涵蓋了國(guó)內(nèi)現(xiàn)已安裝的主流型號(hào)光伏逆變器和無(wú)功補(bǔ)償裝置。測(cè)試結(jié)果：僅僅一個(gè)逆變器廠家的產(chǎn)品沒有出現(xiàn)脫網(wǎng)情況。另外多個(gè)品牌逆變器均不同程度的出現(xiàn)脫網(wǎng)情況，少則幾臺(tái)，多則幾十臺(tái)。

　　3.2逆變器具備SVG功能，改善并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)

　　逆變器自身具備無(wú)功調(diào)節(jié)的能力，除了可以通過(guò)響應(yīng)調(diào)度指令發(fā)出無(wú)功外，逆變器還可以根據(jù)電網(wǎng)電壓按照一定比例自動(dòng)調(diào)節(jié)無(wú)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(shí),可以發(fā)出242kVar的容性或感性無(wú)功，滿足目前電站要求配置15~30%容量SVG的要求，且逆變器無(wú)功輸出響應(yīng)時(shí)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(wú)功調(diào)節(jié)性能，還可以減少額外增加SVG裝置帶來(lái)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(wú)功是固定的，導(dǎo)致用戶總進(jìn)線關(guān)口表計(jì)量的功率因數(shù)下降，造成無(wú)功罰款。通過(guò)逆變器自身具備SVG功能，配合智能有功無(wú)功調(diào)節(jié)裝置，完成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功率因數(shù)控制，可以減少分布式項(xiàng)目的SVG投資，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4分布式電站無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)方案

　　智能有功無(wú)功調(diào)節(jié)裝置獲取到產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)的有功功率P、無(wú)功功率Q和功率因數(shù)等信息，實(shí)時(shí)給逆變器下發(fā)無(wú)功給定值，使逆變器輸出無(wú)功，保證產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)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(wú)控制時(shí)月度功率因數(shù)為0.509，增設(shè)智能有功無(wú)功調(diào)節(jié)裝置，利用逆變器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)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(diǎn)無(wú)功補(bǔ)償前后功率因數(shù)對(duì)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(wú)功輸出，響應(yīng)時(shí)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(dòng)補(bǔ)償無(wú)功，根據(jù)電網(wǎng)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)有功。逆變器可根據(jù)電網(wǎng)電壓按照?qǐng)D6所示的運(yùn)行曲線輸出無(wú)功，保證電網(wǎng)電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。

圖6國(guó)內(nèi)某廠家逆變器Q-U運(yùn)行曲線

　　3.4不同場(chǎng)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(shí)不僅需要考慮不同類型電站的特點(diǎn)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(xiǎn)越大。對(duì)于大型地面電站、工業(yè)屋頂、漁光互補(bǔ)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(wú)諧振風(fēng)險(xiǎn)，是首選方案。而對(duì)于復(fù)雜屋頂、復(fù)雜山丘、農(nóng)光互補(bǔ)等存在嚴(yán)重朝向和遮擋問(wèn)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(chǔ)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(jī)性、周期性等特點(diǎn)，采用儲(chǔ)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(shí)儲(chǔ)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(wèn)題。

　　4.1平滑光伏系統(tǒng)輸出，解決棄光問(wèn)題

　　通過(guò)在光伏系統(tǒng)中配置一定容量的儲(chǔ)能，可有效抑制光伏系統(tǒng)的波動(dòng)問(wèn)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(wèn)題一直是我國(guó)西部大型電站的痛點(diǎn)，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(jì)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(jì)損失。儲(chǔ)能系統(tǒng)可在限電期間將光伏多余電力儲(chǔ)存起來(lái)，在光伏電力不足時(shí)將電力釋放出來(lái)，減少棄光，有效解決光伏限發(fā)問(wèn)題，保證系統(tǒng)投資收益，如圖8。

圖7儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑光伏輸出圖               8儲(chǔ)能系統(tǒng)解決光伏限發(fā)

　　4.2通過(guò)儲(chǔ)能增強(qiáng)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(jī)組響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)大幾分鐘，光伏發(fā)電滲透率增大后，原有備用機(jī)組容量不夠和響應(yīng)速度慢的問(wèn)題日益凸顯。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)計(jì)算，儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)峰比一般的燃?xì)鈾C(jī)組相比價(jià)格低，且儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間一般毫秒級(jí)，可有效增強(qiáng)系統(tǒng)的調(diào)峰能力。

　　新能源的滲透率提高，對(duì)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(dòng)同時(shí)，新能源又發(fā)生了功率波動(dòng)，雙重故障會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的脫網(wǎng)事故。通過(guò)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)在頻率出現(xiàn)偏差時(shí)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(chǔ)能逆變器采用的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制新技術(shù)，通過(guò)下垂控制和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量穩(wěn)定頻率和電壓，進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能，并可實(shí)現(xiàn)弱網(wǎng)接入、并離網(wǎng)無(wú)縫切換等功能。

圖9基于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻曲線對(duì)比

　　4.3構(gòu)建智慧微網(wǎng)系統(tǒng)，為偏遠(yuǎn)無(wú)電區(qū)提供清潔能源

　　光儲(chǔ)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(yùn)行，也可以離網(wǎng)運(yùn)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(wèn)題。國(guó)外研究數(shù)據(jù)表明，對(duì)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(shí)的儲(chǔ)能電池，可以將風(fēng)險(xiǎn)降到最低，臨界重要負(fù)荷中斷的平均持續(xù)時(shí)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(xiàng)指標(biāo)幾乎為0。

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　光伏系統(tǒng)的周期性、隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)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(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行十分重要，需要不斷地通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，提高光伏系統(tǒng)并網(wǎng)友好性。儲(chǔ)能技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，可有效的解決限電問(wèn)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(duì)新能源并網(wǎng)起到了促進(jìn)作用。