光伏发电系统对电力调控的影响
中国属于具备高太阳能资源的国家, 这使得国内具备了全力发展光伏发电系统的基础条件。就目前而言, 随国家在2018～2019年持续出台对环境治理及维护的有关政策, 环境整改治理将是未来社会持续健康发展中政府着重注意和出力的区域, 此外在2018年全国用电量已突破两万亿千瓦大关, 同比增长了9.3%。
环境整治战略加强, 政策实施加快, 同时电器行业快速地发展, 社会用电量激增, 这两个社会因素的共同发力促使大众对发电系统提出了更高的要求。这种情况下, 资源广泛、没污染的光伏发电崛起并成为社会主流发电系统慢慢的变成了一种不可逆的趋势。
2018年6月国家能源局发布《关于2018年光伏发电有关事项的通知》, 先后提到十八大和十九大中的能源新战略问题, 强调“清洁能源产业”将是未来的战略发展趋势。而在清洁能源产业中应用度最广、代表性最强的光伏发电成为《通知》着重提及的产业高质量发展对象[1]。
中国是全球最大的光伏发电应用市场, 国内的新增装机已保持五年世界第一, 而光伏发电建设速度还在一直上升, 2017年国内的光伏发电装机容量为1.3亿千瓦, 2018年上升到1.4亿千瓦, 光伏发电的应用市场正在以肉眼可见的速度迅速扩大, 但伴随光伏技术应用而来的诸多问题也开始逐渐显现。
光伏发电系统是一种直接将光能转换为电能的发电体系, 它依靠半导体的光电效应, 将太阳能资源直接变为电力应用到生活中, 因为不需要经过发热的过程, 因此光伏发电的纯洁度非常高, 不会像煤炭发电等发电体系一样造成环境污染。
在光伏发电系统中, 太阳能电池板会直接发出直接应用于直流负荷的直流电, 这种直流电也可经过逆变处理转为交流电, 接入电网。不同的发电系统的特点、特征也各不一样。主要的发电系统有独立运行 。
三种光伏发电系统中以并网运行系统和混合型系统的功效最大, 但同时也都会为电网带来一定的电力调控影响, 这两种系统也将是需要着重探讨和分析的对象[2]。
光伏发电系统本身是依靠太阳能资源产生电能, 日照越充足产生的电能才越多, 基于这一运行特点, 国内很多光伏发电系统在建立之时大部分会选择海拔高、日光足的地方, 比如像戈壁滩或者沙漠等处, 或是其他人烟稀少的“无人区”。这些地段由于位置偏僻, 电能的需求量少, 相应的电系统负荷也不需要太高, 因此也使得国内的光伏发电系统存在一个常见现象, 就是以光伏发电系统供电的电网其短路容量很低。
因为光伏发电系统要日光充足的地方, 而其产生的电能都需要用远距离高压输送到千家万户, 在这一运送过程中, 电能就有几率发生随机波动, 对于电网运行的无功平衡影响很大, 因为随机波动的有功出力会穿越近区电网和长距离的输电通道, 从而对无功平衡产生冲击, 使得电网的整体平衡性都受到影响。
国家此前的主力发电方式是火电, 也就是煤炭等燃烧物发电, 火电因污染等问题在未来的发电系统中正逐渐被边缘化, 但光伏发电要想完全取代火力发电还存在很大的缺陷。火电虽然对环境的污染巨大, 但在其功率的输出上具有光伏发电所不具备的稳定性和可预测性。相较之下, 光伏发电依赖光照, 因此季节、空气温湿度、天气等外因都会对其产能带来影响, 所以光伏发电充满很强的随机性和不可控性。也正是这层不可控性, 使得光伏发电系统的运行稳定性受到了极大的阻碍, 这也增加了以光伏发电系统发电的电站在制定发电计划以及实施时的难度[3]。在国家能源局的《2018年光伏发电通知》公布之后, 未来的光伏发电应用数量和应用场景范围还会持续增高, 而这样一来, 供电公司的电力调控难度还会走向越来越困难的状态。
光伏发电并网运行系统让光伏电网的潮流具有了双向性, 而随之而来的是电网故障时短路电流的改变, 不管是大小、方向还是分布, 这一些因素都成为了不确定性。也因此装设继电保护设施成为光伏发电系统中一道必不可少的工序, 这是为防止出现电网故障后整个电网系统出现失稳和反送电的情况。
通常而言, 继电保护设施对于整个电站有很大的保护作用, 能很好的保护电网避免故障冲击。然而, 在光伏发电并网运行系统中, 已并网的发电系统向大电网进行功率输入工作时, 就会造成原继电保护设施的保护区域缩减, 即继电保护设施无法在做到有效的保护电网避免故障冲击, 这样一来继电保护装置工作的灵敏性与可靠性就会大打折扣。
孤岛效应是指在电路上, 某个区域明明有电流通路但实际却没有电流通过的现象, 具体表现为电网已经失压, 但发电系统仍就对电网中的邻近部分线路进行供电。这就是电流系统中所谓的孤岛效应[4]。
在当前, 国家的光伏发电应用正在逐渐扩大, 并网光伏电站的数量正在增加。孤岛效应发生的概率也在随着电站的增多而增多。其不仅会对光伏发电站本身的设备带来极大的损害, 同时也会让大电网的损害逐步扩大为灾害事故。比如, 处于孤岛效应的电流通路虽没电流通过, 但本身还处于供电状态, 因此会对供电公司的现场检修人员造成极大人身安全风险隐患, 极容易引发人身财产损失。因此电网调控中心应当做好相关工作来保障电网的安全稳定运行。
光伏发电系统作为一种和火电、水电等电力系统迥异的发电系统, 在运营人员上和传统大型国有发电企业存在极大的不同, 其自身的需求具有相当程度的灵活性, 并会因此出现“量身订做”的情况, 即依据自己的需求对机组进行并、解列。另外, 光伏发电由于其自身发电原理所受自然条件的影响, 使其充满了随机性与不可控性, 让配电网侧的能力管理相较于传统火电、水电出现了很多的新难题, 同时也让调控中心的调控力度及实施难度猛增不降。此外, 在未来大型并网光伏发电站的数量只会慢慢的多, 其直接接入的电压等级也在提高, 电网调控的管理模式也会更加复杂化。
电能质量是电力系统运行管理中一块非常重要的区域, 既是电力企业社会信誉的象征, 也是自身竞争实力的体现。在两种光伏发电系统中, 并网运行系统对于电能质量的影响尤为突出。我们知道, 要检测电网的电能质量如何, 最直观、也最易见的方式是看它的电压、频率还有波形。相较之下, 光伏发电系统在这方面存在天然的缺陷性, 而这种缺陷性的产生和它自身的工作原理息息相关。
当光伏发电站并网时, 系统的容量就会增大, 因为接入的光伏发电机组系统数量与规模的不同, 原本的发电系统在自身的整体架构上出现了很大的改变, 对于电网的潮流分布控制开始变得更加困难。因为难度上的提高, 随之而来的就是一系列调控难点, 在并网光伏发电系统中, 有功和无功等功率上的变化都会对电网带来冲击, 而即使在发电系统内部, 其发电组件的启停也会对电力的输出造成极大的影响, 使其发生改变, 并最终使电能质量下降, 对用电客户的用电效果造成极大的影响[5]。
随着国家能源局《通知》发布, 新能源政策的迅速推动, 光伏发电所占比例在未来还会持续增高, 而随着大规模的光伏系统引入, 数量巨大的电力电子会直接使电力系统一些本来的运行模式发生极大的改变, 譬如在太阳光迅速变化时逆变器开关因为既定运行转换发生反应迟缓, 输出的准确性大幅度降低, 而如果在一些区域中的太阳光产生变化, 谐波的波动范围也会变大变宽, 更有甚者会出现波动叠加, 于是在直接留逆变交流电的过程中带来谐波污染等。
谐波污染是影响电能质量一个比较重要的问题, 国内外都曾进行过对应的研究, 国内如薛钧义、同向前等学者在2000年时就针对用户电量和谐波污染之间关联进行了专门的探究, 李凤祥2004年对如何消除电力谐波污染进行过分析和论述, 国外电力研究专家C·Muscas、S·Sulis等人在《Investigation on the accuracy of harmonic pollution metering techniques》中也探讨了关于电力谐波的问题[6]。
根据内外学者的共同研究可知, 电力的谐波和系统的逆变器运行有直接关联, 如果并网逆变器是单独运行的话, 输出的电流谐波就会很低, 反之则会很高。在社会科技和社会结构都迅速数字化的现阶段, 使用电力能源的科技设备慢慢的变多, 电器的功率也越来越大, 消耗电能增高, 使用时间增长, 这一系列问题也使得电力系统的运行负担增大, 谐波污染产生的可能性变高, 电能质量受一定的影响的几率也在持续增加。
供电公司是服务型企业, 负责提供充足稳定电力服务, 作为供电者有责任也有义务保障电网运行的安全与稳定, 保护新能源的健康发展与使用。光伏发电作为我国在未来主力推广的发电方式, 尽管还存在一定的问题, 但也具备很强的发展空间。保障光伏发电站与电网的安全运行, 解决因为光伏发电带给调控中心调控电力时的问题, 是电力行业在未来应着重考虑的问题。
光伏发电的优点是其作为清洁能源的独特性, 而缺点则是受环境、天气等因素影响而带来的巨大的不稳定性与不确定性。要解决这一问题, 电网机构的科学合理与否很关键。电网结构是不是符合当前能源发展的需要决定了光伏能源与电网之间的兼容状况, 因为在能源技术中, 电网是其介入的基础, 电网的坚强程度会和能源技术的介入状况产生最直接的关联。所以加强电力调控很重要的一个因素便是本地光伏发电的规模与分布情况的掌握, 如果调控部门能够合理的调整电网运行方式, 让继电保护可以展开合适的配合, 那么对于电网运行就能起到某些特定的程度的改进作用, 从而在运行上让光伏发电系统产生更好的供电能力, 让电力企业做好更好的供电服务。
相关行业还应积极对直流输电和柔流输电技术进行研究, 提升相应的供电效率, 加强光伏发电系统的短路功率与动态稳定, 针对这样一些方面一直在优化能源存储技术, 在光伏发电的发展之路更加健康安全的同时, 也让电网本身的运行能够趋于平稳。
光伏电网中存在很大的不可控性, 在调控难度上要比普通的火电或水电高许多, 因此在具体供电工作中, 加强调控规划和人员安排, 增强调控制度, 能加强光伏发电的管理力度。同时建立起对应的维修系统, 制定和光伏发电系统的工作原理相关的维修、维护措施, 也能让检修人员有效应对诸如孤岛效应等在光伏发电中较为常见的问题, 保障供电的稳定。
科学规划应是在光伏发电被大力推行和发展的同时并行做好的工作之一, 光伏发电系统因为自身原因在电能质量方面有很大的负面影响。而如果能就电网负荷、容量及结构部分做好充分调研, 就能在有效提升电能质量等方面的可承受范围, 在某些特定的程度上缓解因为“系统容量过大”等问题带来的影响。供电公司如能确定科学化的光伏发电装机容量, 做到统一调度、分级管理, 有关人员严格按照电网调控原则进行系统操作, 加强人为可控因素, 落实各级调度关系, 降低非故障情况下发生非计划性并、解列的行为, 那么在很大程度上能够降低谐波问题, 会对光伏变电站的电力调控产生维稳的效用。
光伏发电作为新能源和清洁能源, 是国家出于社会环保清洁考虑而在未来将要主力推行的能源产业。目前的光伏发电因自身工作原理、系统结构等问题, 在具体的使用投入中还没法做到十全十美。但在清洁能源受到重视的当下, 光伏发电系统也存在着极大的发展空间。在发电系统逐渐进步的将来, 其自身的电力调控问题一定能被有效解决, 让供电产能有效提升, 在电力时代中发挥出更大的作用。