光伏发电并网对电网稳定性影响分析

摘要：本研究针对光伏发电并网对电网稳定性的影响进行了深入分析，揭示了电压波动、频率偏差及电能质量下降等问题。为提升电网稳定性，提出了优化光伏并网技术、应用智能电网技术、合理规划光伏电站、优化电网结构及应用储能技术等策略。实施这些策略能有效降低光伏发电并网对电网的负面影响，提高电网接纳和消纳光伏发电的能力，确保电网安全稳定运行，为光伏发电产业的可持续发展提供有力支撑。

关键词：光伏发电并网；电网稳定性；应对策略

1.引言

在全球能源需求攀升及环境问题严峻的背景下，传统化石能源储量有限且燃烧排放有害气体，引发一系列严重环境问题。太阳能作为一种清洁、可再生的能源，具有巨大潜力。光伏发电并网技术能将太阳能转化为电能，实现电力传输和分配。近年来，光伏发电并网在全球范围内迅猛发展，许多国家出台政策扶持。然而，光伏发电具有随机性、间歇性和不可调度性等特点，大规模接入电网后会对电网稳定性产生多方面影响，如电压波动、频率偏移等。

2.光伏发电并网对电网稳定性的影响

2.1光伏发电原理与系统组成

光伏发电基于半导体材料的光电效应，通过P-N结将光能转化为电能。单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池各具优势，满足不同应用需求。光伏发电系统由太阳能电池板、控制器、逆变器、蓄电池（可选）及辅助设备构成，各部分协同工作，实现高效稳定的电力供应。集中式并网和分布式并网是光伏发电的两种主要并网方式。集中式并网适合大规模应用，能显著降低建设成本，提高发电效率，但存在输电损耗大、对电网稳定性要求高等问题。分布式并网则利用建筑物闲置空间，实现就地开发和利用太阳能，减少电力传输损耗，提高能源利用的灵活性和可靠性，但面临电网监测管理难度大、影响电能质量及调度控制困难等挑战。

2.2对电网电压稳定性的影响

光伏发电受自然因素影响显著，具有间歇性和波动性，当光照强度快速变化时，会导致电网电压波动与闪变，影响敏感用电设备和电网稳定运行。电压波动与闪变的频率和严重程度与光伏电站装机容量及接入点电网短路容量密切相关。此外，分布式光伏接入位置的不同会导致电网电压分布不均，影响电力设备正常运行、缩短使用寿命，甚至引发继电保护装置误动作，威胁电网安全。为改善电压分布不均，需合理规划光伏电站接入位置和容量，采用无功补偿装置和自动电压调节设备，并加强监控和管理。

2.3对电网频率稳定性的影响

光伏发电的功率波动显著，受气象条件影响大，易引发电网频率偏差。在某50MW光伏电站案例中，云层覆盖导致功率急剧下降62.5%，使电网频率在5分钟内偏差0.2Hz，超出允许范围[1]，影响工业设备和家用电器正常运行，甚至导致继电保护装置误动作，造成停电事故。此外，大规模光伏发电接入电网，使有功功率平衡复杂化，挑战传统同步发电机的调频能力。在极端天气下，若光伏电站功率大幅下降，同步发电机可能无法迅速弥补功率缺口，导致电网频率急剧下降，影响安全稳定运行。光伏发电的随机性和不确定性也使电网频率变化规律复杂难测，增加了调度难度。

2.4 对电能质量的影响

光伏发电系统中的逆变器，因其高频开关动作的非线性特性，易导致输出的交流电含有谐波成分，注入电网后会引发电能质量问题。某3MW分布式光伏电站案例显示，其接入的10kV配电网在光伏电站满功率运行时，5次和7次谐波电流含量超标，导致电压波形畸变，影响变压器、电动机等电力设备性能，缩短使用寿命，同时干扰继电保护装置和自动控制设备，导致误动作或拒动作，造成停电事故。为治理谐波污染，可采取先进谐波抑制技术、安装滤波器、合理规划光伏电站接入位置和容量等措施。

2.5 孤岛效应的影响与危害

孤岛效应是指光伏发电系统在电网停电时未能及时检测到，继续向局部停电区域供电，形成自给自足的供电孤岛。其产生需满足特定条件，即光伏发电系统输出功率与孤岛内负载功率相匹配或大于负载功率。某2MW分布式光伏发电系统因区域内重要负载与光伏输出功率相近，在电网停电时形成了孤岛，持续为负载供电。然而，孤岛检测装置可能存在局限性，导致检测延迟或误判，增加了孤岛效应的风险。孤岛效应对电力系统安全运行和人员设备安全构成严重威胁。一方面，它威胁电力维修人员的人身安全，因为在孤岛区域内线路和设备可能仍然带电，维修人员易触电受伤。另一方面，孤岛效应可能导致电力设备损坏，因电压和频率不稳定而损坏设备绝缘或使电动机等设备无法正常运行。

3.提升电网稳定性的应对策略

3.1 优化光伏并网技术

逆变器控制技术的改进对提升电网稳定性至关重要。多电平逆变技术通过增加电平数量，使输出电压波形更接近正弦波，有效降低谐波含量，提高逆变器可靠性和效率。脉宽调制（PWM）技术的优化则通过高频PWM调制减少谐波，需平衡开关频率与开关损耗。直接电流控制（DCC）及虚拟阻抗控制（VIC）技术的改进，增强了逆变器功率调节能力和稳定性，快速响应功率变化，维持电网电压稳定。此外，智能电网技术的应用显著提升了电网对光伏发电并网的适应性。实时监测功能通过高精度传感器和先进通信技术，实时采集电网关键电气参数，及时发现异常情况。

3.2 合理规划与布局

光伏电站的选址与容量规划需综合考虑太阳能资源丰富程度、土地资源适宜性、电网接入条件及地区能源发展规划。选址时应优先选择年日照时数长、太阳辐射强度高的地区，如我国西部，同时确保土地平坦开阔、适宜建设，并尽量靠近现有电网，以减少输电损耗并确保电网安全稳定运行。容量规划则需根据电网负荷特性和消纳能力，合理确定光伏电站装机容量，避免电力过剩或不足。此外，还需结合地区能源发展战略和政策导向，确保光伏电站建设符合整体能源布局。优化电网结构是提升电网对光伏发电并网适应性和稳定性的关键。这包括电网升级改造，如提升变电站设备容量和输电线路扩容，以适应光伏发电大规模接入；增强网架结构，如增加输电线路回路数，构建多回路输电网络和环网结构，提高电网稳定性和可靠性；合理配置无功补偿设备，如电容器和电抗器，以调节电网无功功率，维持电压稳定。

3.3 储能技术的应用

储能技术在提升电网稳定性中扮演着核心角色，其类型多样，各具特色。蓄电池储能系统，如铅酸、锂离子和钠硫蓄电池，广泛应用于不同领域，各有优缺点，如铅酸蓄电池成本低但能量密度低，锂离子蓄电池能量密度高但成本和安全性挑战大，钠硫蓄电池能量密度和响应速度快但安全防护要求高。超级电容器储能系统则以高功率密度和长寿命著称，适用于瞬态功率需求场景，如电网频率平稳和电压波动应对，但能量密度低限制了其长时间供电能力。抽水蓄能系统利用水库高差储存和释放能量，适用于大规模、长时间储能需求，但建设成本高且受地理条件限制。压缩空气储能系统则通过压缩和储存空气实现电能储存，适用于中大规模储能，但整体效率相对较低且需降噪减振措施。

4.结束语

本研究深入剖析了光伏发电并网对电网稳定性的影响，发现其导致电压波动、频率偏差、电能质量下降及孤岛效应等问题。为应对这些挑战，本研究提出优化光伏并网技术，采用多电平逆变和优化PWM技术降低谐波，改进DCC和VIC技术提高逆变器性能；应用智能电网技术，实时监测调度，利用大数据预测故障；合理规划光伏电站选址与容量，优化电网结构，增强稳定性，合理配置无功补偿设备[2]；以及应用储能技术平滑功率波动，调节电压频率。实施这些策略能有效降低光伏发电并网对电网稳定性的负面影响，提高电网接纳和消纳能力，确保电网安全稳定运行，为光伏发电产业可持续发展提供坚实支撑。

参考文献：

[1] 分布式光伏并网对配电网的影响及对策研究[J]. 李根.光源与照明，2024（04）

[2]大规模分布式光伏并网后对电力系统的影响[J]. 张佳.光源与照明，2023（10）