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1、前言

　　太陽能作為替代能源，應用越來越廣泛，預計到2020年，國內光伏裝機容量將達到150GW，平均每年以20GW的裝機容量遞增。到2030年，裝機容量有望達到400GW。光伏發電受自然條件影響，具有間歇性、隨機性、周期性特點。隨著裝機量的不斷增大，滲透率的不斷提高，光伏系統並網性能的要求越來越高。大量分布式光伏接入配電網，對配電網安全運行也將產生壹定的影響。因此，作為光伏系統與電網的接口，逆變器具有十分重要的作用，將直接影響光伏系統的並網性能。

　　2光伏電站並網面臨的挑戰

　　挑戰壹：電網故障時，光伏電站需要在規定的時間內保持並網運行

　　在電網出現擾動故障時，光伏電站需保持並網運行，並為電網提供支撐，保證系統的穩定運行，以防止事故進壹步擴大，造成大面積的停電。相關標準也明確要求大中型光伏電站應具備壹定的耐受電網頻率和電壓異常的能力，能夠為保持電網穩定性提供支撐。圖1(a)所示光伏電站低電壓穿越能力要求，當並網點電壓跌至0時，光伏電站應能不脫網連續運行0.15s，當並網點電壓跌至曲線1以下時，光伏電站可從電網切出。圖1(b)所示電站高電壓穿越能力要求，當並網點電壓為額定電壓的1.2~1.3倍時，光伏電站應能不脫網連續運行0.5s，當並網點電壓為額定電壓的1.1~1.2倍時，光伏電站應能不脫網連續運行10s。

圖1光伏電站故障穿越能力要求

　　挑戰二：功率調度，電壓頻率調節要求越來越高

　　光伏裝機容量占壹次能源的比例越來越高，調度的重要性日益突出。目前青海、甘肅等新能源裝機量大的地區已明確要求光伏系統需具備調度能力，並且響應時間也有明確要求。目前國內調度方式主要是調度主站將調度指令下發至電站AGC/AVC，然後AGC/AVC通過通訊方式下發至逆變器。調度性能壹方面取決於電站監控系統接受調度指令後下發至逆變器速度，另壹方面取決於逆變器功率調度模式和自身響應速度。國外如德國中壓並網標準BDEW已規定逆變器需要根據電網電壓和頻率變化自動調節逆變器輸出無功和有功，對逆變器提出了更高要求。不同的逆變器方案和通訊方案對調度的快速性、穩定性也將產生影響。

　　挑戰三：諧振、電壓波動、功率因數低等問題突出

　　光伏電站接入電網環境千差萬別，部分末端電網相對較弱，電壓波動明顯，電能質量差。光伏系統並網甚至出現諧振脫網的現象。如圖2所示的西北某大型電站，采用了多臺組串式逆變器並網方案，由於設備數量多，電網弱，光伏輸出阻抗與電網阻抗嚴重不匹配導致諧振，引起大面積脫網事故。無奈之下只有通過增加額外的無功補償裝置以增強對電網的支撐，並逐個修改了每臺逆變器的控制軟件。脫網不僅造成了發電量損失，而且增加了設備投資。

圖2某電站現場多臺逆變器並聯運行的諧振波形

　　在國家政策大力支持背景下，分布式系統得到了快速發展和建設，系統中無功需求以及功率因數控制的問題也突顯。由於目前分布式的電價政策鼓勵自發自用、余量上網，光伏系統並網點必然是在產權分界點以下。光伏發電自用導致產權分界點的有功減少，產權分界點的無功基本不變，最終導致並網點功率因數急速下降。圖3所示為某工廠裝設5MW屋頂電站後廠區產權分界點的功率因數，月度功率因數僅為0.509，遠低於電力公司規定的0.9的要求，造成的無功罰款超過光伏發電的收益。

圖3某5MW屋頂分布式電站產權分界點功率因數統計趨勢

　　此外，扶貧項目發展，光伏系統在農村電網建設。農村地區電網相對較弱，光伏並網後，可能會出現三相不平衡，電網波動劇烈等異常情況，部分地區需要對原有電網進行改造，給光伏電站建設帶來了挑戰。

　　挑戰四：滲透率不斷加大，將對電網穩定運行產生壹定的影響

　　滲透率是指光伏系統的交流容量與峰值負荷的比值。研究發現，光伏發電最高滲透率壹般不超過25%-50%，否則電網可能會出現電壓升高、由雲層變化引起的電壓波動、由低電壓和頻率波動引起的大範圍脫網等問題。分布式電源配電網並網國家標準也規定'接入電網的分布式電源裝機容量不宜超過上壹級變壓器供電區域內最大允許負荷的25%'。據統計我國西部部分地區2014年光伏加風電裝機容量占電力總裝機容量比例超過了30%。在分布式光伏系統中，很多光伏系統容量甚至超過了峰值負荷的60%以上。國外對滲透率也做了很多研究工作，例如美國加州獨立系統運營商2010年完成了基於可再生能源滲透率為20%的研究，2020年將完成33%的研究。

　　3優越並網性能的逆變器確保光伏系統接入友好

　　逆變器作為光伏組件和電網之間的橋梁，將光伏組件產生的直流電轉換成交流電後饋入電網，其性能和可靠性對光伏電站發電的電能品質和投資者收益起到決定性作用。

　　3.1逆變器需具備良好的電網故障穿越能力

　　光伏電站需具備壹定的故障穿越能力，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須通過第三方機構的故障穿越能力檢測，旨在保障電網出現故障時逆變器可提供壹定支撐，避免事故擴大。但單臺逆變器通過低穿試驗，並不能代表實際電站采用該型號逆變器仍具有相同出色的低穿能力。在對電站進行現場低電壓穿越檢測時，仍會出現部分廠家的逆變器脫網現象。

　　2013年6月20日至21日，國網青海電力公司、中國電科院、青海電力公司等單位聯合進行了壹次真實的低電壓穿越驗證試驗，檢測了不同類型光伏逆變器12種，以及多種SVG和SVC無功補償裝置，基本涵蓋了國內現已安裝的主流型號光伏逆變器和無功補償裝置。測試結果：僅僅壹個逆變器廠家的產品沒有出現脫網情況。另外多個品牌逆變器均不同程度的出現脫網情況，少則幾臺，多則幾十臺。

　　3.2逆變器具備SVG功能，改善並網點功率因數

　　逆變器自身具備無功調節的能力，除了可以通過響應調度指令發出無功外，逆變器還可以根據電網電壓按照壹定比例自動調節無功。逆變器的功率因數壹般在-0.9~+0.9之間連續可調，這意味著500kW的逆變器，在輸出500kW有功的同時,可以發出242kVar的容性或感性無功，滿足目前電站要求配置15~30%容量SVG的要求，且逆變器無功輸出響應時間在30ms以內。因此，在大型光伏電站，完全可以利用逆變器替代SVG，減少系統初始投資，改善無功調節性能，還可以減少額外增加SVG裝置帶來的功率損耗。

　　分布式電站並入用戶配電網，使得用戶從電網汲取的有功降低，而負荷無功是固定的，導致用戶總進線關口表計量的功率因數下降，造成無功罰款。通過逆變器自身具備SVG功能，配合智能有功無功調節裝置，完成系統動態功率因數控制，可以減少分布式項目的SVG投資，系統結構如圖4。

圖4分布式電站無功補償系統方案

　　智能有功無功調節裝置獲取到產權分界點的有功功率P、無功功率Q和功率因數等信息，實時給逆變器下發無功給定值，使逆變器輸出無功，保證產權分界點功率因數滿足電力公司要求。某工廠5MW屋頂分布式電站無控制時月度功率因數為0.509，增設智能有功無功調節裝置，利用逆變器進行無功補償後月度功率因數達到了0.972，如圖5所示。
 

圖5某5MW屋頂分布式電站產權分界點無功補償前後功率因數對比

　　3.3逆變器需具備良好的響應調度能力

　　光伏電站需接受AGC/AVC的調度指令，進行有功無功輸出，響應時間壹般為幾秒到十幾秒。為了增加電站並網友好性，逆變器自身應可以根據電網電壓自動補償無功，根據電網頻率自動調節有功。逆變器可根據電網電壓按照圖6所示的運行曲線輸出無功，保證電網電壓在規定範圍內。

圖6國內某廠家逆變器Q-U運行曲線

　　3.4不同場景正確選用逆變器，確保並網友好性

　　光伏電站類型日趨多樣化，大型地面、山丘、屋頂、漁塘、農業大棚等廣泛用於光伏電站建設，逆變器選型時不僅需要考慮不同類型電站的特點差異，還應確保電站並網的友好，設備數量越多，相互之間協調越困難，調度閉環響應速度慢，系統風險越大。對於大型地面電站、工業屋頂、漁光互補等電站，采用集中式逆變器設備數量少，電網接入更友好、無諧振風險，是首選方案。而對於復雜屋頂、復雜山丘、農光互補等存在嚴重朝向和遮擋問題的電站，可選用組串式逆變器，但需關註逆變器的並網特性。

　　4儲能在光伏系統中的應用

　　光伏系統發電受自然條件影響，具有間歇性、隨機性、周期性等特點，采用儲能技術可以保證光伏系統平滑並網，提高電能品質，使得光伏系統更友好並網。同時儲能技術還可以解決目前光伏系統並網中遇到的限電等問題。

　　4.1平滑光伏系統輸出，解決棄光問題

　　通過在光伏系統中配置壹定容量的儲能，可有效抑制光伏系統的波動問題，平滑光伏系統輸出，改善並網特性，如圖7所示。限電問題壹直是我國西部大型電站的痛點，電網建設速度趕不上新能源發展的速度，地方消納不足，導致大量的棄光棄風現象。據統計僅甘肅省2015年上半年的棄光率接近30%，給投資者造成了巨大的經濟損失。儲能系統可在限電期間將光伏多余電力儲存起來，在光伏電力不足時將電力釋放出來，減少棄光，有效解決光伏限發問題，保證系統投資收益，如圖8。

圖7儲能系統平滑光伏輸出圖               8儲能系統解決光伏限發

　　4.2通過儲能增強系統調頻調峰能力，提高穩定性

　　傳統的調峰機組響應時間長大幾分鐘，光伏發電滲透率增大後，原有備用機組容量不夠和響應速度慢的問題日益凸顯。據權威機構計算，儲能系統調峰比壹般的燃氣機組相比價格低，且儲能系統的響應時間壹般毫秒級，可有效增強系統的調峰能力。

　　新能源的滲透率提高，對系統調頻要求也越高，尤其是在系統出現頻率波動同時，新能源又發生了功率波動，雙重故障會導致災難性的脫網事故。通過配置儲能系統在頻率出現偏差時進行快速功率汲取或釋放，保證系統頻率穩定，如圖9。儲能逆變器采用的虛擬同步發電機控制新技術，通過下垂控制和轉動慣量穩定頻率和電壓，進壹步改善系統性能，並可實現弱網接入、並離網無縫切換等功能。

圖9基於傳統發電機和儲能系統的調頻曲線對比

　　4.3構建智慧微網系統，為偏遠無電區提供清潔能源

　　光儲系統可以構建智慧微電網，既可以和大電網聯網運行，也可以離網運行，進壹步提高了區域供電的安全性和穩定性，還可以解決偏遠地區的供電問題。國外研究數據表明，對於戶用系統供電的穩定性而言，如果每壹家安裝了5千瓦時的儲能電池，可以將風險降到最低，臨界重要負荷中斷的平均持續時間（SAIDI）、平均每位用戶的中斷次數(SAIFI)、未供電的重要負荷量（UCL）三項指標幾乎為0。

　　5結束語

　　光伏系統的周期性、隨機性和間歇性的特點，給電網的安全穩定運行帶來了壹定的挑戰。特別是隨著滲透率的不斷加大，挑戰也在不斷提高。逆變器作為光伏系統連接電網的接口，其並網性能對系統安全運行十分重要，需要不斷地通過技術創新，提高光伏系統並網友好性。儲能技術不斷發展進步，可有效的解決限電問題、平滑輸出，並能配合電網進行調峰、調頻，改善電網性能，對新能源並網起到了促進作用。

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