摘要：伴随着新能源发电的逐步规模化开发利用，电力系统也正由传统电力系统逐渐向新能源电力系统过渡。虽然新能源电力系统具有可持续性、清洁化以及边际成本为零的特点，然而由于自身具有的间歇性和随机性，为电力系统的调度机构提出了更高的要求。由于新能源集中发电系统远离负荷中心，且接入地区的电网架构薄弱，新能源集中发电系统在大规模并网发电时难以获得有效的无功支撑，电压稳定问题突出。本文对以光伏和风能为代表的新能源并网发电系统无功功率特性及其影响因素进行了分析讨论。
关键词：光伏发电；风力发电；无功功率
0引言
随着能源危机及环境污染、气候变化等问题日益突出，《中共中央国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见》（以下简称《意见》）明确提出要建立一个绿色低碳、节能减排和更加安全可靠、实现综合资源优化配置的新型电力治理体系，推动我国电力生产结构、消费结构及技术结构的整体转型。以风力发电、太阳能发电为代表的新能源发电技术因其清洁和可持续性，受到了广泛关注。伴随着新能源发电的逐步规模化开发利用，电力系统也正由传统电力系统逐渐向新能源电力系统过渡。虽然新能源电力系统具有可持续性、清洁化以及边际成本为零的特点，然而由于自身具有的间歇性和随机性，为电力系统的调度机构提出了更高的要求。近年来，芜湖地区光伏、风电新能源电站如110kV信荡光伏、35kV石涧风电大规模并网。由于新能源集中发电系统远离负荷中心，且接入地区的电网架构薄弱，新能源集中发电系统在大规模并网发电时难以获得有效的无功支撑，电压稳定问题突出。所以大规模新能源并网发电系统接入电网时，改善发电区域的电压稳定性和电压质量是电网无功电压控制的重要任务。本文针对风力发电、太阳能发电为代表的新能源并网发电系统的功率特性进行分析研究。
1 光伏并网发电系统无功特性
并网型光伏发电系统是与电力系统相连接的光伏发电系统，可以向电力系统提供有功/无功功率支持。并网型光伏发电系统主要由光伏阵列、光伏控制器、储能装置、逆变器和电网负载构成。光伏并网发电系统的电气特性主要由光伏组件和逆变器的特性决定。
1）光伏组件
光伏组件主要的电气特性为伏安特性（I-V）和功率电压（P-U）特性，根据搭建的光伏组件模型，模拟不同福照度S和环境温度T下的I-V特性曲线和P-U特性曲线，得到光伏组件输出特性。当辐照度不变时，根据I-V特性曲线，随着环境温度的上升，光伏纪件的短路电流大小相对稳定，开路电压变化较大。根据P-U特性曲线，最大功率点对应的随着温度的上升而下降，最大输出功率值基本不变，其变化趋势，与相同温度不同福照度下模拟的结果相同。根据上述分析结果可知，辐照度S和温度T的变化会对光伏组件的输出特性产生极大的影响，温度变化会影响光伏组件的光电转换效率，辐照度变化会影响光伏电站输出的有功功率，进而影响整个光伏发电系统的运行效率。光伏组件的输出特性是非线性的，输出功率会随着福照度和温度的改变而改变，且存在一个工作点，当工作在该点时光伏组件输出的功率最大，效率最高，这个点称为最大功率点。因此，为了提高光伏发电系统的运行效率，需要实现最大功率的跟踪。
2）逆变器
光伏发电系统进行并网运行之前，需要满足相应的并网规范要求，使发电系统的频率相位幅值与接入电网相同。光伏发电系统要实现并网运行这一目标，就需要对光伏逆变器采取有效的控制。因此，逆变器是光伏发电系统中最核心的部件，其性能决定了电能的输出特性。逆变器的拓扑结构、控制策略和有功/无功解耦方式均影响光伏发电系统的无功调节能力。光伏逆变器的控制策略，按照输出类型分为电流控制和电压控制。电流控制是输出电流为控制对象，当输出电流发生变化时，通过反馈信号对输入进行控制，从而保证输出与系统电压同频、同相、同幅的电流信号。电圧控制是以输出电压为控制对象，当输出电压发生变化时，通过反馈实现电压控制，进而实现对输出电流和功率因数的控制。本质上是一种间接的电流控制方法。采用电压控制需要配套采用锁相控制环节，才能使电压大小、相位及频率满足并网条件，实现并网运行。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆针对光伏逆变器的控制方法，已有许多研究，主要有：PI控制、双闭环控制、状态反馈拴制、重复控制、滞环控制、智能控制等。
3）其他因素
除光伏组件、逆变器的自身特性外，并网接入点的选址、配电网拓扑结构，网络损耗等因素对光伏并网发电系统的无功分布和电压稳定性均有影响。
2 风力并网发电系统无功特性
由于风电厂通常远离负荷中心，且分布分散，因此经常造成风力发电区域的电压稳定性和电能质量不能满足考核要求。风力发电机由风力机和发电机两个部分构成，风力机部分将风能转化为机械能，发电机将机械能转化为电能。这两个部分可以采用不同的结构类型和技术方案，在此基础上形成的多种组合可以将风力发电机组进行多种分类：根据功率传递的机械连接方式，可分为“有齿轮箱型风机”和无齿轮箱的“直驱型风机”；按叶轮转速是否恒定可以分为恒速风力发电机和变速风力发电机。根据发电机类别又可分为异步发电机和同步发电机型。其中，双馈异步发电机是我国常用的风力发电机结构，需要消耗足够的无功功率才能向外输出电能，从而可能造成无功缺额导致的功率因素考核。以下从风力调节特性、负荷波动、运行方式几个方面分析风电并网发电系统的无功特性。
1）风力调节特性
由于风电场由一个地区随机、分散的若干风机组成，且风能与常规能源不一样，具有随机性和季节性。风能由地表压差和温差共同作用形成，季节变化和昼夜交替均会影响风能的周期性变化，从而形成特定的功率特性曲线。此外，地理位置也对风力特性产生影响。根据特定区域和周期性季节变化特点，可以通过函数关系式确定其风力调节特性。据统计数据表明，风力调节特性随时间发生变化，在不同季度呈现不同的相关特性，一二季度呈现正相关性，三四季度呈现负相关性，以四季度尤为显著。
2）负荷波动
负荷变化特性常采用峰谷差与最大负荷来描述配网负荷的变动情况。风电功率可以视作用户的无功电源，而等效需求电量可以视作风电实际发出功率与用户实际消耗功率的差值。常规机组在负荷变动到低谷时段，尤其是在夜间时的调节能力决定了风电接入电网后的功率特性。
3）运行方式
变压器中的空载损耗和负荷损耗是无功损耗的重要组成部分。如果风电场规模足够大，可能需要两级变压器才能实现风电并网。而风机分布的分散程度决定了输电线路的长度和网络的拓扑结构。当风电场出力较轻时，将导致线路严重轻载。风电场自身消耗的无功将大于线路充电功率，系统吸收无功。当风电场出力较重时，线路出现重载，风电场自身消耗的无功将小于线路充电功率，系统发出无功。因此通常要求风机具备地补偿能力，以满足系统电压稳定要求。
3 结论
本文对以光伏和风能为代表的新能源并网发电系统无功功率特性及其影响因素进行了分析讨论。基于以上分析，结合具体新能源电站的实际条件和影响因素的分析研究，可以得出该电站对系统无功平衡和电压稳定的分析报告，并选取适宜的无功补偿方案。
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论文作者:夏友斌,俞鹏,宋铭敏,苏志朋,赵倩
论文发表刊物:《电力设备》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/31
标签：光伏论文; 特性论文; 电压论文; 系统论文; 并网发电论文; 新能源论文; 功率论文; 《电力设备》2017年第26期论文;