3.2光伏电站规划设计技术

　　光伏电站的规划设计问题涉及光伏电站的安

　　装地点，安装容量，投资时间，光伏模块和逆变器模块的使用数量，光伏模块的安装倾角，光伏模块和逆变器的最优组合，站内连接方式，光伏电站的穿透功率、置信容量和经济评价等内容。

　　光伏电站的容量规划主要有独立光伏系统，混合光伏/柴油机系统，混合光伏/风电系统，混合光伏/风电/柴油机系统的容量规划等；求解这类问题的主要方法有直观类方法、人工智能优化算法等。直观类方法不考虑光伏出力的随机特性，仅根据月平均最低光照能量或平均月度太阳能用简单的公式计算。优化方法主要为基于系统可靠性分析的方法，考虑光伏与负荷的随机性，用函数表达式拟合系统可靠性与光伏电站规划容量的关系，可以直接计算适合的电站规划容量，还可建立计及工程寿命周期内系统的投资成本、运营维护成本以及重置成本的经济模型并进行优化求解。

　　大型并网光伏电站的接线拓扑结构可以分为：集中式、组串式和微逆变器式，其中最常见的是集中式结构。光伏电站的规划设计应满足“安全、可靠、高效和经济”的原则。在规划容量确定后尚需确定光伏电站的设备选择、接线方式等具体问题。

　　光伏的穿透功率定义为光伏占整个发电系统总发电量(或占整个负荷电量)的百分比。过高的光伏穿透率可以引起馈线的逆向潮流及电压等问题，破坏传统变电站的开关正常工作。光伏电站的可靠性的评估有助于衡量光伏发电对电力系统充裕性和安全性的贡献，据此计算出的置信容量有效地量化了光伏发电的容量价值，成为电力系统规划中的重要指标。可靠性分析的解析法主要是根据电力系统元件的随机参数，将光伏发电等效为多状态的常规机组，通过数值计算获取各项可靠性指标；模拟法主要是采用序贯蒙特卡洛法模拟，既能描述光伏发电的时序出力，又能求解频率和持续时间等可靠性指标。评估可靠性必须从组成光伏电站的各元件入手，对光伏电池组件的故障率的变化规律进行了讨论。各种接线方式对光伏方阵可靠性影响的研究结果表明，使用TCT结构(total-cross-tied)和BL结构(bridge-linked)可以提升光伏阵列的有效工作时间。

　　光伏发电的置信容量反映其容量价值，用于量化光伏发电对电力系统充裕度的贡献，但国内外尚未形成明确统一的衡量标准。Perez将现有的评估指标归纳为四类；Madaeni等人又将常用的评估指标分为基于可靠性的评估指标和近似评估指标等。在置信容量的灵敏性分析上，研究表明光伏发电置信容量随装机容量增大而呈现出的饱和效应，光伏发电出力同负荷的相关性是影响光伏发电置信容量的重要因素。

　　光伏电站规划设计的经济性指标主要有：最小能耗、净现值、生命周期成本、投资回收期等。由于净现值考虑了整个工程的使用寿命和资金的时效性，是目前的光伏电站规划设计通常采用的经济性指标。在成本/效益评价方面，比较了光伏发电和常规发电的成本与全寿命期收益，分析了光伏发电优于常规发电的条件，建立了多参数成本效益分析模型，通过计算发电成本、税前利润、税后现金流、净现值、内部收益率及回收期等一系列指标，说明了在塞浦路斯地区建设大规模光伏电站的可行性；研究表明贴现率和光电池效率是影响回收率的最重要因素。

　　3.3提升光伏消纳的综合规划技术

　　大规模光伏电站的布局对电网规划也有影响。就电网规划而言，针对大规模光伏集中式并网，在光伏发电规模较小时，主要通过超高压或高压输电送入本省电网的负荷中心，需要同步加强省内超高压电网建设；随着光伏发电规模的增大，需要送入区域电网内消纳时，除了加强省内电网外，还要加强区域电网内跨省互联；随着光伏发电规模的进一步增大，还需要规划包括特高压直流在内的跨区外送通道，实现光伏发电大规模跨区外送。为提高输电通道的利用效率，需要综合考虑与区域内的水电、风电、火电等各类电源配合，实现协调运行和外送，从宏观上分析了我国太阳能发电并网影响及各区域电网消纳能力。

　　针对规模化光伏分散式并网，调整配电网结构设计成为需迫切解决的问题，如何合理规划含光伏发电系统的智能配电网是必须考虑的重要因素，同时，光伏的布点及容量等也应与配电网的规划协调。随着城市光伏屋顶发电和光伏建筑一体化的增多，城市电网的规划应该留有充分余地。

　　科学、合理地配置电力系统中风力发电、光伏发电、常规火电、水力发电、抽水蓄能以及其它储能设备的容量、布点，并计及负荷需求侧管理等，发挥大规模光伏接入后网-源-荷的综合效益，是现阶段推进光伏开发建设必不可少的环节。

　　3.4提升光伏消纳的源网协调技术

　　随着光伏渗透率逐渐增大，光伏逆变器的动态性能对于电网的安全变得愈加重要。针对并网逆变器的源网协调技术已开展了大量工作，提出了“虚拟同步机”、“友好型电源”等理念，并针对其中的关键技术、难点技术进行了攻关，取得了阶段性的成果。光伏逆变器的低电压穿越技术，是保障大规模光伏接入后电力系统安全稳定运行的重要技术措施，其中，低电压快速检测与锁相、低穿过程中电压和电流控制方法和故障后的功率快速恢复等控制技术，是光伏发电低电压穿越研究的热点。在光伏并网国标从有功频率、无功电压、低电压穿越、电能质量、紧急无功支撑能力等若干方面对光伏准入提出了要求之后，相关技术的研究也成为一个重要方向。

　　风光等新能源与常规电源打捆接入及外送已成为我国新能源开发的主要格局。风光新能源与常规电源电气距离较近，交互耦合的表现将影响到电网的安全。风光间歇性电源与常规电源从出力外特性、电源本体、控制性能以及保护配置等都有较大差别，常规电源如何适应风光规模化接入、与其和谐相处，或者大胆设想可能捆绑形成一种性能更优的“等效电源”，以兼容各自的优势。分别提出了考虑电压约束、稳定约束、调峰和风光互补特性的并网光伏电站极限容量分析方法。

　　为解决光伏大规模接入后的电力系统安全稳定运行问题，利用风、光的互补特性以及通过储能技术平抑功率波动也是一种可能的技术选择。分别从经济和技术等方面分析了风光储的优化配比技术；提出了联合发电系统站端的控制策略。

　　3.5提升光伏消纳的精细化光伏预测技术

　　对光伏电站的输出功率进行精细化预测，把光伏发电容量纳入电网的调度计划和实时调度运行是保证电网稳定经济运行的重要措施之一。国外主要通过两种方式来研究：一是以太阳能资源的预测为基础，进而预测光伏发电功率；二是利用天气预报数据直接对光伏电站的输出功率进行预测。德国提出一种基于卫星云图预测地区太阳辐照强度的方法：首先建立地区的净空辐照度模型，然后通过对连续多帧卫星云图的处理建立云团运动的矢量域方程，进而预测未来的云指数，并对净空辐照度进行修正，最终得到地区的辐照度预测值，并在此基础上利用模型预测光伏电站的发电功率，目前该第1期丁明等：大规模光伏发电对电力系统影响综述7方法对于单个光伏电站日前发电预测的相对均方根误差为36%，而将德国所有光伏电站作为一个整体统计，其均方根误差降低至13%。日本开展了基于神经网络的光伏发电功率预测研究，通过不同类型的人工神经网络进行光伏发电功率的预测，并利用不同类型神经网络混合的方式进行集合预报，该方法的日前功率预测的平均绝对误差在22%左右。在国内，主流的光伏发电功率预测方法主要分为统计方法和物理方法。统计方法主要是通过对实测气象数据、数值天气预报以及光伏电站有功功率等历史数据进行统计分析，寻找其内在的关系进而建立光伏发电功率预测模型，如BP神经网络、支持向量机等；物理方法主要根据光伏电池板，逆变器等多种设备的特性，得到光伏电站发电功率与数值天气预报的物理关系，进而对光伏电站的发电功率进行预测。一般来说，统计方法的预测误差在9%~25%，物理方法的预测误差在10%~30%。

　　3.6提升光伏消纳的有功无功控制技术

　　大规模光伏并入电网后,其出力的不确定性增加了电网有功、无功运行控制的难度，需在分析大规模光伏接入对电网运行控制影响基础上,结合光伏电站和调度主站的建设现状,设计适应大规模光伏接入的有功频率控制和无功电压控制系统架构；研究制定光伏数据采集通信机制，提出适应电网多种控制需求的光伏有功/无功控制模式及控制性能评估方法,以此建立横向集成光伏信息采集与监视、光伏有功/无功控制功能，纵向贯穿调度端和厂站端的光伏综合控制系统；将光伏发电纳入大电网自动发电控制（AGC）和自动电压控制（AVC）系统，实现调度主站对光伏电站的有功、无功闭环控制，提升大规模光伏接入后的频率、电压质量以及发电经济性，其中，光伏电站实时信息的上传下达是解决调度控制问题的基础。

　　在无功功率控制方面，光伏逆变器普遍实现了有功和无功的解耦控制，提出了将无功功率补偿与光伏并网发电相结合的控制方案，使光伏发电在发有功的同时也能够提供无功；另一个研究热点是无功控制与谐波抑制的统一控制技术研究，提出了同时实现光伏并网发电、无功及谐波补偿统一控制技术。

　　在有功功率控制方面，光伏发电可以通过增加

　　储能或偏离最大功率点等方法实现有功功率控制。提出了通过光伏发电有功和无功的附加控制，增加系统的阻尼，抑制电网功率振荡的方法；提出了适应大规模光伏接入的有功控制系统架构和设计思路，实现了调度主站对光伏电站的有功闭环控制；文献[119]提出利用附加电压和频率分量的光伏逆变器控制系统使光伏电站具备有功和无功调节能力，以提高电网运行稳定性;提出了光伏并网运行功率的直接控制方法，实现光伏有功和无功功率的统一控制，以改善电网供电质量；引入蓄电池储能系统实现对光伏发电功率削峰填谷功能。

　　3.7下一步研究重点及建议

　　1）研究新型输电技术输送光伏等波动性能源的经济性及社会效益；研究新型输电技术适应光伏波动的运行技术；研究新型输电技术输送光伏的优化布局等规划技术。

　　2）研究适应大规模光伏的输电系统网架结构优化技术、网架优化原则和方法；研究适应大规模光伏集中接入的送端电源结构和布局优化技术；研究考虑动态性能的光伏置信容量评价方法和指标体系；研究综合考虑社会效益、环境效益的光伏发电容量优化规划和技术经济评价方法。

　　3）研究适应大规模分散式接入的智能配电网规划技术，包括系统结构优化方法、光伏电站布点、容量优化以及微网模式的设计等；研究大规模光伏接入后的电能质量监测及治理技术；研究智能配电网背景下接纳分散式光伏的有功、无功控制技术。

　　4）研究将大规模光伏纳入、含多时间尺度的广域有功频率控制技术；研究规模化光伏接入的分层分区、多级协调自动电压控制技术；设计大规模光伏接入的有功频率、无功电压控制系统框架及功能；着重研究高压交直流集中外送波动性光伏的有功、无功控制技术。

　　5）研究大规模光伏接入后的安全评估技术；研究大规模光伏集中接入高压交直流外送的广域协调安控技术；研究大规模光伏分散式接入后提升供电效果的辅助决策技术。

　　4结论

　　本文从大规模光伏系统的建模与仿真、大规模光伏接入对系统动态和稳态特性的影响、大规模光伏外送及消纳的关键技术三个方面对国内外研究现状进行了归纳、总结；根据作者的思考，提出了进一步研究重点及建议供参考。

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