1.3 大型光伏电站存在的主要技术问题
由于光伏阵列输出的是低压直流电，目前大型光伏电站普遍采用光伏逆变器并联结构集中并网，进而通过送端配电站实现高压远距离交流输电[16，17]，图1.3所示为大型光伏电站的基本框架。
图1.3 大型光伏电站的基本框架
这种方案的优点在于：光伏电站中每台并网逆变器仅通过并网点相连，能够避免并网逆变器之间产生环流，而且每台并网逆变器一般来自同一生产厂家，彼此之间的差异较小，例如当一台并网逆变器出现故障时，剩余各台仍能正常工作，从而便于对每台并网逆变器进行独立控制[18]。
并网逆变器通常分为单级和双级两大类，如图1.4所示。典型的双级并网逆变器由DC/DC升压变换部分和DC/AC并网逆变部分组成，而单级并网逆变器仅含有DC/AC并网逆变器。
图1.4 光伏并网逆变器拓扑结构
单级和双极并网逆变器各具优势，具有各自适合的应用场合。由于双极并网逆变器具有更加灵活的控制功能和更宽的直流电压接入范围，小容量的并网逆变器更倾向采用此种结构。由于单级并网逆变器硬件结构简单，可以降低造价，大型光伏并网系统更青睐于单级结构[19，20]。
不同于小容量光伏并网发电系统，大型光伏电站并网将对电网规划、电能质量、安全稳定运行等方面产生重大影响。鉴于目前国内大型光伏电站存在的诸多挑战，本节分别从并网电能质量、无功与电压控制以及并网稳定性三个角度阐述大型光伏电站面临的技术难题。
1.3.1 并网电能质量问题
由于大型光伏电站额定容量较大，而且并网逆变器额定功率亦较大，和小容量光伏并网发电系统相比，大型光伏电站中的并网逆变器更易受到各种潜在因素的干扰，光伏电站中逆变器并网电能质量问题如图1.5所示。
图1.5 光伏电站中逆变器并网电能质量问题
首先，并网逆变器中LCL滤波器参数是在额定功率下设计的，由于并网逆变器在光照不足时逆变效率大大降低[21～23]，并网逆变器在低光照下的电能质量也会恶化。当光照不足时，通过合理设置光伏阵列和并网逆变器之间的连接方式，可以降低并网逆变器的并联台数以提高并网逆变器的逆变效率，使并网逆变器并联系统之间作为一个整体稳定运行。但是目前多数大型光伏电站并网逆变器之间还没有相应的集中控制方案。
其次，由于并网逆变器的额定功率较大，当一组光伏发电单元出现故障或者光照变化剧烈时，很容易对并网公共点处的电网电压产生冲击[24]，而且电网电压自身的谐波、闪变、不对称等问题也影响着光伏并网发电的电能质量[25，26]。
最后，由于并网逆变器开关频率不高，为有效降低滤波器的体积和损耗，常采用LCL滤波器结构[27]。但是LCL滤波器是一个三阶系统，如果不采取相应的阻尼措施，并网逆变器很容易引起谐振问题。因此，如何设计并网逆变器的控制策略就显得尤为重要。
1.3.2 无功与电压控制问题
光伏发电系统中并网逆变器通常以单位功率因数形式并网发电，对于小型光伏电站，其功率的扰动对电网稳定性的影响甚微。但是随着装机容量的不断增大，光伏电站由于其自身的一些特性也会在不同方面对电网的稳定运行造成影响，其中大型光伏电站的电压问题愈发严重[28]。光伏电站中并网逆变器无功支撑问题如图1.6所示。
图1.6 光伏电站中并网逆变器无功支撑问题
一方面，我国太阳能资源主要富集于青海、甘肃、新疆、内蒙古等远离负荷中心的西北部边远地区，电网本身结构薄弱，导致大型光伏电站的电压问题突出，而大型光伏电站由于无旋转惯量，大规模接入会进一步降低电网电压的稳定性，增加光伏电站电压失稳的风险。因此，电网从自身安全稳定运行的角度考虑，需要大型光伏电站具备相应的电源特性[29]。
另一方面，大型光伏电站输出功率随着光照强度、温度等环境因素变化而变化，随机波动的有功输出功率通过长距离输电线路造成母线电压大幅波动，而大幅波动的母线电压反作用于光伏电站，造成大型光伏电站电压越限，甚至失去稳定，导致大面积停电事故。此外，大型光伏电站接入电网也导致线路继电保护装置整定更加复杂，电压剧烈波动将导致保护装置动作，致使光伏发电单元脱网，严重影响了光伏电站的稳定运行[30，31]。
面对日益凸显的电压问题，从安全稳定运行的角度考虑，必须利用无功功率对大型光伏电站的电压进行控制，并且国标要求光伏电站站内各光伏逆变器应该参与电压调节，大型光伏电站应充分利用站内各光伏逆变器进行无功控制，以维持并网点和站内电压的稳定。此外，不少国家提出了比较严格的光伏电站并网技术要求，在电网紧急情况下光伏电站应能够提供无功支撑，而目前的示范工程均未达到这些要求[32]。因此，通过对大型光伏电站静态电压稳定性及其内部电压分布进行分析，对大型光伏电站的稳定运行以及无功电压控制都有重要的意义[33]。
1.3.3 并网稳定性问题
为了获得良好的电能质量，大型光伏电站中并网逆变器一般采用LCL滤波器，且很多光伏电站建立在远离负荷中心、光照资源丰富的荒漠地区。光伏电站连接的地区电网多处于偏远地区电网，负荷比较分散，地区电网输电线路较长，电网相对薄弱[34]。电网阻抗会造成并网逆变器中LCL滤波器性能发生改变，使得光伏并网电能质量下降，逆变器动态性能显著退化，甚至引发谐振现象[35]。国内外若干大型光伏电站在实际运行中的问题表明：在光照强度充足条件下，即使每台并网逆变器的输出电流谐波含量都较小，光伏电站在装机容量增加后，输出电流谐波含量也有可能超标甚至引发谐振等问题，威胁大型光伏电站的安全稳定运行，限制了光伏电站的规模化应用[36，37]。图1.7所示为光伏电站装机容量增加前后以及电网阻抗增加前后并网电流的变化情况示意图。
图1.7 光伏电站中并网电流变化情况示意图
另一方面，大型光伏电站中并网逆变器并联结构的采用将会改变并网逆变器自身连接电网的等效阻抗，且逆变器中固有的数字控制延时、死区效应等非线性因素，可能会加剧大型光伏电站与电网之间的谐振现象。当系统存在谐振峰并且背景谐波与谐振频率相匹配时，将会导致大型光伏并网系统出现谐振过电压、过电流，引发谐波含量超标等电能质量问题。同时，谐振现象对并网逆变器的稳定运行也有较大影响，由系统阻抗网络不匹配引起的串/并联谐振甚至可能造成并网逆变器无故障跳闸，危及系统的安全稳定运行[38]。
总之，在能源紧缺和环境污染日益严重的形势下，建设大型光伏电站是优化能源配置和缓解雾霾天气的主要途径。随着光伏电站装机容量的逐渐增加，大型光伏电站面临诸多需要克服的技术难题，限制了大型光伏电站的规模化应用。本书通过对大型光伏电站无功与调压控制等问题的剖析与研究，旨在提高大型光伏电站的并网电能质量，增强大型光伏电站的并网稳定性，推动大型光伏电站的规模化应用，为示范试验工程提供理论支撑和设计指导。