光伏发电对电网的影响性研究开题报告

1.目的及意义（含国内外研究现状）

1.1目的及意义

在过去的二十年里，煤炭作为我国的主要能源，为我国提供了70%的电力供应。然而，随着化石能源消耗引起的土地退化、地面沉降、水污染以及全球变暖等环境问题，正在不断地影响人们的生活。随着我国经济的飞速发展，能源利用效率较低以及能源供需之间的矛盾愈演愈烈，不仅引起了我国的能源安全和环境问题，也严重阻碍了我国经济的发展。如何协调经济发展与环境保护之间的关系，已经成为一个影响我国经济稳定发展的重要问题。在国际碳减排和可持续发展的双重压力下，发展太阳能、风力发电、水力发电等清洁、低碳的新能源已经成为一条势在必行的发展道路。

在所有新能源中，目前已进入工业应用并对电网产生冲击和影响电能质量的新能源发电型式主要为：太阳能发电。太阳能发电又包括太阳能热发电和光伏发电。与其他发电形式相比，光伏发电系统资源比较普遍，无污染，设备可靠，维护简单，应用不受地域条件限制，可大规模集中供电或并网运行，亦可户型小规模安装与光伏建筑相结合，可提高土地利用率，因而始终受到青睐，被誉为21世纪的深具发展潜力的能源之一。

但是，光伏发电目前存在着成本高，配套政策不完善，并网运行时对电网稳定性有影响等技术性难题，还不能大规模地利用新能源进行发电。面临这种现状，我们必须详细地了解光伏分布式发电对电网的影响因素，从而有的放矢，针对性地对这些影响因素提出合理可行的解决措施，让光伏发电早日得到普及。

1.2国内外发展现状

随着煤炭、石油等传统化石能源价格的上升和对环境影响的压力，全球新能源的开发利用速度逐步加快，呈现以下趋势。

总体来看，21世纪以来的15年间，全球新能源发电装机容量增长了4倍多。如包括水电在内，新能源发电贡献了全球发电量的27%；除水电之外的新能源发电贡献了全球发电量的4.8%。其中，光伏发电是新能源发电中增长最快的，从2000年到2015年期间增长了17倍。2015年，德国光伏发电装机容量全球排名第一，美国在风力发电、地热发电、生物质发电和太阳能集热发电方面处于全球领先地位。

目前，世界的能源结构以石油、煤炭等化石能源为主，但是，世界各国都在控制化石能源需求的增长。在世界能源供应和消费结构中，化石能源的比例在不断下降，清洁能源和可再生能源的比例在不断上升。

近年来，我国在利用太阳能方面取得了较大的进步。2015年，我国电力投入4312亿元人民币，其中，新能源投资额比例占71.61%，电力装机总量已经超过欧洲许多国家。但是，光伏装机比例仍然比欧盟要低44.86%。2015年新值装机容量中，非化石燃料装机容量占34.89%，比欧洲国家任然低37.15%，非化石能源发电量为27.5%。欧盟国家对太阳能的利用较多，发展均衡，相比较而言，我国对光伏发电的利用还未达到一定的规模。

（1）理论方面

李盈等对光伏发电的输出特性及发电系统组成进行理论分析，在理论分析的基础上进行了实验研究，重点研究了太阳能电池在恒定光强下输出电流电压功率特性之间的关系以及质子交换膜燃料电池内部电压增减与时间常数、负载变化之间的关系。边晓燕等采用理论与实验相结合的方式分别对太阳能发电的输出特性进行了分析，太阳能发电的出力特性与日照强度紧密相关；目前我国光伏发电容量不大，且发电性能稳定，可以将其用作电网调峰的旋转备用，是一种受电网公司欢迎的友好型电源。李木一针对储能系统接入电网后对于提高电网接纳光伏发电入网能力的提高程度进行了研究，从暂态和稳态两个角度分析了现行的储能方式、控制策略等对于光伏并网的影响。李文升研究了分布式光伏与电网相互作用的机理及其协同调度技术以及分布式能源接入电网后对电网的负荷特性、调度自动化、配电网规划运行、电能质量、保护等方面的影响。

（2）技术方面

Penickandlouk等对光伏发电的原理、发展趋势等进行了介绍，光伏发电的早期历史如表1-4所示。李永东和赵异波，等针近年来世界新能源发展现状，重点分析比较了目前应用较为广泛的太阳能光伏发电技术，并对光伏发电的未来发展趋势做出了展望。刘伟等介绍了光伏电站建模、含光伏电源的智能电网规划等问题。

（3）产品方面

针对光伏分布式发电对电网的影响因素，各国科学家近年来开发出许多产品，以应对光伏发电并网对电网电能质量等个方面的影响。比较有代表性的有美国俄勒冈大学和佛罗里达大学联手开发出的一种可以储存太阳能的设备。简单的说，标准的太阳能电池板是将阳光直接转化电能。因此，当阳光消失之后，在很短的时间内这种电池板就会“断电”。而这两所大学目前开发出的这种设备，是通过集热的方式进行能量储存，该系统的每个小单位可以储存约1450焦耳的能量，更直白一些表述就是每立方米403Wh/L。这一设备目前可以支持太阳能电池板完成15个充电和放电的周期。通常来说，这15个周期将足以支持太阳能板度过黑夜撑到第二天黎明。

1.3研究的关键技术及难点

目前国内外的专家学者在光伏发电特性和经济性发面的研究主要集中在光伏电源的发电输出特性以及不同新能源之间耦合利用等方面，而对于光伏发电输出特性，光伏并网带来的影响以及光伏发电的不同并网方式对电网的影响等方面研究的比较少。随着分布式光伏发电的大规模应用，光伏发电系统自身的输出特性，及其并网方式将会对电网的安全稳定运行产生较大的影响，因此研究光伏发电系统自身输出特性及其不同并网方式对电网运行的影响是十分必要的。

1.4小结

本章先指出分布式光伏发电研究的国际背景以及国内需求，通过对环境污染，气候变化以及资源枯竭种种现状的阐述突出了光伏开发与研究的必要性。紧接着介绍了解到光伏发电在国内外的发展现状，即太阳能光伏发电的发电量在总的装机容量中所占比重依然较少，其发展空间与前景十分广阔。然后通过查阅相关资料了解到目前国内外的专家学者在光伏发电领域所提出的理论基础。最后，进入本文所要研究的主题：光伏分布式发电并网运行对电网的影响。

2．研究的基本内容、拟采用的技术方案及措施

2.1研究的基本内容

（1）光伏分布式发电对电网的影响性研究

对网损的影响

光伏分布式发电可能增大或减少网损，这取决于DG的位置、容量、负荷量的相对大小以及网络拓扑结构等因素。在负荷附近接入DG将使整个配电网的负荷分布发生变化：

(1)配电网中所有负荷节点处的负荷量均大于该节点DG的发电量时网络所有线路的损耗减小。

(2)配电网中至少有一个负荷节点处的负荷量小于该节点DG的发电量，但整个配电网的总负荷量大于所有DG的发电总量时可能导致某些线路的损耗增加，但总体线路损耗将减小。

(3)配电网中至少有一个负荷节点处的负荷量小于该节点DG的发电量，且总负荷量小于所有DG的发电总量时，若发电总量小于2倍的负荷总量，则DG影响与②相同，否则将增加网损。

对电压分布的影响

在传统配电网中，随着负荷的变化，系统电压也会出现波动。光伏分布式电源接入后对电压的影响可以分为以下三种情况：

(1)当光伏分布式电源输出量的控制可以随着负荷的变动而调整时，光伏分布式电源的接入可以有效地改善系统电压波动的状况；

(2)当接入的光伏DG的输出量具有较大的随机性和波动性，此时光伏分布式电源的出力更加难以控制，可能会加重系统电压波动的状况；

对继电保护的影响

由于光伏分布式电源的接入可能导致双向潮流，并且一些光伏分布式电源出力的随机性和波动性将导致其频繁的投切，这些都对传统的继电保护产生极大的威胁，主要体现在以下几个方面：

(1)对于继电保护中的电流保护，在未接入分布式电源之前，当线路发生故障时，继电器可以通过检测到故障电流及时动作；在分布式电源接入以后，系统潮流的大小和方向都可能发生变化，进而可能和故障电流叠加后使流过继电器中的电流减少，继电保护因此可能失效，甚至可能出现保护的死区。

(2)分布式电源一般安装在母线上，当母线附近区域发生故障时，分布式电源的出力可能使得所在线路继电器检测到的电流大于继电保护的整定值，进而发生误动作，引发无故障跳闸。

(3)分布式电源对自动重合闸的影响。电力系统中的故障大多数是瞬时的，因此自动重合闸装置可以有效地对因为瞬时故障而跳开的线路断路器重新合闸，从而大大增加了供电的可靠性。当分布式电源接入以后，当线路发生故障跳开时，如果分布式电源继续向故障点供电，就有可能造成持续电弧，导致绝缘子击穿，自动重合闸失败。

对电能质量的影响

光伏分布式发电并网对配电网的电能质量影响主要体现在：

(1)造成系统的电压闪变：DG的起动和停运与用户需求%气候条件等众多因素有关，其不确定性易造成配电网明显的电压闪变；同时，若DG输出突然变化，DG和反馈环节的电压控制设备相互影响也易直接或间接引起电压闪变；

(2)对系统产生谐波污染：基于电力电子技术逆变器的开关器件频繁开断易产生开关频率附近的谐波分量，对电网造成谐波污染；

(3)会对系统电压的波动，进而影响用户电器设备的稳定性能。

对电网可靠性的影响

分布式发电DG对电网可靠性的影响要视具体情况而定：

(1)系统正常工作时与配电网配合良好的DG可缓解配电网的过负荷和网络堵塞，增加其输电裕度，同时可缓解电压骤降，增强对配电网的电压调节能力，减少其损耗；DG作为后备电源，在系统停电时仍可为用户提供电源以减少其停电时间，有利于提高配电网的可靠性水平。

(2)与配电网系统保护设备配合不好时DG可能使相连接的系统保护设备误动作，同时，DG安装地点不适当、容量和连接方式也会降低配电网可靠性。

（2）建立等效数学模型

建立数学模型是分析问题最直观最可靠的手段。建立光伏发电系统的等效数学模型，有助于理解其工作原理，补充其理论研究。光伏发电系统的描述涉及到光照时间和光照强度的问题、光照角度也会对光伏发电系统的电压等级存在影响。光伏发电出力波动受光照强度变化影响，有很大的随机性。本文将根据其可能对电网运行产生的影响，将光伏出力的波动情况分为两种，第一种为受太阳运行影响产生光伏发电日出力变化，这种变化情况时间跨度大，变化幅度大，但是变化速度较为缓慢，一般为小时为变化单位，主要影响电力系统的日调度；第二种为有浮云或飞行物掠过时，阴影影响产生的光伏发电出力瞬时变化，实验指出，光伏发电出力可在一秒内降至额定出力的30%，这种变化可能会对电力系统的暂态稳定性产生影响。因此，利用等效数学模型的方式比较不同容量光伏发电系统的控制方式，分析不同的影响因素，认识谐波问题，也是该课题的关键问题。

（3）光伏发电系统并网原理与仿真研究

对光伏发电系统的电池特性进行简化，建立适应于光伏发电系统接入对电网稳态运行研究的光伏电源模型；选取典型天气条件下的日照变化研究其对光伏发电系统的出力的影响，并选取微网算例系统，对户型光伏发电系统分散接入低压微网时，光照变化对微网运行的日特性进行研究，并针对微网结构，提出改善其运行情况的措施。分别对改善之前和改善之后的系统进行原理分析和仿真研究，以获得分布式发电对电网的影响因素以及经过改进之后的改善效果。

2.2拟采用的技术方案及措施

（1）文献查阅

通过查阅文献，对于光伏分布式发电对电网的影响因素有一定了解。并在了解的基础上对各种影响因素进行探索、对比和分析。查找资料了解光伏发电系统的工作原理及优缺点。了解产生这些电网波动的根本原因，从而对症下药，结合实际，提出一套可行的改善措施。

在本文任务为在国内光伏发电系统的产生和发展，以及现有的研究成果的基础上，进一步研究光伏分布式发电对电网的影响问题。通过研究其工作原理，对光伏发电系统进行建模和仿真，构建及优化其拓扑结构，找到对应的电网波动治理的思路。并对创新优化的结构进行建模和仿真，验证其准确性和可行性。

（2）理论分析

分析光伏发电在不同光照强度下的工作情况，以及在不同天气下的发电状况，找到分布式光伏发电对电网影响的根本原因，并分析改善或治理方法。

通过对光伏分布式发电并网对电网影响的学习和了解，对课题内容的理论分析，达到充分了解研究的目的和意义的目的。利用分析结果创新构建和优化新型发电系统。可以结合光伏发电在白日里工作情况较好儿风力发电在夜间比较稳定的特多，将这二者结合起来，形成白天光伏发电夜间风力发电的协调系统来达到预期的效果。

（3）仿真研究

建模也仿真是分析、和设计的重要方法之一。通过仿真验证光伏发电系统产生电网参数波动的原理，是理论分析的延续。PSCAD/EMTDC作为电力系统一种仿真工具，包括了电力、电子、传动等领域中常用的元件和模块。本次仿真将构建完整的光伏发电系统模型。通过改变光伏电源各项数据，了解光伏发电在并网运行时的电压波动情况；不同光照强度条件下的电压波形的仿真；谐波的分析和仿真。

3．进度安排（按周次填写）

第1周，选题。第3-4周，根据网上拟定的任务，在查阅相关资料后遵照教师要求网上提交并完成开题。第5周，开题报告审查。第9周，在网上进行毕业设计（论文）中期检查。第13周，上传毕业论文，指导教师审核批阅毕业论文，并进行打分。第14周，学生提出答辩申请。学生将毕业设计（论文）装订成册并在答辩前提交答辩组。第16周-17周，毕业设计（论文）答辩。

4.参考文献

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