淺談并網(wǎng)光伏發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響及解決方案

安科瑞 陳聰

摘要：光伏發(fā)電作為當(dāng)今一種新型、無污染的發(fā)電方式，對傳統(tǒng)電能的需求起到了很大緩解作用。但對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，由于其本身隨機(jī)性、波動性、間歇性的特點(diǎn)，且并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中含有大量的非線性電力電子元器件，相比傳統(tǒng)發(fā)電方式，光伏發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生了很大影響。本文分析了并網(wǎng)光伏發(fā)電對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波、電壓波動和閃變、直流注入、孤島效應(yīng)等問題，并研究探討了改善電能質(zhì)量的可行性措施。

0引言

隨著國際化進(jìn)程的不斷加快，世界經(jīng)濟(jì)得到飛速發(fā)展，能源的消耗也隨之增加，而傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭及環(huán)境問題日益嚴(yán)重，太陽能作為一種清潔、無污染的可再生能源受到人們的密切關(guān)注。近年來光伏發(fā)電裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大，上網(wǎng)電量也逐年增加，但由于其裝機(jī)容量規(guī)模一般較小、場址布置相對比較分散、輸出功率浮動較大的特點(diǎn)，也給電網(wǎng)電能質(zhì)量造成了很大的影響。因此研究光伏發(fā)電對電能質(zhì)量的影響，對促進(jìn)電力生產(chǎn)及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1光伏發(fā)電的基本原理

光伏發(fā)電利用半導(dǎo)體表面存在的光生伏特的效應(yīng)，通過光照在半導(dǎo)體材料兩端發(fā)出直流電流。當(dāng)太陽光照在半導(dǎo)體P-N節(jié)上時，新的電子-空穴對就會形成，光子將電子從共價(jià)鍵中激發(fā)后，電子流向N區(qū)，空穴流向P區(qū)，從而半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢差。PN結(jié)兩端的電路一旦接通，就會形成電流，從P區(qū)經(jīng)外電路流向N區(qū)，對負(fù)載輸出電功率。

2并網(wǎng)光伏發(fā)電的結(jié)構(gòu)和分類

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板(組件)、大功率跟蹤(MPPT)控制器、DC-AC逆變器幾部分組成，采用絕緣柵雙極晶體管(IG-BT)作為光伏逆變器的開關(guān)元件。太陽能電池輸出的直流電經(jīng)過DC-DC變換器將電壓等級升高，再通過DC-AC逆變器將直流電變換為與電網(wǎng)電壓幅值、頻率、相位相同的交流電，以實(shí)現(xiàn)并入電網(wǎng)或給交流負(fù)載供電，光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

依照并網(wǎng)運(yùn)行方式，光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為有逆流并網(wǎng)、無逆流并網(wǎng)和切換型并網(wǎng)三種形式。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)連接，不需要儲能電池，節(jié)約了占地面積，大大降低了配置成本，負(fù)荷功率缺額由電網(wǎng)補(bǔ)充。因此，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是太陽能發(fā)電主要發(fā)展方向，也是現(xiàn)階段具潛力的新能源發(fā)電方式。

3并網(wǎng)光伏發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

光伏發(fā)電作為新興能源發(fā)電的一種，光照、溫度等外部條件隨機(jī)性、波動性、間歇性的變化是光伏發(fā)電對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的主要因素。其中DC-AC逆變器是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要的器件之一，光伏逆變器質(zhì)量的優(yōu)劣在一定程度上決定光伏發(fā)電的電能質(zhì)量能否達(dá)到并網(wǎng)要求。光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行時會產(chǎn)生諧波、電壓波動和閃變、直流注入、孤島效應(yīng)等問題，使電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，對電網(wǎng)造成不利影響，嚴(yán)重時會于擾供用電系統(tǒng)及光伏發(fā)電設(shè)備自身的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1諧波影響

光伏發(fā)電是通過光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，再經(jīng)過并網(wǎng)型逆變器將直流電變換成交流電實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是產(chǎn)生諧波的主要設(shè)備。并網(wǎng)逆變器內(nèi)部電力電子元件的大量應(yīng)用，提升了系統(tǒng)的信息化和智能化處理，但也增加了大量的非線性負(fù)載，造成波形失真，給系統(tǒng)帶來大量諧波。逆變器開關(guān)切換速度的延遲，也會影響電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部整體動態(tài)性能的輸出，產(chǎn)生小范圍的諧波。如果在天氣(輻照度、溫度)變化較大的情況下，諧波的波動范圍也會隨之變大。盡管單臺并網(wǎng)逆變器輸出電流諧波較小，但是多臺并網(wǎng)逆變器并聯(lián)后輸出電流的諧波會產(chǎn)生疊加，從而形成輸出電流諧波超標(biāo)現(xiàn)象。此外，逆變器并聯(lián)容易產(chǎn)生并聯(lián)諧振，進(jìn)而導(dǎo)致耦合諧振現(xiàn)象，造成特定次并網(wǎng)諧波電流擴(kuò)大，產(chǎn)生并網(wǎng)電流諧波含量超標(biāo)問題。

針對光伏接入后的電能質(zhì)量問題，提出抑制諧波的有效方法：1)從諧波產(chǎn)生的源頭入手，對諧波源進(jìn)行改造，減少諧波注入。2)裝置有源或無源濾波器，以吸收某些特定次數(shù)的諧波電流。3)裝設(shè)附加的諧波補(bǔ)償裝置。

3.2電壓波動和閃變

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，有功功率、無功功率隨時間變化才會引起系統(tǒng)電壓波動。而對于光伏發(fā)電而言，光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率的變化是引起接入點(diǎn)電壓波動和閃變的主要因素。光伏發(fā)電系統(tǒng)核心部件光伏電池板的大功率點(diǎn)與輻照強(qiáng)度、天氣、季節(jié)、溫度等因素密切相關(guān)，這些自然因素的隨機(jī)變化引起輸出功率變化較大，致使負(fù)載功率在一定范圍內(nèi)變化頻繁，從而引起并網(wǎng)用戶負(fù)載端電壓波動和閃變。

目前針對光伏電壓波動和閃變問題的解決方法主要有：1)優(yōu)化光伏并網(wǎng)逆變器控制策略，提高電壓的穩(wěn)定性；2)加大變電站母線短路容量；3)在光伏電站容量確定的情況下，提高其功率因數(shù)，以增加有功功率總量，從而降低無功功率變化量，滿足電壓波動的限值要求。

3.3直流注入問題

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中另一亟待解決的關(guān)鍵問題：直流注入。直流注入影響了電網(wǎng)電能質(zhì)量，同時也給電網(wǎng)中的其他設(shè)備帶來不利影響。IEEEStd929-2000與IEEEStd547-2000明確規(guī)定，并網(wǎng)發(fā)電裝置向電網(wǎng)注入的直流電流分量不能超過裝置額定電流的0.5%。直流注入產(chǎn)生的主要原因有：1)電力電子器件自身分散性及驅(qū)動電路不一致不對稱等；2)大功率控制器內(nèi)部測量器件存在的零點(diǎn)漂移和非線性；3)各開關(guān)器件線路阻抗的不對稱，寄生參數(shù)和寄生電磁場的影響等。

目前抑制直流注入的主要方法包括：1)檢測補(bǔ)償法；2)優(yōu)化設(shè)計(jì)逆變器并網(wǎng)結(jié)構(gòu)；3)電容隔直；4)虛擬電容法；5)裝置隔離變壓器等。

3.4孤島效應(yīng)的影響

孤島效應(yīng)是指由于人為因素或自然因素造成電網(wǎng)中斷供電，但各個并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)沒能及時檢測出電網(wǎng)停電狀態(tài)，從而光伏發(fā)電系統(tǒng)與其相連的負(fù)載仍獨(dú)立運(yùn)行的現(xiàn)象。隨著并網(wǎng)光伏發(fā)電接入滲透率的不斷擴(kuò)大，孤島效應(yīng)發(fā)生的幾率也逐漸增加。孤島效應(yīng)的形成對整個配電網(wǎng)電能質(zhì)量造成不利影響，主要包括：1)在孤島效應(yīng)發(fā)生位置，其電壓和頻率波動性較大，降低了電能質(zhì)量，且孤島中的電壓和頻率不受電網(wǎng)控制，可能會造成系統(tǒng)電氣設(shè)備損壞和重合閘故障等，同時可能會對電網(wǎng)維修人員造成個人安全隱患。2)在供電恢復(fù)過程中，由于電壓相位之間不同步將會產(chǎn)生浪涌電流，有可能導(dǎo)致電網(wǎng)波形瞬間下跌。3)光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)孤島效應(yīng)之后，如果原供電模式為單相供電模式，有可能使配電網(wǎng)發(fā)生三相負(fù)荷不對稱的問題，進(jìn)而降低其余用戶的用電整體質(zhì)量。4)當(dāng)配電網(wǎng)切換至孤島方式，僅僅依靠光伏發(fā)電系統(tǒng)供應(yīng)電能，若該供電系統(tǒng)容量太小或未安裝儲能裝置，均有可能造成用戶負(fù)荷出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定和閃變問題。

針對孤島效應(yīng)產(chǎn)生的影響，主要有以下解決方法：

1. 優(yōu)化并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測方法，分析光伏發(fā)電對配電網(wǎng)故障電流大小、方向及分布的影響，提高故障情況下負(fù)荷切除速度和孤島劃分的選擇技術(shù)。

2)提高孤島檢測技術(shù)的可靠性，配置快速有效的反孤島保護(hù)功能，在異常情況下準(zhǔn)確判斷孤島狀態(tài)并迅速有效中斷并網(wǎng)。

4安科瑞的解決方案

4.1電能質(zhì)量在線監(jiān)測

APView500 電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置采用了高性能多核平臺和嵌入式操作系統(tǒng)，遵照IEC61000-4-30《測試和測量技術(shù)-電能質(zhì)量測量方法》中規(guī)定的各電能質(zhì)量指標(biāo)的測量方法進(jìn)行測量，集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測、電壓不平衡度監(jiān)測、事件記錄、測量控制等功能為一體。裝置在電能質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)測量方法的標(biāo)準(zhǔn)化和指標(biāo)參數(shù)的測量精度以及時鐘同步、事件標(biāo)記功能等各個方面均達(dá)到了 IEC61000-4-30 A 級標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足 110kV 及以下供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測的要求。

4.2防孤島保護(hù)裝置

防孤島保護(hù)裝置檢測到并網(wǎng)點(diǎn)有逆功率、頻率突變、 等異常數(shù)據(jù)時，即發(fā)生孤島現(xiàn)象時，裝置可配合斷路器快速切除并網(wǎng)點(diǎn)，使本站與電網(wǎng)側(cè)快速脫離，保證整個電站和相關(guān)維護(hù)人員的生命安全。

4.3產(chǎn)品介紹

5結(jié)束語

隨著我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，并網(wǎng)光 伏裝機(jī)容量和數(shù)量的不斷增加，致使電網(wǎng)電能質(zhì) 量受到很大影響。因此，研究并網(wǎng)光伏發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響非常必要。本文分析了光伏發(fā)電的工作基本原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述了并網(wǎng)光伏發(fā)電中諧波、電壓波動和閃變、直流注入、孤島效應(yīng)產(chǎn)生的原因，提出了改善電能質(zhì)量的可行性措施，對于進(jìn)一步提高光伏發(fā)電電能質(zhì)量具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

1. 李海龍,黃紅兵,譚曉東.并網(wǎng)光伏發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì),2019:73-75.

2. 王云國.光伏發(fā)電并網(wǎng)對電能質(zhì)量影響的分析 [J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2012,(08):53-54.

3. 丁明，王偉勝，王秀麗，等.大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)影響綜述 [J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014, (01):1-7.

4. 包黨泉.分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響及 對策 [J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2017, (06)71-72.

5. 郭宇航.分布式光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響及對策探討 [J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017,(03):27-29.

6. 周星宇.大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)影響綜述 [J]. 中國設(shè)備工程，2017,(01):157-158.

7. 企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2022.05版.