淺析并網(wǎng)光伏發(fā)電系統對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

作者 何德良1 賈宏偉2，3   1、廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局(廣東 東莞 523000)  2、廣東省電力工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校(廣東 廣州 510000)  3、廣東電網(wǎng)有限責任公司教育培訓評價(jià)中心(廣東 廣州 510000)

　　何德良，男，高級技師，研究方向：配網(wǎng);賈宏偉，1979年9月，男，碩士研究生，講師，研究方向：電力系統市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)。

摘要：光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能的主要利用途徑，能夠有效緩解化石能源供給緊張的的現狀。光伏發(fā)電系統并入常規電網(wǎng)，與之共同承擔發(fā)供電任務(wù)，即形成并網(wǎng)光伏發(fā)電系統。相對于獨立光伏發(fā)電，擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的并網(wǎng)光伏發(fā)電，受到了各國極力地推崇和大力地發(fā)展。因此，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統也就成為全球綠色新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但在光伏發(fā)電并網(wǎng)過(guò)程中采用了大量的電力電子技術(shù)，在送上能源的同時(shí)也帶來(lái)了很多影響電網(wǎng)電能質(zhì)量的因素。本文就光伏發(fā)電并網(wǎng)的幾個(gè)主要技術(shù)環(huán)節可能帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析。

0 引言

　　全球化石能源日益消耗，能源供給狀況日趨緊張，世界各國不得不加緊尋找替代能源和大力開(kāi)發(fā)節能技術(shù)。而儲量豐富、清潔的太陽(yáng)能，無(wú)疑是化石能源理想的可持續替代能源;光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能的主要利用途徑，能夠有效緩解化石能源供給緊張的現狀。光伏發(fā)電系統并入常規電網(wǎng)，與之共同承擔發(fā)供電任務(wù)，即形成并網(wǎng)光伏發(fā)電系統。相對于獨立光伏發(fā)電，擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的并網(wǎng)光伏發(fā)電，受到了各國極力地推崇和大力地發(fā)展。

1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統主要結構

　　光伏發(fā)電系統分為獨立運行與并網(wǎng)運行兩種工作方式。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統比較具有市場(chǎng)應用價(jià)值的形式，是當今世界光伏發(fā)電發(fā)展的主要趨勢。并網(wǎng)光伏發(fā)電作為光伏發(fā)電的一般具有兩種典型系統結構，即單級式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統與兩級式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統。兩者相比較而言，單級式光伏逆變器控制系統需要同時(shí)實(shí)現最大功率點(diǎn)跟蹤與并網(wǎng)控制功能，因此對控制器的要求會(huì )比較高。另外，必須加裝直流母線(xiàn)電壓保護裝置來(lái)確保系統并網(wǎng)的安全性。兩級式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統主要包括光伏陣列、變換器、逆變器、控制器、濾波電路等幾部分。第一級在實(shí)現對光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤的同時(shí)，將光伏陣列產(chǎn)生的直流電通過(guò)升壓變換為受控直流電提供給后級的并網(wǎng)光伏逆變器。第二級的光伏并網(wǎng)逆變器將直流母線(xiàn)上的直流電逆變?yōu)榻涣麟娝徒o并網(wǎng)，同時(shí)完成直流母線(xiàn)電壓的穩壓功能。本文以?xún)杉壥讲⒕W(wǎng)光伏發(fā)電系統為例分析光伏發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電要實(shí)現安全、可靠、高效的并網(wǎng)運行必須依賴(lài)于有效地控制技術(shù)，主要分為三個(gè)主要方面：最大功率點(diǎn)跟蹤、并網(wǎng)控制和孤島效應檢測與保護。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)對電能質(zhì)量的影響(MPPT)

　　光伏陣列的輸出具有高度非線(xiàn)性特征，并且受到光照強度、溫度以及負載狀況的影響。在一定的光照強度和環(huán)境溫度下，只有唯一的電壓值對應著(zhù)光伏陣列的最大輸出功率。因此，不斷地根據光照強度、溫度等外部環(huán)境因素的變化來(lái)調整光伏陣列的工作點(diǎn)，使之始終處于最大功率點(diǎn)的技術(shù)稱(chēng)為最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，就是把太陽(yáng)能光伏陣列輸出功率穩定在其可輸出的最大值Pm處。

　　兩級式并網(wǎng)光伏發(fā)電的拓撲結構，第一級即變換器和最大功率跟蹤算法一起接入到光伏發(fā)電控制系統中實(shí)現整個(gè)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統的最大功率點(diǎn)跟蹤。DC-DC變換器通過(guò)控制電力電子功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，改變功率開(kāi)關(guān)的占空比來(lái)調整輸出電壓平均值的方式改變直流電的幅值。應用在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統中的電壓-電壓型DC-DC變換電路主要有：降壓式(Buck)、升壓式(Boost)、升降壓式(Buck-Boost)、庫克式(Cuk)。無(wú)論采用哪種方式都要通過(guò)采用改變功率開(kāi)關(guān)管的占空比的方法來(lái)實(shí)現光伏陣列最大功率點(diǎn)的跟蹤。所以電路的參數與控制占空比的算法都會(huì )對系統輸出電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。另外，以Boost電路為例，Boost升壓電路影響電路的電能質(zhì)量主要是電路的電感和電容的取值，而電路上的電感、電容的取值都很大程度上影響光伏陣列輸出電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)程的調節時(shí)間、峰值以及穩態(tài)電壓波動(dòng)的幅度，從而影響到光伏系統的并網(wǎng)電能質(zhì)量。濾波電感主要是影響并網(wǎng)光伏發(fā)電系統環(huán)節的輸出電壓。電容取值不變時(shí)，隨著(zhù)電感的取值減小，光伏陣列輸出電壓則由振蕩啟動(dòng)轉變?yōu)榉钦袷巻?dòng)，減小了電壓跟隨設定值的速度，增加了達到穩態(tài)的時(shí)間，且振蕩峰值也隨著(zhù)電感的減小而增大。但當電感值小于理論上的最小值時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生使輸出電壓引起輸出紋波電流過(guò)大、并網(wǎng)諧波增加等等問(wèn)題。電容的取值則主要影響光伏陣列輸出電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)程的調節時(shí)間以及穩態(tài)電壓波動(dòng)的幅度，不影響輸出電壓的幅值。電容取值越大，輸出電壓波動(dòng)幅度就越小，這樣，有利于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統逆變電路直流母線(xiàn)電壓的穩定;但電容取值增大會(huì )使得啟動(dòng)的振蕩過(guò)程變久而降低電壓的跟隨速度，同樣當電容值小于理論上的最小值時(shí)，穩態(tài)輸出電壓就會(huì )出現高頻率、大幅度的波動(dòng)，這將會(huì )嚴重影響電能質(zhì)量。

　　最常見(jiàn)的最大功率跟蹤算法主要有三種：恒電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀(guān)察法以及電導增量法。恒電壓跟蹤法是把光伏陣列輸出電壓始終控制在某一設定值來(lái)達到最大功率跟蹤?？梢员ＷC比較好的電能質(zhì)量輸出。但在外界環(huán)境變化的時(shí)候，恒電壓法適應性很差，會(huì )造成光伏陣列輸出功率的損失，甚至光伏陣列輸出電壓低于設定值，使輸出功率為零，嚴重降低光伏電池的利用率，引起整個(gè)電網(wǎng)功率缺額，從而影響并網(wǎng)的電能質(zhì)量。

　　擾動(dòng)觀(guān)察法提高了光伏電池利用效率，但擾動(dòng)的持續存在，會(huì )使穩定時(shí)輸出功率在最大功率點(diǎn)的附近振蕩，輸出電壓也始終存在的波動(dòng)，進(jìn)而給電網(wǎng)引入諧波。當擾動(dòng)量比較大時(shí)，輸出電壓的跟蹤速度快，但是穩定后電壓的波動(dòng)幅度大，跟蹤精度也較差;如果擾動(dòng)量比較小，輸出電壓的跟蹤精度高，但是達到穩態(tài)的時(shí)間長(cháng)。

　　電導增量法是根據功率極值點(diǎn)的倒數為零來(lái)跟蹤最大功率點(diǎn)。相比恒電壓法和擾動(dòng)觀(guān)察法，電導增量法可以獲得比較好的光伏并網(wǎng)系統電能質(zhì)量。

3 并網(wǎng)逆變器對電能質(zhì)量影響因素分析

　　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統的主要功能為將太陽(yáng)能光伏陣列所產(chǎn)生的直流電直接轉換成與電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電，其控制方式如同一個(gè)與電網(wǎng)電壓同步的電流控制型PWM逆變器。為了降低送入電網(wǎng)的電流對電網(wǎng)產(chǎn)生的電流諧波，因此送入電網(wǎng)的電流波形總諧波畸變率應越低越好?？刂颇繕藶檩敵龉β室驍禐?。

　　逆變器按輸出控制方式也分為電壓控制與電流控制兩種。若采用L型并網(wǎng)逆變器，則逆變電路對并網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響的元件參數主要有直流側電容、濾波電感。電容取值若太小則會(huì )增大電壓波動(dòng)，降低并網(wǎng)電流跟蹤效果;電容取值若過(guò)大又會(huì )降低動(dòng)態(tài)響應速度，而且會(huì )增加電容造價(jià)和物理體積。從濾波電感決定逆變電路低頻輸出阻抗來(lái)說(shuō)，取值應盡量小，但這樣會(huì )增大電路諧波電流。濾波電感越大，THD值越小，即并網(wǎng)的諧波電流越小。另外，光伏并網(wǎng)控制環(huán)節也是影響并網(wǎng)光伏發(fā)電系統電能質(zhì)量的重要因素，不同的電流跟蹤控制方式直接關(guān)系到逆變器輸出電流的波形質(zhì)量。以滯環(huán)電流比較控制為例，其中的滯環(huán)寬度與開(kāi)關(guān)頻率都直接影響并網(wǎng)輸出電流的電能質(zhì)量。環(huán)寬太大會(huì )降低并網(wǎng)電流的跟蹤精度，電流THD值增大;環(huán)寬取值太小又會(huì )使開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，而開(kāi)關(guān)頻率的波動(dòng)性過(guò)大會(huì )造成并網(wǎng)電流頻譜較寬，這樣會(huì )加大濾波電路的設計難度，同時(shí)增加并網(wǎng)電流諧波。

4 孤島效應檢測與保護技術(shù)對電能質(zhì)量的影響

　　孤島效應，是指電網(wǎng)失電時(shí)，光伏發(fā)電系統未能及時(shí)檢測出電網(wǎng)停電狀態(tài)并及時(shí)脫離電網(wǎng)，使太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統和周?chē)呢撦d組成一個(gè)脫離電網(wǎng)的自給供電孤島。孤島效應一旦發(fā)生，如果不能得到及時(shí)、妥當地處理，有可能產(chǎn)生下列非常嚴重的后果：當電網(wǎng)發(fā)生故障或其它原因而斷網(wǎng)后，由于光伏發(fā)電系統仍舊維持供電予負載，將可能使得維修人員在進(jìn)行維修時(shí)，發(fā)生人身或設備安全事故。當電網(wǎng)斷電后，光伏發(fā)電系統由于失去電網(wǎng)所提供的參考信號，會(huì )造成系統輸出電壓、電流及頻率漂移而偏移電網(wǎng)正常頻率，不僅引發(fā)不穩定的情況，還可能使所供電能包含有較多電壓與電流諧波成分。若未能及時(shí)將負載與光伏發(fā)電系統分離，將損壞某些對頻率變化十分敏感的負載。在市電恢復瞬間，由于電壓相位不同，可能產(chǎn)生較大的沖擊電流，造成相關(guān)設備損壞。且在電網(wǎng)恢復供電時(shí)，可能引發(fā)同步問(wèn)題。若光伏系統與電網(wǎng)為三相連接，當發(fā)生孤島現象時(shí)，將形成欠相供電，影響用戶(hù)正常使用三相負載。

　　常用的孤島效應檢測方法一般可分成被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。被動(dòng)檢測法是直接檢測電路中的電壓與電流的相位、頻率等等，所以不會(huì )對電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成影響。但是若采用主動(dòng)檢測算法，這些算法都是往電網(wǎng)中加入一些擾動(dòng)量，無(wú)論是頻率、相位，還是有功、無(wú)功都會(huì )對輸出的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，會(huì )增大電網(wǎng)的諧波含量。

5 總結

　　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統已成為全球綠色新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在有效緩解能源危機成為電網(wǎng)重要組成部分的同時(shí)，也帶來(lái)了很多新問(wèn)題，值得深思與研究。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第12期第81頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。