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
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王曉昭
江蘇安科瑞電器制造有限公司江蘇江陰214405
摘要：光伏發(fā)電作為當今一種新型、無(wú)污染的發(fā)電方式，對傳統電能的需求起到了很大緩解作用。但對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統而言，由于其本身隨機性、波動(dòng)性、間歇性的特點(diǎn)，且并網(wǎng)光伏發(fā)電系統中含有大量的非線(xiàn)性電力電子元器件，相比傳統發(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(dòng)和閃變、直流注入、孤島效應等問(wèn)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(zhù)國際化進(jìn)程的不斷加快，世界經(jīng)濟得到飛速發(fā)展，能源的消耗也隨之增加，而傳統能源的逐漸枯竭及環(huán)境問(wèn)題日益嚴重，太陽(yáng)能作為一種清潔、無(wú)污染的可再生能源受到人們的密切關(guān)注。近年來(lái)光伏發(fā)電裝機容量不斷擴大，上網(wǎng)電量也逐年增加，但由于其裝機容量規模一般較小、場(chǎng)址布置相對比較分散、輸出功率浮動(dòng)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)安全穩定運行具有重要意義。
1光伏發(fā)電的基本原理
光伏發(fā)電利用半導體表面存在的光生伏特效應，通過(guò)光照在半導體材料兩端發(fā)出直流電流。當太陽(yáng)光照在半導體P-N節上時(shí)，新的電子-空穴對就會(huì )形成，光子將電子從共價(jià)鍵中激發(fā)后，電子流向N區，空穴流向P區，從而半導體兩端產(chǎn)生電勢差。PN結兩端的電路一旦接通，就會(huì )形成電流，從P區經(jīng)外電路流向N區，對負載輸出電功率。
2并網(wǎng)光伏發(fā)電的結構和分類(lèi)
并網(wǎng)光伏發(fā)電系統主要由太陽(yáng)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(kāi)關(guān)元件。太陽(yáng)能電池輸出的直流電經(jīng)過(guò)DC-DC變換器將電壓等級升高，再通過(guò)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)現并入電網(wǎng)或給交流負載供電，光伏發(fā)電系統結構如圖1所示。
圖1并網(wǎng)光伏發(fā)電系統結構
依照并網(wǎng)運行方式，光伏發(fā)電系統可分為有逆流并網(wǎng)、無(wú)逆流并網(wǎng)和切換型并網(wǎng)三種形式。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統直接與電網(wǎng)連接，不需要儲能電池，節約了占地面積，大大降低了配置成本，負荷功率缺額由電網(wǎng)補充。因此，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統是太陽(yáng)能發(fā)電主要發(fā)展方向，也是現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性、波動(dòng)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)量能否達到并網(wǎng)要求。光伏發(fā)電并網(wǎng)運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生諧波、電壓波動(dòng)和閃變、直流注入、孤島效應等問(wèn)題，使電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，對電網(wǎng)造成不利影響，嚴重時(shí)會(huì )于擾供用電系統及光伏發(fā)電設備自身的安全穩定運行。
3.1諧波影響
光伏發(fā)電是通過(guò)光伏組件將太陽(yáng)能轉化為直流電，再經(jīng)過(guò)并網(wǎng)型逆變器將直流電變換成交流電實(shí)現并網(wǎng)。在光伏發(fā)電系統中，逆變器是產(chǎn)生諧波的主要設備。并網(wǎng)逆變器內部電力電子元件的大量應用，提升了系統的信息化和智能化處理，但也增加了大量的非線(xiàn)性負載，造成波形失真，給系統帶來(lái)大量諧波。逆變器開(kāi)關(guān)切換速度的延遲，也會(huì )影響電網(wǎng)系統內部整體動(dòng)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(dòng)范圍也會(huì )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(huì )產(chǎn)生疊加，從而形成輸出電流諧波超標現象。此外，逆變器并聯(lián)容易產(chǎn)生并聯(lián)諧振，進(jìn)而導致耦合諧振現象，造成特定次并網(wǎng)諧波電流擴大，產(chǎn)生并網(wǎng)電流諧波含量超標問(wèn)題。
針對光伏接入后的電能質(zhì)量問(wèn)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(wú)源濾波器，以吸收某些特定次數的諧波電流。3)裝設附加的諧波補償裝置。
3.2電壓波動(dòng)和閃變
在傳統配電網(wǎng)中，有功功率、無(wú)功功率隨時(shí)間變化才會(huì )引起系統電壓波動(dòng)。而對于光伏發(fā)電而言，光伏發(fā)電系統有功功率的變化是引起接入點(diǎn)電壓波動(dòng)和閃變的主要因素。光伏發(fā)電系統核心部件光伏電池板的大功率點(diǎn)與輻照強度、天氣、季節、溫度等因素密切相關(guān)，這些自然因素的隨機變化引起輸出功率變化較大，致使負載功率在一定范圍內變化頻繁，從而引起并網(wǎng)用戶(hù)負載端電壓波動(dòng)和閃變。
目前針對光伏電壓波動(dòng)和閃變問(wèn)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，提高電壓的穩定性；2)加大變電站母線(xiàn)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，以增加有功功率總量，從而降低無(wú)功功率變化量，滿(mǎn)足電壓波動(dòng)的限值要求。
3.3直流注入問(wèn)題
并網(wǎng)光伏發(fā)電系統中另一亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題：直流注入。直流注入影響了電網(wǎng)電能質(zhì)量，同時(shí)也給電網(wǎng)中的其他設備帶來(lái)不利影響。IEEEStd929-2000與IEEEStd547-2000明確規定，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(guò)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動(dòng)電路不一致不對稱(chēng)等；2)大功率控制器內部測量器件存在的零點(diǎn)漂移和非線(xiàn)性；3)各開(kāi)關(guān)器件線(xiàn)路阻抗的不對稱(chēng)，寄生參數和寄生電磁場(chǎng)的影響等。
目前抑制直流注入的主要方法包括：1)檢測補償法；2)優(yōu)化設計逆變器并網(wǎng)結構；3)電容隔直；4)虛擬電容法；5)裝置隔離變壓器等。
3.4孤島效應的影響
孤島效應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(gè)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統沒(méi)能及時(shí)檢測出電網(wǎng)停電狀態(tài)，從而光伏發(fā)電系統與其相連的負載仍獨立運行的現象。隨著(zhù)并網(wǎng)光伏發(fā)電接入滲透率的不斷擴大，孤島效應發(fā)生的幾率也逐漸增加。孤島效應的形成對整個(gè)配電網(wǎng)電能質(zhì)量造成不利影響，主要包括：1)在孤島效應發(fā)生位置，其電壓和頻率波動(dòng)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(huì )造成系統電氣設備損壞和重合閘故障等，同時(shí)可能會(huì )對電網(wǎng)維修人員造成個(gè)人安全隱患。2)在供電恢復過(guò)程中，由于電壓相位之間不同步將會(huì )產(chǎn)生浪涌電流，有可能導致電網(wǎng)波形瞬間下跌。3)光伏發(fā)電系統出現孤島效應之后，如果原供電模式為單相供電模式，有可能使配電網(wǎng)發(fā)生三相負荷不對稱(chēng)的問(wèn)題，進(jìn)而降低其余用戶(hù)的用電整體質(zhì)量。4)當配電網(wǎng)切換至孤島方式，僅僅依靠光伏發(fā)電系統供應電能，若該供電系統容量太小或未安裝儲能裝置，均有可能造成用戶(hù)負荷出現電壓不穩定和閃變問(wèn)題。
針對孤島效應產(chǎn)生的影響，主要有以下解決方法：
優(yōu)化并網(wǎng)光伏發(fā)電系統孤島檢測方法，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功能，在異常情況下準確判斷孤島狀態(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(xiàn)監測
APView500 電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置采用了高性能多核平臺和嵌入式操作系統，遵照IEC61000-4-30《測試和測量技術(shù)-電能質(zhì)量測量方法》中規定的各電能質(zhì)量指標的測量方法進(jìn)行測量，集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測、電壓不平衡度監測、事件記錄、測量控制等功能為一體。裝置在電能質(zhì)量指標參數測量方法的標準化和指標參數的測量精度以及時(shí)鐘同步、事件標記功能等各個(gè)方面均達到了 IEC61000-4-30 A 級標準，能夠滿(mǎn)足 110kV 及以下供電系統電能質(zhì)量監測的要求。
4.2防孤島保護裝置
防孤島保護裝置檢測到并網(wǎng)點(diǎn)有逆功率、頻率突變、 等異常數據時(shí)，即發(fā)生孤島現象時(shí)，裝置可配合斷路器快速切除并網(wǎng)點(diǎn)，使本站與電網(wǎng)側快速脫離，保證整個(gè)電站和相關(guān)維護人員的生命安全。
4.3產(chǎn)品介紹
名稱(chēng) | 型號 | 圖片 | 功能 |
電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置 | APView500 |
| 16 路交流電壓/電流通道，16 路可編程無(wú)源繼電器出口、22 路有源開(kāi)關(guān)量輸入通道，2路 RS485 接口，4 路以太網(wǎng)接口； 1 路 GPS 對時(shí)接口，支持 IRIG-B 對時(shí)方式； 1 路 RS232 接口 1 路 USB 接口 |
防孤島保護裝置 | AM5SE-IS |
| 三段式過(guò)流保護，低電壓跳閘，零序過(guò)壓保護（跳閘/告警） ，逆功率保護，頻率保護（低頻減載/高頻保護） ， 后加速過(guò)流保護，控制回路斷線(xiàn)告警，FC 回路配合的過(guò)流閉鎖功能 ， CT 斷線(xiàn)告警 |
多回路匯流箱 | APV-M4 |
| 4路光伏匯流監測 |
APV-M8 | 8路光伏匯流監測 | ||
APV-M10 | 10路光伏匯流監測 | ||
APV-M12 | 12路光伏匯流監測 | ||
APV-M16 | 16路光伏匯流監測 | ||
光伏匯流采集裝置 | AGF-T |
| 監測光電池陣列中電池板運行狀態(tài)，組串電流測量，匯流箱中防雷器狀態(tài)采集、直流斷路器狀態(tài)采集 |
逆流檢測儀表 | AGF-AE |
| 額定電壓線(xiàn)對N：120V 額定電壓線(xiàn)對線(xiàn)：208/240V 支持的網(wǎng)絡(luò )：L1/L2/N/PE 通信：RS485
|
逆流檢測儀表 | ACR10R |
| 集成全部電力參數的測量以及電能監測和考核管理，并可實(shí)現斷路器開(kāi)關(guān)的“遙信”和“遙控”功能 |
電能質(zhì)量監測儀表 | APM830 |
| 網(wǎng)絡(luò )：三相三線(xiàn)，三相四線(xiàn) 功能：全電量測量、電能統計、電能質(zhì)量分析、錄波功能、事件記錄功能 精度：0.5S級 |
5結束語(yǔ)
隨著(zhù)我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，并網(wǎng)光 伏裝機容量和數量的不斷增加，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構特點(diǎn)，闡述了并網(wǎng)光伏發(fā)電中諧波、電壓波動(dòng)和閃變、直流注入、孤島效應產(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
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,2019:73-75.
王云國.光伏發(fā)電并網(wǎng)對電能質(zhì)量影響的分析 [J]. 農業(yè)科技與裝備，2012,(08):53-54.
徐文麗，鮑偉，王巨波，等.分布式電源并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響研究綜述 [J]. 電源技術(shù)，2016, (12):2799-2801.
丁明，王偉勝，王秀麗，等.大規模光伏發(fā)電對電力系統影響綜述 [J]. 中國電機工程學(xué)報，2014, (01):1-7.
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.
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 )新導報，2017,(03):27-29.
周星宇.大規模光伏發(fā)電對電力系統影響綜述 [J]. 中國設備工程，2017,(01):157-158.
企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.
作者簡(jiǎn)介：王曉昭，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，工程師， 技術(shù)交流：021-69156559
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