光伏發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響分析及解決方案

李博

摘要：光伏發(fā)電站是近些年來各類發(fā)電站中較為清潔的一種，它利用了太陽能轉(zhuǎn)化為電能的原理進(jìn)行發(fā)電，光生伏特效應(yīng)的作用下，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢，將光能轉(zhuǎn)換成電能。所以在光伏發(fā)電站中光照強(qiáng)度決定了發(fā)電站的總功率。但是季節(jié)的更替以及地球的自轉(zhuǎn)導(dǎo)致光照在不同的時間點就會不同，外加有遮擋物的影響。光照不一致就導(dǎo)致了輸出功率的不穩(wěn)定。本文從光伏并網(wǎng)項目系統(tǒng)介紹為基礎(chǔ)，根據(jù)光伏發(fā)電并網(wǎng)發(fā)電不穩(wěn)定的特點對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響，并對此加以分析及解決。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電、光伏并網(wǎng)、電能質(zhì)量

引言：

太陽能作為新型的清潔能源，在各個領(lǐng)域人類幾乎都對它加以利用，在將近十年的時間，全世界利用了太陽能的光伏產(chǎn)業(yè)每年都在增長，我們國家在不斷發(fā)展與進(jìn)步中光伏產(chǎn)業(yè)在世界上屬于領(lǐng)先地位。但是隨之而來的問題也越來越多。由于光伏項目受氣象影響波動較大，這些問題對電能的質(zhì)量產(chǎn)生了較大的影響，我們也要積極采取相應(yīng)的措施去解決電能質(zhì)量的問題。

一、關(guān)于光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的概述

無論是分布式還是集中式電站，并網(wǎng)電壓等級不同，但是組成原理相同，都是由光伏組件、并網(wǎng)逆變器、升壓變壓器、控制保護(hù)裝置這四個部分構(gòu)成（如圖1所示）。在光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)的時候，就意味著能量轉(zhuǎn)化的開始。

由于光能的不均勻吸收導(dǎo)致產(chǎn)生的諧波與發(fā)電功率也不穩(wěn)定，這就是影響了電能質(zhì)量的其中一種因素，也是較為重要的因素。而諧波與電功率的不穩(wěn)定性會導(dǎo)致光伏發(fā)電站中電網(wǎng)的不穩(wěn)定。所以提高電能的質(zhì)量是必須要處理的問題。

二、光伏發(fā)電站并網(wǎng)系統(tǒng)中電能質(zhì)量的影響因素：

（一）電壓的不穩(wěn)定性

光伏電站的不穩(wěn)定性還在于配電網(wǎng)與光伏電源在結(jié)合以后電壓受光源忽大忽小的影響，也變得極其不穩(wěn)定，這種迅速的變化十分損耗光伏發(fā)電站的系統(tǒng)，如果出現(xiàn)故障電流的方向發(fā)生變化，那么電壓暫降的問題就會顯現(xiàn)出來。種種因素影響了整個光伏發(fā)電站的電能質(zhì)量。由于受天氣、環(huán)境溫度、光伏板安裝位置等因素影響，光伏電站的輸出功率會有所變化，最大變化率甚至超過額定量的10%，因此產(chǎn)生了發(fā)電量的不穩(wěn)定問題，會對饋入電網(wǎng)的諧波產(chǎn)生影響。

1. 光伏電站的并網(wǎng)需要應(yīng)用到逆變器，為最大利用逆變器容量和最大發(fā)電量，廠家會將并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)設(shè)定過大。但隨著光伏電站裝機(jī)容量的增加，由于光伏發(fā)電的功率波動性，逆變器的高功率因數(shù)運行對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成威脅，有功不變時，無功幾乎不能調(diào)節(jié)，需要額外的無功來維持電壓。另外，逆變器輸出輕載時，諧波會明顯變大，在10%額定功率以下時，電流的總諧波畸變率則會到15%-20%以上。

2. 光伏發(fā)電功率隨日照強(qiáng)度變化對電網(wǎng)負(fù)荷特性產(chǎn)生影響，它的接入改變了電網(wǎng)潮流方向，將對現(xiàn)有電網(wǎng)的規(guī)劃、調(diào)度運行方式產(chǎn)生影響。雖然逆變器有MPPT最大功率跟蹤功能，但光伏發(fā)電單位不具有調(diào)度自動化功能，加大了電網(wǎng)控制與調(diào)度運行的難度。若大量光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)終端，將加劇電壓波動，可能引起電壓/無功調(diào)節(jié)裝置的頻繁動作，影響到系統(tǒng)的保護(hù)。

（二）電能的損耗

由于輸送電壓越來越大，電能的損耗在運輸過程中也越來越大，大量的損耗也會影響電能質(zhì)量。輸送電壓不斷增加的情況下，我們光伏發(fā)電站還維持原有的設(shè)備，就會導(dǎo)致出現(xiàn)的問題無法得到有效的解決，這時候適當(dāng)增加調(diào)壓設(shè)備就會讓整個光伏發(fā)電站的電能質(zhì)量有所提高。

（三）孤島效應(yīng)

所謂孤島現(xiàn)象是指當(dāng)電網(wǎng)供電因故障事故或停電維修而跳脫時，各個用戶端的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能即時檢測出停電狀態(tài)而將自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，而形成由分布電站并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負(fù)載組成的一個自給供電的孤島。

孤島一旦產(chǎn)生將會危及電網(wǎng)輸電線路上維修人員的安全;影響配電系統(tǒng)上的保護(hù)開關(guān)的動作程序，沖擊電網(wǎng)保護(hù)裝臵;影響傳輸電能質(zhì)量，電力孤島區(qū)域的供電電壓與頻率將不穩(wěn)定;當(dāng)電網(wǎng)供電恢復(fù)后會造成的相位不同步;單相分布式發(fā)電系統(tǒng)會造成系統(tǒng)三相負(fù)載欠相供電。

三、如何解決這些電能質(zhì)量問題

（一）如何解決電壓暫降的問題

電壓暫降可以采用模擬系統(tǒng)的建立來進(jìn)行準(zhǔn)確的測試，通過模擬器的測試，我們可以找出電壓暫降的根本原因。當(dāng)并網(wǎng)點出現(xiàn)電容量不夠的情況時，就會導(dǎo)致無法兼容并網(wǎng)點的短路問題，適當(dāng)增加并網(wǎng)點的電容量可以減少故障產(chǎn)生的概率。對于傳統(tǒng)的電能量檢測我們也可以加以利用。加裝SVG和SVC，通過電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度調(diào)節(jié)有功和無功的平衡，對于調(diào)節(jié)電能質(zhì)量起到了很好的控制作用。

（二）增加調(diào)壓設(shè)備

在光伏發(fā)電站中我們也可以適當(dāng)增設(shè)部分效果顯著的調(diào)壓設(shè)備，這樣可以更好地控制電壓帶給電能質(zhì)量的影響，這種設(shè)備的原理是根據(jù)諧振原理建造的，高次諧波需要通過消除來達(dá)到與濾波電路的協(xié)調(diào)。另外增加逆變器MPPT的數(shù)量，這樣可以跟蹤到光伏組件每個組件的電流電壓輸出最大功率，但每次調(diào)節(jié)會導(dǎo)致輸出側(cè)產(chǎn)生諧波分量，所以提高優(yōu)化MPPT算法使得逆變器對光照環(huán)境等因素精準(zhǔn)快速找到最大功率輸出點減少諧波及三相電壓不平衡[3]。

（三）增加防孤島保護(hù)設(shè)備

逆變器直接并網(wǎng)時應(yīng)具有基本的保護(hù)功能外，還應(yīng)具備防孤島效應(yīng)的特殊功能。孤島發(fā)生時必須快速、準(zhǔn)確地切除并網(wǎng)逆變器，由此引出了對于孤島效應(yīng)進(jìn)行檢測的控制。 基于逆變器的防孤島效應(yīng)保護(hù)方案分為主動式防孤島保護(hù)方案和被動式防孤島保護(hù)方案。被動式方案通過檢測逆變器交流輸出端電壓或頻率的異常來檢測孤島效應(yīng)。由于被動式方案的檢測范圍有限，因此為了滿足并網(wǎng)逆變器防孤島保護(hù)安全標(biāo)準(zhǔn)的要求， 應(yīng)至少設(shè)臵各一種主動和被動防孤島效應(yīng)保護(hù)。主動式方案通過有意地引入擾動信號來監(jiān)控系統(tǒng)中電壓、頻率以及阻抗的相應(yīng)變化，以確定電網(wǎng)的存在與否。

四、結(jié)束語

光伏發(fā)電作為新型能源，在未來太陽能會與我們的生活密切相關(guān)，所以對于光伏電站出現(xiàn)的電能質(zhì)量問題要加以重視，并且及時采取有效的解決方案，這樣可以有效避免我們在使用光伏發(fā)電站并入傳統(tǒng)發(fā)電電網(wǎng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性造成影響。及時改善發(fā)電中出現(xiàn)的各種問題會讓我們的光伏發(fā)電站在未來有更好的發(fā)展。也會為光能發(fā)電作為未來的主要發(fā)電趨勢打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 崔昊楊， 李志鋒， 馬法君， et al. 皮秒脈沖激光照射下碲鎘汞光伏紅外探測器的負(fù)光伏響應(yīng)新現(xiàn)象[J]. 紅外與毫米波學(xué)報， 2009（3）：161-164.

[3] 郭芳，鄧長虹，廖毅，譚茂強(qiáng)，賀艷芝. 基于改進(jìn)MPPT算法的微電網(wǎng)電能質(zhì)量改善作用研究， 南方能源建設(shè)，2015 年 第 2 卷 第 1 期