淺析并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)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(zé)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(zé)任公司教育培訓(xùn)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(tǒng)市場營銷。

摘要：光伏發(fā)電作為太陽能的主要利用途徑，能夠有效緩解化石能源供給緊張的的現(xiàn)狀。光伏發(fā)電系統(tǒng)并入常規(guī)電網(wǎng)，與之共同承擔(dān)發(fā)供電任務(wù)，即形成并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。相對于獨(dú)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(tǒng)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(jié)可能帶來的電能質(zhì)量問題進(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發(fā)節(jié)能技術(shù)。而儲(chǔ)量豐富、清潔的太陽能，無疑是化石能源理想的可持續(xù)替代能源;光伏發(fā)電作為太陽能的主要利用途徑，能夠有效緩解化石能源供給緊張的現(xiàn)狀。光伏發(fā)電系統(tǒng)并入常規(guī)電網(wǎng)，與之共同承擔(dān)發(fā)供電任務(wù)，即形成并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。相對于獨(dú)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(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行兩種工作方式。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)比較具有市場應(yīng)用價(jià)值的形式，是當(dāng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)，即單級式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與兩級式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。兩者相比較而言，單級式光伏逆變器控制系統(tǒng)需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)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，必須加裝直流母線電壓保護(hù)裝置來確保系統(tǒng)并網(wǎng)的安全性。兩級式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)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(xiàn)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)完成直流母線電壓的穩(wěn)壓功能。本文以兩級式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)為例分析光伏發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

　　太陽能光伏發(fā)電要實(shí)現(xiàn)安全、可靠、高效的并網(wǎng)運(yùn)行必須依賴于有效地控制技術(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(yīng)檢測與保護(hù)。

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性特征，并且受到光照強(qiáng)度、溫度以及負(fù)載狀況的影響。在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，只有唯一的電壓值對應(yīng)著光伏陣列的最大輸出功率。因此，不斷地根據(jù)光照強(qiáng)度、溫度等外部環(huán)境因素的變化來調(diào)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)稱為最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，就是把太陽能光伏陣列輸出功率穩(wěn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(tǒng)中實(shí)現(xiàn)整個(gè)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤。DC-DC變換器通過控制電力電子功率開關(guān)器件的通斷，改變功率開關(guān)的占空比來調(diào)整輸出電壓平均值的方式改變直流電的幅值。應(yīng)用在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)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)。無論采用哪種方式都要通過采用改變功率開關(guān)管的占空比的方法來實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率點(diǎn)的跟蹤。所以電路的參數(shù)與控制占空比的算法都會(huì)對系統(tǒng)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啟動(dòng)過程的調(diào)節(jié)時(shí)間、峰值以及穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)的幅度，從而影響到光伏系統(tǒng)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(tǒng)環(huán)節(jié)的輸出電壓。電容取值不變時(shí)，隨著電感的取值減小，光伏陣列輸出電壓則由振蕩啟動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉钦袷巻?dòng)，減小了電壓跟隨設(shè)定值的速度，增加了達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，且振蕩峰值也隨著電感的減小而增大。但當(dāng)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大、并網(wǎng)諧波增加等等問題。電容的取值則主要影響光伏陣列輸出電壓啟動(dòng)過程的調(diào)節(jié)時(shí)間以及穩(wěn)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(tǒng)逆變電路直流母線電壓的穩(wěn)定;但電容取值增大會(huì)使得啟動(dòng)的振蕩過程變久而降低電壓的跟隨速度，同樣當(dāng)電容值小于理論上的最小值時(shí)，穩(wěn)態(tài)輸出電壓就會(huì)出現(xiàn)高頻率、大幅度的波動(dòng)，這將會(huì)嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。

　　最常見的最大功率跟蹤算法主要有三種：恒電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法以及電導(dǎo)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(shè)定值來達(dá)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(yīng)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(shè)定值，使輸出功率為零，嚴(yán)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)觀察法提高了光伏電池利用效率，但擾動(dòng)的持續(xù)存在，會(huì)使穩(wěn)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(dāng)擾動(dòng)量比較大時(shí)，輸出電壓的跟蹤速度快，但是穩(wěn)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(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間長。

　　電導(dǎo)增量法是根據(jù)功率極值點(diǎn)的倒數(shù)為零來跟蹤最大功率點(diǎn)。相比恒電壓法和擾動(dòng)觀察法，電導(dǎo)增量法可以獲得比較好的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)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(tǒng)的主要功能為將太陽能光伏陣列所產(chǎn)生的直流電直接轉(zhuǎn)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(yīng)越低越好?？刂颇繕?biāo)為輸出功率因數(shù)為1。

　　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(shù)主要有直流側(cè)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;電容取值若過大又會(huì)降低動(dòng)態(tài)響應(yīng)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說，取值應(yīng)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(jié)也是影響并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)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)使開關(guān)頻率過高，而開關(guān)頻率的波動(dòng)性過大會(huì)造成并網(wǎng)電流頻譜較寬，這樣會(huì)加大濾波電路的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)增加并網(wǎng)電流諧波。

4 孤島效應(yīng)檢測與保護(hù)技術(shù)對電能質(zhì)量的影響

　　孤島效應(yīng)，是指電網(wǎng)失電時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)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)，使太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍的負(fù)載組成一個(gè)脫離電網(wǎng)的自給供電孤島。孤島效應(yīng)一旦發(fā)生，如果不能得到及時(shí)、妥當(dāng)?shù)靥幚恚锌赡墚a(chǎn)生下列非常嚴(yán)重的后果：當(dāng)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(tǒng)仍舊維持供電予負(fù)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(shè)備安全事故。當(dāng)電網(wǎng)斷電后，光伏發(fā)電系統(tǒng)由于失去電網(wǎng)所提供的參考信號，會(huì)造成系統(tǒng)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(wěn)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(fù)載與光伏發(fā)電系統(tǒng)分離，將損壞某些對頻率變化十分敏感的負(fù)載。在市電恢復(fù)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(shè)備損壞。且在電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，可能引發(fā)同步問題。若光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)為三相連接，當(dāng)發(fā)生孤島現(xiàn)象時(shí)，將形成欠相供電，影響用戶正常使用三相負(fù)載。

　　常用的孤島效應(yīng)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，無論是頻率、相位，還是有功、無功都會(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(jié)

　　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)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(jī)成為電網(wǎng)重要組成部分的同時(shí)，也帶來了很多新問題，值得深思與研究。

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