摘要：由于光伏發(fā)電站發(fā)電功率取決于光照強度，導致發(fā)輸出功率產(chǎn)生間接性和不穩(wěn)定性，同時在使用逆變器將直流電轉化為交流電的過程中會產(chǎn)生一定量的諧波電流。光伏發(fā)電通過大量電子氣與電網(wǎng)連接，會對電網(wǎng)的電能質量的諧波含量、三相電壓不平衡度以及閃變?nèi)椫笜水a(chǎn)生較大影響。因此，研究光伏發(fā)電關于提高電能質量的技術也就成為了新型研究的主導。文章介紹光伏發(fā)電的原理接網(wǎng)方式，并解析光伏發(fā)電站產(chǎn)生諧波對電能質量的主要影響及采取相應的解決措施。

關鍵詞：光伏發(fā)電；電能質量；諧波；三相電壓；閃變；直流電；交流電

中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）31-0115-03

近十年來，全球的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)每年以41.3%的速度在增長，中國成為了世界上光伏發(fā)電技術和光伏電池組件的大國，年發(fā)電產(chǎn)量約占世界產(chǎn)量的44%，預計到2015年中國的光伏發(fā)電的裝機總量將達到500萬kW。由于在10KV接入、400V接入、220V接入系統(tǒng)中都檢測到諧波電流總畸變率偏高的問題。隨著容量的增大，諧波電流對電網(wǎng)的影響也將隨之增大。于是光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器易產(chǎn)生諧波、三相電流相對不平衡、輸出功率相對不穩(wěn)定等問題容易造成電網(wǎng)電壓的波動、閃變，因此需要對電網(wǎng)進行相應的電能質量處理。

1 光伏發(fā)電站發(fā)電原理以及接入電網(wǎng)方法

太陽的光子照射到不均勻的半導體或者金屬與半導體結合的不同位置產(chǎn)生了電位差。根據(jù)能量之間的轉化，其過程就是由光子轉化為電子，光能轉化為電能的過程；由于電位差形成電壓，通過連接形成電流的回路，我們把這個稱為光伏效應，同時這也是光伏發(fā)電站發(fā)電的原理。

根據(jù)電壓等級可以將光伏發(fā)電站分為三類：一是接入電壓等級為66KV及以上的電網(wǎng)的光伏發(fā)電站稱為大型光伏發(fā)電站；二是接入電壓等級為10～35KV電網(wǎng)的光伏發(fā)電站稱為中型光伏發(fā)電站；三是接入電壓等級為0.4kV低壓電網(wǎng)的光伏發(fā)電站稱為小型光伏發(fā)電站。光伏發(fā)電站由四個部分組成：光伏電池陣列、逆變器、升壓變壓器、控制保護裝置，其發(fā)電以及接入電網(wǎng)的過程就是首先通過光伏電池陣列將光能轉變?yōu)殡娔埽娔芤灾绷麟姷男问酵ㄟ^逆變器轉變?yōu)榻涣麟娸敵?，此時的交流電是低壓交流電，然后通過升壓變壓器將交流電的電壓升壓最終接入電網(wǎng)。一個光伏發(fā)電站的發(fā)電功率通過此發(fā)電站的光照量來衡量。光伏發(fā)電受環(huán)境的影響造成存在高次諧波含量和發(fā)電功率不穩(wěn)定性，從而影響到光伏發(fā)電的電能質量。

2 光伏發(fā)電站產(chǎn)生諧波對電網(wǎng)的主要影響

某光伏發(fā)電站并網(wǎng)點對電能質量進行連續(xù)測量，測試時間為60小時30分鐘，其中光伏發(fā)電時間為25小時20分鐘，如表1所示：

測試結果表明：各項指標均合格，其中三項指標裕度很大，電壓總畸變率裕度較小且最大值已超標。不同測試時間段對95%概率值有影響。

C相諧波電流最大值測試結果如下圖1所示：

圖1表明C相25次諧波電流最大，超過協(xié)議容量允許值。且95%概率值也已經(jīng)超過允許電流，但95%概率值還在合格范圍內(nèi)。

2.1 高次諧波含量

通過測量研究表明，電力系統(tǒng)中的三相交流發(fā)電機輸出的電壓的波形通常情況下為正弦波，所謂的正弦波就是波形中近似無直流及高次諧波的分量。對于基波就是對稱分量，三相向量之和為零，這樣就對外不會形成電磁場。但是對于諧波電流的分量的三相向量之和不等于零，會形成強大的磁場，對光伏發(fā)電站的電能質量產(chǎn)生影響。高次諧波源向整個電網(wǎng)注入了整倍于基波頻率的諧波電流。諧波電流在電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波降壓，必然會導致整個電網(wǎng)電壓和電流的波形產(chǎn)生變化，直接導致了光伏發(fā)電站電能質量的不斷下降。

研究發(fā)現(xiàn)，光照強度對于光伏發(fā)電站輸出的諧波影響顯著。光伏發(fā)電站中通常采用的脈沖寬度調制技術將直流電轉化為交流電的過程中都會產(chǎn)生不同的諧波。由于采用脈沖寬度調制技術的逆變器主要目的就是為了降低低頻次諧波含量對電網(wǎng)的電能質量的影響，但同時也丟失了抑制高頻次諧波含量的能力，導致諧波中的低頻次的含量低。

2.2 發(fā)電功率的不穩(wěn)定性

光照強度對于光伏發(fā)電站的輸出功率同樣存在著巨大的影響。光伏發(fā)電的輸出功率具有波動性、間歇性、周期性這三個主要特點，這就造成了對電網(wǎng)電壓的波動閃變。尤其是光伏發(fā)電在如今發(fā)電形式的比例越來越重要的情況下，它的三個主要特點對用電電網(wǎng)的調節(jié)影響也會越來越明顯，最終很有可能造成整個電網(wǎng)頻率的上下波動。

3 提高光伏發(fā)電電能質量的技術措施

3.1 提高并網(wǎng)點短路容量

通過提高光伏發(fā)電站并網(wǎng)電壓等級并選擇短路容量水平比較高的變電站作為電站接入點，既提高電壓的波動與閃變，又能提高電壓的不平衡度和諧波等指標的合格率。

3.2 電能控制裝置在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用

傳統(tǒng)的電網(wǎng)電能質量治理裝置在光伏發(fā)電系統(tǒng)中依然使用，例如APF、DSTATCCOM和SVC等同樣可用于大規(guī)模的光伏發(fā)電站作為無功補償和諧波治理裝置。同時，光伏微源本身具有功率響應積極、有功無功分別可調等優(yōu)點，可以擔當一定的電能質量調節(jié)任務，與電能質量治理裝置聯(lián)合使用，從而改善電能質量。

伴隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)滲透率的提高，電能質量的控制難度也在加大，傳統(tǒng)的電能治理點如無功補償節(jié)點、有源濾波器的投入節(jié)點、電能質量的檢測點等都需要重新確定。傳統(tǒng)的電能質量治理方案也需要改進。利用光伏并網(wǎng)逆變主電路的特點，將光伏并網(wǎng)的發(fā)電控制與無功補償、有源濾波相結合，有效地進行光伏并網(wǎng)發(fā)電的同時，還可以對電網(wǎng)中的無功和諧波進行補償或抑制，提高電網(wǎng)電能質量。

3.3 增加一定的調壓設備

在配電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法是將無源電力濾波器與需補償?shù)姆蔷€性負荷并聯(lián)，為諧波提供一個低阻通路的同時，也提供負載所需的無功功率，這是最常見和實用的方法。該裝置利用電感和電容器貯能元件。根據(jù)諧振原理，通過濾波電路對需要消除的高次諧波進行調諧，使之發(fā)生諧振。以便其在諧振時得到阻抗最小的特性，有效消除指定次數(shù)的諧波，并在諧波源附件就地吸收諧波電流，從而不使其注入電網(wǎng)中去。該裝置的優(yōu)點是投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便，運行費用也低，不但起到濾波作用，還能進行無功補償。因此，無源濾波器是目前廣泛采用的抑制諧波及無功補償?shù)闹匾侄巍５摲椒ǖ难a償特性受電網(wǎng)阻抗、頻率和運行工況的影響，只能起到對某幾次固定頻率諧波的抑制效果，而很可能對其他次諧波有放大作用，使濾波器過載甚至燒毀。另外，LC濾波電路會因系統(tǒng)阻抗參數(shù)變化而產(chǎn)生與系統(tǒng)并聯(lián)諧振問題，影響和后果嚴重。

4 結語

光伏發(fā)電技術依舊是一個相對較新的研究領域，人們需要不斷地探索總結去提高光伏發(fā)電站的電能質量，同時把光伏發(fā)電這一綠色環(huán)保的新能源作為今后的主要能源。通過本文可以了解光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)后主要的電能質量問題是諧波。諧波注入是否合格是由接入點的短路容量、接入光伏站的容量以及逆變器注入電網(wǎng)的諧波電流決定的。

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作者簡介：林松輝（1968-），男，廣東揭陽人，廣東電網(wǎng)公司河源供電局助理工程師，研究方向：電子工程。

（責任編輯：秦遜玉）