光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)條件研究

周陽周田

（1.國網(wǎng)濱州供電公司，山東濱州 256600；2.河北科技大學電氣學院，河北石家莊 050018）

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)條件研究

周陽1周田2

（1.國網(wǎng)濱州供電公司，山東濱州 256600；2.河北科技大學電氣學院，河北石家莊 050018）

隨著太陽能等可再生能源的廣泛開發(fā)利用，光伏發(fā)電將成為電力系統(tǒng)中重要的電源。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)受氣候影響具有較大的隨機波動性，需要頻繁的并網(wǎng)/離網(wǎng)操作，為減小模式切換對本地負載的沖擊，本文從電路原理出發(fā)剖析光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的暫態(tài)過程，分析并網(wǎng)幅值、頻率、相位對本地負載和電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，總結(jié)出光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)條件，為制定合理的并網(wǎng)控制策略提供有力的理論依據(jù)。

光伏發(fā)電 并網(wǎng)條件 電能質(zhì)量

隨著太陽能等可再生能源的廣泛開發(fā)利用，光伏發(fā)電將成為電力系統(tǒng)中重要的電源，光伏發(fā)電系統(tǒng)通常有兩種工作模式［1，2，3，4］：（1）并網(wǎng)運行，在系統(tǒng)能源充足時可以持續(xù)向電網(wǎng)輸送能量或在電網(wǎng)用電高峰時實現(xiàn)“削峰”和平衡電網(wǎng)負荷的作用；（2）獨立運行，即在電網(wǎng)異常或調(diào)度需要時脫離電網(wǎng)獨立運行，為本地重要負載提供持續(xù)的電力。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)受氣候影響具有較大的隨機波動性，需要頻繁的并網(wǎng)/離網(wǎng)操作，為減小模式切換對本地負載的沖擊，本文從電路原理出發(fā)，剖析光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的暫態(tài)過程，分析各種因素對本地負載和電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響規(guī)律，總結(jié)出光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)條件，為制定合理的并網(wǎng)控制策略提供有力的理論依據(jù)。

1 理想并網(wǎng)條件概述

光伏電池和儲能系統(tǒng)共同維持直流母線電壓穩(wěn)定，逆變器將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能來對負荷供電。一般情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)在并入公用電網(wǎng)前，帶負荷獨立運行，相當于一個電壓源 ，公用電網(wǎng)也可以近似等效為電壓源。由于兩個電壓源根據(jù)自帶負荷特點獨立運行，并網(wǎng)前的電壓向量不但存在幅值差，也存在頻率差，以及不斷變化的相位差。并網(wǎng)控制就是在考慮上述各種影響因素的前提下，保證并網(wǎng)過程可靠穩(wěn)定運行，減小對本地負荷的沖擊。

光伏逆變系統(tǒng)與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機有所不同，光伏逆變系統(tǒng)等效輸出阻抗小，動態(tài)響應(yīng)比較快，逆變輸出電壓、電流變化迅速，容易出現(xiàn)過壓和過流，對逆變系統(tǒng)的電力電子器件造成一定損壞，這對光伏逆變系統(tǒng)的并網(wǎng)控制提出了嚴格要求。

并網(wǎng)開關(guān)兩側(cè)光伏逆變系統(tǒng)和公用電網(wǎng)的電壓向量可表示為：

其中，iu為光伏逆變系統(tǒng)輸出電壓，gu為公用電網(wǎng)電壓；uΔ為電壓差。

造成并網(wǎng)過程電壓電流突變的原因就在于公用電網(wǎng)電壓與逆變器輸出電壓的不匹配，即存在電壓差uΔ。

并網(wǎng)的理想條件是：

（1）兩電壓的幅值相等，Ui=Ug；

（2）兩電壓的角頻率相等，ωi=ωg；

（3）并網(wǎng)瞬間的初相位相等，δi=δg。

如果能同時滿足上述三個條件，就可保證開關(guān)兩側(cè)電壓向量匹配，光伏逆變系統(tǒng)與公用電網(wǎng)并網(wǎng)后即可同步運行，并網(wǎng)瞬間不發(fā)生任何擾動，這是最理想的并網(wǎng)狀態(tài)。實際的并網(wǎng)過程中，不可能保證上述三個條件同時滿足。下面將詳細探討各個參數(shù)對電壓差的影響。

2 兩個等效電壓源幅值不相等對電壓差的影響

假設(shè)公用電網(wǎng)與光伏逆變系統(tǒng)的電壓頻率相等、初相角相等，僅幅值不相等，那么電壓差為

式中ω=ωi=ωg，δ=δi=δg，令α=ωt+δ。

由以上的分析可以得出，并網(wǎng)前電壓幅值差要限制在一定范圍內(nèi)。并且當電網(wǎng)與光伏電源輸出的電壓頻率相等、初相角相等，僅幅值不相等時，要盡量選擇電壓過零時刻并網(wǎng)，可以很顯著地減小并網(wǎng)沖擊。

3 兩個等效電壓源相位不相等對電壓差的影響

不相等的初始相位可以產(chǎn)生相位差，運行中頻率差的時間累積也可以造成相位差。相位差是并網(wǎng)過程中普遍存在的問題，當幅值差為零時，即Ui=Ug=U，電壓差為

由上式可見電壓差由一個高頻余弦分量和一個低頻正弦分量相乘所得，它的包絡(luò)線體現(xiàn)了低頻正弦分量的特點。低頻正弦的相位正好是光伏逆變系統(tǒng)電壓和電網(wǎng)電壓的相位差的一半。當?shù)皖l正弦的相位=kπ（k∈z）時，電壓差包絡(luò)線到達零點。如果控制光伏逆變系統(tǒng)并網(wǎng)開關(guān)在電壓差包絡(luò)線過零的瞬間閉合，將不會有任何沖擊。

如果ω=ωi=ωg，且初相位δ=δi=δg，則電壓差恒為零，在此條件下光伏逆變系統(tǒng)在任何時刻并網(wǎng)都不會有沖擊，這也是理想的并網(wǎng)條件。若ω=ωi=ωg，但初相角不等，則電壓差只存在高頻余弦分量，并且其包絡(luò)線為兩條平行直線，只有在高頻分量的過零點并網(wǎng)才不會產(chǎn)生沖擊，但過零點變化非常迅速，要求控制系統(tǒng)的過零檢測精度要高。綜上分析可以得出頻率差越小，電壓差的低頻分量周期越長，包絡(luò)線的周期也越長，并網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的范圍也越大。

4 結(jié)語

實際運行中，并網(wǎng)前電壓的幅值和相位都存在一定差異。參照發(fā)電機并網(wǎng)條件，經(jīng)過大量仿真驗證，得出光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)條件：（1）在一定的頻差下，電網(wǎng)和逆變器的電壓差呈現(xiàn)周期性的變化，變化快慢受頻差影響，頻差越大，變化越快。根據(jù)電壓差大小，一般要求頻差不超過0.4Hz。（2）在相位差過零點時并網(wǎng)可以保證逆變器平滑并入電網(wǎng)，為減小電壓電流沖擊，一般要求相位差不超過5°。（3）逆變器輸出電壓幅值盡量與電網(wǎng)電壓匹配，一般不高于電網(wǎng)電壓的10%。

［1］張源.我國新能源發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.中國能源，1997（7）：1-4.

［2］趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用［M］.北京科學出版社，2005.

［3］劉宏，吳達成，楊志剛，等.家用太陽能光伏電源系統(tǒng)［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2007：5-10.

［4］王飛，余世杰等.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究［J］.電工技術(shù)學報.2005，20（5）：72-74.