含高密度居民光伏的低壓電網(wǎng)電能質(zhì)量分析及治理

國網(wǎng)嘉興供電公司 唐昕 韓中杰 范明

隨著居民光伏系統(tǒng)的發(fā)展，研究居民光伏發(fā)電并網(wǎng)的相關(guān)問題，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)安全可靠經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行具有重大意義。文中從電網(wǎng)電能質(zhì)量方法分析了居民光伏系統(tǒng)的接入對(duì)地區(qū)電網(wǎng)造成的影響，并給出了有源電力濾波（APF）動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置降低電壓波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響、抑制諧波等治理措施。

居民光伏；電能質(zhì)量分析；電能質(zhì)量治理；諧波

1 引言

隨著石化能源日益緊缺，以及電力系統(tǒng)對(duì)供電安全性、可靠性和靈活性等要求越來越高，供電模式從傳統(tǒng)的高電壓、大機(jī)組為主的集中式供電模式向含分布式電源的多樣化模式發(fā)展。分布式光伏，尤其是居民屋頂光伏發(fā)電具有安裝簡單、受區(qū)域影響較小等特點(diǎn)，越來越受到政府和用戶的青睞，以浙江省為例，2016年制定了“百萬家庭屋頂光伏計(jì)劃”，力推家庭光伏發(fā)展。研究居民光伏發(fā)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量問題，對(duì)提升區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和供電可靠具有重要意義。

2 居民屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的影響

2.1 居民光伏系統(tǒng)

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池陣列、直流接線箱、DC/AC逆變器、交流配電箱及計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)組成。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電能后，再通過逆變器將直流電逆變?yōu)?0 Hz、220 V/380 V的交流電，配電箱輸出的電能分成兩路，一路通過接入本地負(fù)荷以供自用，另外一路接入電網(wǎng)。當(dāng)光伏發(fā)電量大于等于本地負(fù)荷時(shí)，將多余的電能輸送至電網(wǎng)，而當(dāng)光伏發(fā)電量不足以滿足居民用戶負(fù)荷時(shí)，負(fù)荷電能由電網(wǎng)供給。

2.2 并網(wǎng)的影響

光伏電源并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量方面的影響主要體現(xiàn)在電壓波動(dòng)與諧波這兩方面[1]。

(1)輸出不穩(wěn)定

光伏發(fā)電的能源來源是太陽能，除發(fā)電裝置的故障、檢修等原因外，所發(fā)電量很大程度上受日照、溫度、季節(jié)等因素的影響，導(dǎo)致輸出功率波動(dòng)頻繁。由于電力系統(tǒng)調(diào)度對(duì)有功功率的短期負(fù)荷精度要求較高，當(dāng)光伏發(fā)電的容量超過一定比率時(shí)，將對(duì)系統(tǒng)的電壓、頻率造成影響，不利于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，這就需要對(duì)光伏系統(tǒng)安裝點(diǎn)的多種氣象因素進(jìn)行長期的考察，在大量數(shù)據(jù)支持的基礎(chǔ)上會(huì)盡可能提高輸出功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，降低對(duì)電網(wǎng)的影響。此外，還應(yīng)在相應(yīng)的位置配備應(yīng)對(duì)發(fā)電量下降的補(bǔ)償裝置，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

(2)對(duì)電網(wǎng)沖擊問題

居民太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)實(shí)際上是兩個(gè)交流電源的并聯(lián),只有當(dāng)兩個(gè)交流電源的電壓同幅度、同相位時(shí)才能并聯(lián)。如果在逆變器交流側(cè)電壓與電網(wǎng)電壓不同步的情況下并網(wǎng),將產(chǎn)生沖擊性電流,會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊,嚴(yán)重時(shí)可能損壞附近居民的電器設(shè)備或引起保護(hù)動(dòng)作造成停電事故,并網(wǎng)設(shè)備本身也會(huì)因沖擊而損壞。因此居民太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)時(shí)采用的并網(wǎng)逆變器必須有很可靠的同步控制裝置,并網(wǎng)時(shí)要嚴(yán)格按規(guī)范操作。

圖1馬橋新城24號(hào)公變臺(tái)區(qū)居民光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖2 姚莊桃源二邨26號(hào)箱變臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量測(cè)試點(diǎn)

(3) 諧波問題

居民太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)設(shè)備的逆變器是一個(gè)諧波源,其產(chǎn)生的諧波分量與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式有關(guān),這導(dǎo)致了太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)在將直流電能逆變轉(zhuǎn)換為交流電能的過程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波。由于太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)安裝位置的不確定性,實(shí)際注入公共連接點(diǎn)的諧波電流需在發(fā)電裝置并網(wǎng)時(shí)按規(guī)定方法測(cè)量后才能得知。因此,太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際并網(wǎng)時(shí)需現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)其諧波電壓、電流是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn),如不滿足則需采取加裝濾波裝置等相應(yīng)措施。

3 居民光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的電能質(zhì)量分析

為研究居民光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響[2]，依據(jù)《國家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定的要求》對(duì)姚莊桃源二邨26號(hào)箱變臺(tái)區(qū)開展電能質(zhì)量測(cè)試與分析。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

姚莊桃源二邨26號(hào)箱變臺(tái)區(qū)容量630 kVA，配置接觸器式無功補(bǔ)償裝置，負(fù)載為桃源二邨住宅區(qū)居民，21戶住戶屋頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，每戶3 kW，采用220 V單相接入，光伏功率滲透率10%。由于白天小區(qū)內(nèi)居民用電量低，光伏系統(tǒng)發(fā)電量大，某些時(shí)段出現(xiàn)光伏電能向公變高壓側(cè)倒送的情況。

3.2 電能質(zhì)量測(cè)試

2016年8月25日，測(cè)試點(diǎn)如圖2所示，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，電流畸變率較大，其中A相電流畸變率平均為19.3%左右；B相電流畸變率平均為13.9%左右；C相電流畸變率平均為10.2%左右。諧波電流在允許值范圍內(nèi)，但其中3次、5次、7次諧波電流較明顯。頻率在允許值范圍內(nèi)。

4 治理方案

采用有源電力濾波（APF）動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，通過外部電流互感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流，并通過內(nèi)部DSP計(jì)算，提取出負(fù)載電流中的諧波成分，然后輸出PWM信號(hào)給內(nèi)部IGBT，使得逆變器產(chǎn)生一個(gè)和負(fù)載諧波電流大小相等，相位相反的諧波電流注入電網(wǎng)中，使得流入電網(wǎng)的電流為純凈的正弦波電流，從而達(dá)到濾波的目的。

5 治理結(jié)果分析

為了驗(yàn)證上述APF動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的有效性，本文選擇天氣較為晴朗，光伏出力滿足大部分運(yùn)行工況的條件下進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過程中多次切除、重投APF，反復(fù)對(duì)比治理效益，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖3-1 電壓波形圖

圖3-2 電流波形圖

圖3-3 3次電流諧波畸變量

圖3-4 5次電流諧波畸變量

圖3-5 7次電流諧波畸變量

圖3-6 頻率趨勢(shì)圖

圖3-7 電流趨勢(shì)圖

圖3-8 諧波電流趨勢(shì)圖

圖4 APF動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置接線圖

(1)電流測(cè)試

從圖5可以看出，APF開啟時(shí)負(fù)載側(cè)電流大約在6A左右波動(dòng)，此時(shí)諧波電流大約在3A左右波動(dòng)，APF補(bǔ)償值也在3A左右，滿足這種小電流系統(tǒng)對(duì)于諧波治理的精度要求，補(bǔ)償效果明顯。

(2)諧波治理

1)3次諧波電流畸變率測(cè)試

測(cè)試時(shí)，15∶04-15∶12APF正常工作，15∶12-15∶20手動(dòng)切除APF。從表1可以看到，在15∶04-15∶12這一段時(shí)間內(nèi)，APF正常工作，此時(shí)3次諧波得到很好抑制，諧波畸變率在10%以內(nèi)，且畸變率相對(duì)平穩(wěn)，尖刺和波動(dòng)很小。15∶12-15∶20這一段時(shí)間內(nèi)，APF切除，3次諧波明顯抬升，畸變率最高可達(dá)47,4%，且畸變率頻繁波動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性受到極大沖擊。從投切前后數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，APF的治理效果十分明顯。

2)5次諧波電流畸變率測(cè)試

測(cè)試時(shí)，15∶04-15∶12APF正常工作，15∶12-15∶20手動(dòng)切除APF。從圖5可以看到，在15∶04-15∶12這一段時(shí)間內(nèi)，APF正常工作，此時(shí)5次諧波得到很好抑制，諧波畸變率在10%以內(nèi)，且保持平穩(wěn)，尖刺和波動(dòng)很小。15∶12-15∶20這一段時(shí)間內(nèi)，APF切除，5次諧波明顯抬升，畸變率最高可達(dá)42,8%，且畸變率頻繁波動(dòng)，很不穩(wěn)定。投切前后對(duì)比，可見APF的治理效果明顯。

測(cè)試時(shí)，15∶04-15∶12APF正常工作，15∶12-15∶20手動(dòng)切除APF。從圖7可以看到，在15∶04-15∶12這一段時(shí)間內(nèi)，APF正常工作，此時(shí)7次諧波得到很好抑制，諧波畸變率在5%左右，且保持平穩(wěn)，尖刺和波動(dòng)較小。15∶12-15∶20這一段時(shí)間內(nèi)，APF切除，7次諧波明顯抬升，畸變率最高可達(dá)26,6%，且畸變率頻繁波動(dòng)，很不穩(wěn)定。投切前后對(duì)比，可見APF的治理效果明顯。

3)總諧波電流畸變率測(cè)試

以上分析了各典型次數(shù)諧波的治理情況，圖6為測(cè)試期間總諧波電流畸變率趨勢(shì)圖。從圖6可以看出，在15∶04-15∶12這一段時(shí)間內(nèi)，APF正常工作，此時(shí)系統(tǒng)中總諧波畸變率得到很好抑制，諧波畸變率在15%左右，15∶12-15∶20這一段時(shí)間內(nèi)，APF切除，系統(tǒng)中諧波含量明顯抬升，畸變率最高可達(dá)65,0%，系統(tǒng)總諧波畸變率波動(dòng)非常大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到了極大沖擊，對(duì)其他用電負(fù)荷和上級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)造成了極大危害。從投切前后數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，APF的治理效果明顯，系統(tǒng)的諧波情況得到了極大的抑制。

表1 APF電流測(cè)試結(jié)果

從圖5～圖8對(duì)比可以看出，該治理點(diǎn)在APF投入以后電能質(zhì)量明顯改善，電流畸變率明顯減小。APF未投入前，系統(tǒng)中各次諧波電流畸變率普遍在25%以上，且波動(dòng)十分劇烈，對(duì)系統(tǒng)造成很大沖擊。APF投入后諧波電流得到了明顯的抑制，各次諧波畸變率基本控制在10%以內(nèi)。其中列出了主要的3，5、7次諧波電流的治理情況，從圖中可以看出APF投入后這幾次諧波均得到了有效的抑制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了很大提升。綜上分析，通過APF針對(duì)居民光伏系統(tǒng)的諧波情況可以達(dá)到很好的治理效果，并能大大提升該配電區(qū)的電能質(zhì)量。

圖5 APF3次諧波電流畸變率測(cè)試結(jié)果（3次諧波電流畸變率變化波形圖）3)7次諧波電流畸變率測(cè)試

圖6 APF5次諧波電流畸變率測(cè)試結(jié)果（5次諧波電流畸變率變化波形圖）

圖7 APF7次諧波電流畸變率測(cè)試結(jié)果（7次諧波電流畸變率變化波形圖）

圖8 APF總諧波電流畸變率測(cè)試結(jié)果（總諧波電流畸變率變化波形圖）

6 結(jié)論

隨著居民光伏發(fā)電系統(tǒng)不斷接入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性影響會(huì)日趨明顯。文中通過分析居民光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)諧波電流，提出基于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的治理措施，開展居民光伏系統(tǒng)典型運(yùn)行狀態(tài)下試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明APF針對(duì)居民光伏系統(tǒng)的諧波情況可以達(dá)到較好的治理效果，并能提升該配電區(qū)域的電能質(zhì)量。

[1]王博等.并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量測(cè)試與分析[J].低壓電器，2013，55（2）：33-37.

[2]呂志盛等.新能源發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響研究[J].華東電力，2012，40（2）：0251-0256.

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《電力設(shè)備管理》雜志社編輯部2017.7.15