并網(wǎng)光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析

宋喆

【摘??要】經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，人們對(duì)電能的需求也逐漸增加。我國屬于人口大國，因此耗電量也十分大。如果單純地依靠化石燃料的燃燒發(fā)電，那么化石能源的儲(chǔ)存量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此需要開發(fā)新能源。新能源的無污染及可再生特點(diǎn)，對(duì)于人們的生活環(huán)境具有十分重要的意義，但也存在一定的缺陷。例如，新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)雖然替代傳統(tǒng)的發(fā)電，但是其技術(shù)不夠完善，且發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電能的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。本文就并網(wǎng)光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響展開探討。

【關(guān)鍵詞】新能源發(fā)電;并網(wǎng);電能質(zhì)量

引言

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(duì)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。

1光伏發(fā)電的基本原理

光伏發(fā)電利用半導(dǎo)體表面存在的光生伏特效應(yīng)，通過光照在半導(dǎo)體材料兩端發(fā)出直流電流。當(dāng)太陽光照在半導(dǎo)體P-N節(jié)上時(shí)，新的電子一空穴對(duì)就會(huì)形成，光子將電子從共價(jià)鍵中激發(fā)后，電子流向N區(qū)，空穴流向P區(qū)，從而半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。PN結(jié)兩端的電路一旦接通，就會(huì)形成電流，從P區(qū)經(jīng)外電路流向N區(qū)，對(duì)負(fù)載輸出電功率。

2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(chǎng)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(shì)。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(jí)式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與兩級(jí)式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。兩者相比較而言，單級(jí)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(duì)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(jí)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(jí)在實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jí)的并網(wǎng)光伏逆變器。第二級(jí)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。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(cè)與保護(hù)。

3并網(wǎng)光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

3.1諧波影響

光伏發(fā)電是通過光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，再經(jīng)過并網(wǎng)型逆變器將直流電變換成交流電實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是產(chǎn)生諧波的主要設(shè)備。并網(wǎng)逆變器內(nèi)部電力電子元件的大量應(yīng)用，提升了系統(tǒng)的信息化和智能化處理，但也增加了大量的非線性負(fù)載，造成波形失真，給系統(tǒng)帶來大量諧波。逆變器開關(guān)切換速度的延遲，也會(huì)影響電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部整體動(dòng)態(tài)性能的輸出，產(chǎn)生小范圍的諧波。如果在天氣（輻照度、溫度）變化較大的情況下，諧波的波動(dòng)范圍也會(huì)隨之變大。盡管單臺(tái)并網(wǎng)逆變器輸出電流諧波較小，但是多臺(tái)并網(wǎng)逆變器并聯(lián)后輸出電流的諧波會(huì)產(chǎn)生疊加，從而形成輸出電流諧波超標(biāo)現(xiàn)象。此外，逆變器并聯(lián)容易產(chǎn)生并聯(lián)諧振，進(jìn)而導(dǎo)致藕合諧振現(xiàn)象，造成特定次并網(wǎng)諧波電流擴(kuò)大，最終產(chǎn)生并網(wǎng)電流諧波含量超標(biāo)問題。針對(duì)光伏接人后的電能質(zhì)量問題，提出抑制諧波的有效方法：（）1從諧波產(chǎn)生的源頭人手，對(duì)諧波源進(jìn)行改造，減少諧波注人。（2）裝置有源或無源濾波器，以吸收某些特定次數(shù)的諧波電流。（3）裝設(shè)附加的諧波補(bǔ)償裝置。

3.2并網(wǎng)逆變器對(duì)電能質(zhì)量影響

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(duì)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。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(duì)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。

3.3孤島效應(yīng)的影響

孤島效應(yīng)是指電路的某個(gè)區(qū)域有電流通路而實(shí)際沒有電流流過的現(xiàn)象。由于孤島效應(yīng)的潛在危險(xiǎn)性與對(duì)設(shè)備的損害性，社會(huì)公共工程與發(fā)電設(shè)備行業(yè)長期以來都十分注重光伏并網(wǎng)逆變器的反孤島效應(yīng)控制。孤島效應(yīng)的產(chǎn)生可能會(huì)對(duì)配電系統(tǒng)造成以下不良影響：（1）危害電力維修人員的生命安全;（2）影響配電系統(tǒng)的保護(hù)開關(guān)動(dòng)作程序;（3）供電電壓與頻率不穩(wěn)定并造成設(shè)備破壞;（4）供電恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生浪涌電流，造成再次跳閘，并破壞光伏系統(tǒng)、負(fù)載與供電系統(tǒng);（5）單相供電造成系統(tǒng)三相負(fù)載的欠相供電問題。孤島效應(yīng)大多產(chǎn)生在配電側(cè)，在周圍負(fù)載形成電網(wǎng)難以控制的孤島，導(dǎo)致用戶負(fù)荷出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，出現(xiàn)電能閃電，供電恢復(fù)后又產(chǎn)生并網(wǎng)沖擊。

4基于光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題解決

為了解決光伏發(fā)電并網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題，需要分析大規(guī)模、集中開發(fā)中高壓電源的接地情況、對(duì)電壓等級(jí)評(píng)估和電壓偏差作出明確標(biāo)準(zhǔn)，并為其設(shè)置頻率耐受力。為了使我國的光伏發(fā)電應(yīng)用在大規(guī)模以及高容量的電網(wǎng)中，促進(jìn)其運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要為其提出更高要求，促進(jìn)光伏發(fā)電并網(wǎng)的積極開發(fā)，因此，對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究方向進(jìn)行了詳細(xì)分析。（1）儲(chǔ)能技術(shù)。該技術(shù)是電力系統(tǒng)中的主要技術(shù)，可以應(yīng)用在大容量、高比例的系統(tǒng)中。該技術(shù)主要使用的儲(chǔ)能設(shè)備為壓縮空氣儲(chǔ)能、蓄電池等。在使用過程中，不僅能實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)能與釋放，促進(jìn)頻率的有效調(diào)節(jié)，還能對(duì)電網(wǎng)功率的波動(dòng)情況進(jìn)行控制，保證電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的更穩(wěn)定、更安全。（2）諧波抑制。該技術(shù)可以對(duì)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化控制，對(duì)逆變器的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行設(shè)置與統(tǒng)一，促進(jìn)電力的綠色化發(fā)展。基于目前存在的并網(wǎng)逆變器，利用諧波抑制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)群控技術(shù)、綜合補(bǔ)償控制工作，完成數(shù)據(jù)信息的采集與控制。（3）無諧波輸入電網(wǎng)。該方式利用高性能并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，在使用期間，需要對(duì)光伏發(fā)電的接入、光伏發(fā)電的無功控制等協(xié)調(diào)情況進(jìn)行分析。

結(jié)語

隨著我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，并網(wǎng)光伏裝機(jī)容量和數(shù)量的不斷增加，致使電網(wǎng)電能質(zhì)量受到很大影響。因此，研究并網(wǎng)光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響非常必要。

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（作者單位：中國大唐集團(tuán)有限公司內(nèi)蒙古分公司蒙西事業(yè)部）