淺析并網光伏發電系統對電網電能質量的影響

作者 何德良1 賈宏偉2，3   1、廣東電網有限責任公司東莞供電局(廣東 東莞 523000)  2、廣東省電力工業職業技術學校(廣東 廣州 510000)  3、廣東電網有限責任公司教育培訓評價中心(廣東 廣州 510000)

　　何德良，男，高級技師，研究方向：配網;賈宏偉，1979年9月，男，碩士研究生，講師，研究方向：電力系統市場營銷。

摘要：光伏發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狀。光伏發電系統并入常規電網，與之共同承擔發供電任務，即形成并網光伏發電系統。相對于獨立光伏發電，擁有諸多優點的并網光伏發電，受到了各國極力地推崇和大力地發展。因此，并網光伏發電系統也就成為全球綠色新能源領域的研究熱點。但在光伏發電并網過程中采用了大量的電力電子技術，在送上能源的同時也帶來了很多影響電網電能質量的因素。本文就光伏發電并網的幾個主要技術環節可能帶來的電能質量問題進行分析。

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節能技術。而儲量豐富、清潔的太陽能，無疑是化石能源理想的可持續替代能源;光伏發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狀。光伏發電系統并入常規電網，與之共同承擔發供電任務，即形成并網光伏發電系統。相對于獨立光伏發電，擁有諸多優點的并網光伏發電，受到了各國極力地推崇和大力地發展。

1 并網光伏發電系統主要結構

　　光伏發電系統分為獨立運行與并網運行兩種工作方式。并網光伏發電系統比較具有市場應用價值的形式，是當今世界光伏發電發展的主要趨勢。并網光伏發電作為光伏發電的一般具有兩種典型系統結構，即單級式并網光伏發電系統與兩級式并網光伏發電系統。兩者相比較而言，單級式光伏逆變器控制系統需要同時實現最大功率點跟蹤與并網控制功能，因此對控制器的要求會比較高。另外，必須加裝直流母線電壓保護裝置來確保系統并網的安全性。兩級式并網光伏發電系統主要包括光伏陣列、變換器、逆變器、控制器、濾波電路等幾部分。第一級在實現對光伏陣列的最大功率點跟蹤的同時，將光伏陣列產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光伏逆變器。第二級的光伏并網逆變器將直流母線上的直流電逆變為交流電送給并網，同時完成直流母線電壓的穩壓功能。本文以兩級式并網光伏發電系統為例分析光伏發電對電網電能質量的影響。

　　太陽能光伏發電要實現安全、可靠、高效的并網運行必須依賴于有效地控制技術，主要分為三個主要方面：最大功率點跟蹤、并網控制和孤島效應檢測與保護。

2 最大功率點跟蹤技術對電能質量的影響(MPPT)

　　光伏陣列的輸出具有高度非線性特征，并且受到光照強度、溫度以及負載狀況的影響。在一定的光照強度和環境溫度下，只有唯一的電壓值對應著光伏陣列的最大輸出功率。因此，不斷地根據光照強度、溫度等外部環境因素的變化來調整光伏陣列的工作點，使之始終處于最大功率點的技術稱為最大功率點跟蹤技術，就是把太陽能光伏陣列輸出功率穩定在其可輸出的最大值Pm處。

　　兩級式并網光伏發電的拓撲結構，第一級即變換器和最大功率跟蹤算法一起接入到光伏發電控制系統中實現整個并網光伏發電系統的最大功率點跟蹤。DC-DC變換器通過控制電力電子功率開關器件的通斷，改變功率開關的占空比來調整輸出電壓平均值的方式改變直流電的幅值。應用在太陽能光伏發電系統中的電壓-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管的占空比的方法來實現光伏陣列最大功率點的跟蹤。所以電路的參數與控制占空比的算法都會對系統輸出電能質量產生影響。另外，以Boost電路為例，Boost升壓電路影響電路的電能質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過程的調節時間、峰值以及穩態電壓波動的幅度，從而影響到光伏系統的并網電能質量。濾波電感主要是影響并網光伏發電系統環節的輸出電壓。電容取值不變時，隨著電感的取值減小，光伏陣列輸出電壓則由振蕩啟動轉變為非振蕩啟動，減小了電壓跟隨設定值的速度，增加了達到穩態的時間，且振蕩峰值也隨著電感的減小而增大。但當電感值小于理論上的最小值時，就會產生使輸出電壓引起輸出紋波電流過大、并網諧波增加等等問題。電容的取值則主要影響光伏陣列輸出電壓啟動過程的調節時間以及穩態電壓波動的幅度，不影響輸出電壓的幅值。電容取值越大，輸出電壓波動幅度就越小，這樣，有利于并網光伏發電系統逆變電路直流母線電壓的穩定;但電容取值增大會使得啟動的振蕩過程變久而降低電壓的跟隨速度，同樣當電容值小于理論上的最小值時，穩態輸出電壓就會出現高頻率、大幅度的波動，這將會嚴重影響電能質量。

　　最常見的最大功率跟蹤算法主要有三種：恒電壓跟蹤法、擾動觀察法以及電導增量法。恒電壓跟蹤法是把光伏陣列輸出電壓始終控制在某一設定值來達到最大功率跟蹤。可以保證比較好的電能質量輸出。但在外界環境變化的時候，恒電壓法適應性很差，會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定值，使輸出功率為零，嚴重降低光伏電池的利用率，引起整個電網功率缺額，從而影響并網的電能質量。

　　擾動觀察法提高了光伏電池利用效率，但擾動的持續存在，會使穩定時輸出功率在最大功率點的附近振蕩，輸出電壓也始終存在的波動，進而給電網引入諧波。當擾動量比較大時，輸出電壓的跟蹤速度快，但是穩定后電壓的波動幅度大，跟蹤精度也較差;如果擾動量比較小，輸出電壓的跟蹤精度高，但是達到穩態的時間長。

　　電導增量法是根據功率極值點的倒數為零來跟蹤最大功率點。相比恒電壓法和擾動觀察法，電導增量法可以獲得比較好的光伏并網系統電能質量。

3 并網逆變器對電能質量影響因素分析

　　并網光伏發電系統的主要功能為將太陽能光伏陣列所產生的直流電直接轉換成與電網電壓同頻、同相的交流電，其控制方式如同一個與電網電壓同步的電流控制型PWM逆變器。為了降低送入電網的電流對電網產生的電流諧波，因此送入電網的電流波形總諧波畸變率應越低越好。控制目標為輸出功率因數為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型并網逆變器，則逆變電路對并網電能質量產生影響的元件參數主要有直流側電容、濾波電感。電容取值若太小則會增大電壓波動，降低并網電流跟蹤效果;電容取值若過大又會降低動態響應速度，而且會增加電容造價和物理體積。從濾波電感決定逆變電路低頻輸出阻抗來說，取值應盡量小，但這樣會增大電路諧波電流。濾波電感越大，THD值越小，即并網的諧波電流越小。另外，光伏并網控制環節也是影響并網光伏發電系統電能質量的重要因素，不同的電流跟蹤控制方式直接關系到逆變器輸出電流的波形質量。以滯環電流比較控制為例，其中的滯環寬度與開關頻率都直接影響并網輸出電流的電能質量。環寬太大會降低并網電流的跟蹤精度，電流THD值增大;環寬取值太小又會使開關頻率過高，而開關頻率的波動性過大會造成并網電流頻譜較寬，這樣會加大濾波電路的設計難度，同時增加并網電流諧波。

4 孤島效應檢測與保護技術對電能質量的影響

　　孤島效應，是指電網失電時，光伏發電系統未能及時檢測出電網停電狀態并及時脫離電網，使太陽能并網發電系統和周圍的負載組成一個脫離電網的自給供電孤島。孤島效應一旦發生，如果不能得到及時、妥當地處理，有可能產生下列非常嚴重的后果：當電網發生故障或其它原因而斷網后，由于光伏發電系統仍舊維持供電予負載，將可能使得維修人員在進行維修時，發生人身或設備安全事故。當電網斷電后，光伏發電系統由于失去電網所提供的參考信號，會造成系統輸出電壓、電流及頻率漂移而偏移電網正常頻率，不僅引發不穩定的情況，還可能使所供電能包含有較多電壓與電流諧波成分。若未能及時將負載與光伏發電系統分離，將損壞某些對頻率變化十分敏感的負載。在市電恢復瞬間，由于電壓相位不同，可能產生較大的沖擊電流，造成相關設備損壞。且在電網恢復供電時，可能引發同步問題。若光伏系統與電網為三相連接，當發生孤島現象時，將形成欠相供電，影響用戶正常使用三相負載。

　　常用的孤島效應檢測方法一般可分成被動式和主動式兩種。被動檢測法是直接檢測電路中的電壓與電流的相位、頻率等等，所以不會對電網的電能質量造成影響。但是若采用主動檢測算法，這些算法都是往電網中加入一些擾動量，無論是頻率、相位，還是有功、無功都會對輸出的電能質量產生影響，會增大電網的諧波含量。

5 總結

　　并網光伏發電系統已成為全球綠色新能源領域的研究熱點，在有效緩解能源危機成為電網重要組成部分的同時，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《電子產品世界》2018年第12期第81頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。