光伏發電站電能質量狀況分析

摘要：由于光伏發電站發電功率取決于光照強度，導致發輸出功率產生間接性和不穩定性，同時在使用逆變器將直流電轉化為交流電的過程中會產生一定量的諧波電流。光伏發電通過大量電子氣與電網連接，會對電網的電能質量的諧波含量、三相電壓不平衡度以及閃變三項指標產生較大影響。因此，研究光伏發電關于提高電能質量的技術也就成為了新型研究的主導。文章介紹光伏發電的原理接網方式，并解析光伏發電站產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業每年以41.3%的速度在增長，中國成為了世界上光伏發電技術和光伏電池組件的大國，年發電產量約占世界產量的44%，預計到2015年中國的光伏發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，諧波電流對電網的影響也將隨之增大。于是光伏發電并網逆變器易產生諧波、三相電流相對不平衡、輸出功率相對不穩定等問題容易造成電網電壓的波動、閃變，因此需要對電網進行相應的電能質量處理。

1 光伏發電站發電原理以及接入電網方法

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生了電位差。根據能量之間的轉化，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，同時這也是光伏發電站發電的原理。

根據電壓等級可以將光伏發電站分為三類：一是接入電壓等級為66KV及以上的電網的光伏發電站稱為大型光伏發電站；二是接入電壓等級為10～35KV電網的光伏發電站稱為中型光伏發電站；三是接入電壓等級為0.4kV低壓電網的光伏發電站稱為小型光伏發電站。光伏發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，其發電以及接入電網的過程就是首先通過光伏電池陣列將光能轉變為電能，電能以直流電的形式通過逆變器轉變為交流電輸出，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。一個光伏發電站的發電功率通過此發電站的光照量來衡量。光伏發電受環境的影響造成存在高次諧波含量和發電功率不穩定性，從而影響到光伏發電的電能質量。

2 光伏發電站產生諧波對電網的主要影響

某光伏發電站并網點對電能質量進行連續測量，測試時間為60小時30分鐘，其中光伏發電時間為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，超過協議容量允許值。且95%概率值也已經超過允許電流，但95%概率值還在合格范圍內。

2.1 高次諧波含量

通過測量研究表明，電力系統中的三相交流發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，對光伏發電站的電能質量產生影響。高次諧波源向整個電網注入了整倍于基波頻率的諧波電流。諧波電流在電網上產生諧波降壓，必然會導致整個電網電壓和電流的波形產生變化，直接導致了光伏發電站電能質量的不斷下降。

研究發現，光照強度對于光伏發電站輸出的諧波影響顯著。光伏發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 發電功率的不穩定性

光照強度對于光伏發電站的輸出功率同樣存在著巨大的影響。光伏發電的輸出功率具有波動性、間歇性、周期性這三個主要特點，這就造成了對電網電壓的波動閃變。尤其是光伏發電在如今發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的調節影響也會越來越明顯，最終很有可能造成整個電網頻率的上下波動。

3 提高光伏發電電能質量的技術措施

3.1 提高并網點短路容量

通過提高光伏發電站并網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電系統中的應用

傳統的電網電能質量治理裝置在光伏發電系統中依然使用，例如APF、DSTATCCOM和SVC等同樣可用于大規模的光伏發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點，可以擔當一定的電能質量調節任務，與電能質量治理裝置聯合使用，從而改善電能質量。

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

3.3 增加一定的調壓設備

在配電系統中，傳統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的非線性負荷并聯，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中去。該裝置的優點是投資少、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的重要手段。但該方法的補償特性受電網阻抗、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濾波電路會因系統阻抗參數變化而產生與系統并聯諧振問題，影響和后果嚴重。

4 結語

光伏發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電站的電能質量，同時把光伏發電這一綠色環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電站接入電網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的諧波電流決定的。

參考文獻

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作者簡介：林松輝（1968-），男，廣東揭陽人，廣東電網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）