光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題研究

余學成

摘要：作為發(fā)電行業(yè)的又一新興電能資源，利用太陽能進行發(fā)電的光伏產(chǎn)業(yè)備受世人矚目。作為全球能源科技和產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向，光伏發(fā)電所呈現(xiàn)出的巨大前景市場已然成為我國獨具國際競爭優(yōu)勢的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其結(jié)合了經(jīng)濟與環(huán)保的雙選性能，是一個能實現(xiàn)多贏的經(jīng)濟型綠色產(chǎn)業(yè)。光伏發(fā)電作為太陽能發(fā)電的一大主流，將有利地推動我國發(fā)電事業(yè)的穩(wěn)步前進。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；光伏并網(wǎng)；電能質(zhì)量

中圖分類號：TM615文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2014）20-0095-01

光伏發(fā)電作為一個新興的發(fā)電市場，對于我國電能質(zhì)量治理領(lǐng)域來講有著極為重要的涵義，光伏發(fā)電是一種利用太陽能電池串聯(lián)成太陽電池組件再配以功率控制器等部件，形成光伏發(fā)電裝置將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種先進技術(shù)，在目前發(fā)電能源缺乏的情況之下，光伏發(fā)電將代替風力發(fā)電、潮汐發(fā)電、水能發(fā)電、煤炭發(fā)電及核能發(fā)電成為新興的可再生發(fā)電形式。

1光伏發(fā)電帶來的電能質(zhì)量問題

隨著近年來我國能源資源的不斷減少，即將面臨的資源枯竭問題日益嚴重，因而各行業(yè)各部門都在積極尋找新的可再生資源來維持生產(chǎn)生活活動，隨著全球?qū)μ柲艿闹匾暫筒粩嘌邪l(fā)，光伏發(fā)電技術(shù)得以快速發(fā)展，人們開始將光伏電源接入現(xiàn)有的電力系統(tǒng)之中，其通過大量的電力電子器件與傳統(tǒng)的發(fā)電網(wǎng)路進行并聯(lián)，不僅是對傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的一次重大沖擊，也是現(xiàn)有電網(wǎng)的一次重大突破，現(xiàn)有的電網(wǎng)將會迎來許多新的電能質(zhì)量問題，光伏發(fā)電并網(wǎng)所帶來的電能質(zhì)量問題將成為一個極具研究價值的新論點。光伏發(fā)電并網(wǎng)將會產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題主要有電壓波動、閃變、諧波等，并且影響有功和無功潮流、頻率控制等特性。要了解光伏發(fā)電并網(wǎng)所帶來的電能質(zhì)量問題，首先要明確影響太陽能發(fā)電的幾個因素。

1.1影響太陽能發(fā)電的因素

太陽能雖然作為一種可再生且綠色環(huán)保的新型能源，但受到各方面因素的影響極不穩(wěn)定，影響太陽能發(fā)電的因素很多，主要包括有周期性，即白天和黑夜的交替，太陽能發(fā)電的時間只停留在白天；陰雨雪天與晴天的交替也會影響到太陽能發(fā)電；光伏板上的灰塵，光伏板安裝的位置以及角度，對其也有一定的影響；整個環(huán)境的溫度亦是影響太陽能發(fā)電的一個因素。如在多云的天氣中，太陽能發(fā)電受氣溫的影響較大，在氣溫急劇回升的10點到15點間，發(fā)電輸出的功率會出現(xiàn)快速變化。

1.2逆變器控制方式的影響

要將光伏電源接入到現(xiàn)有的電網(wǎng)之中，并網(wǎng)所需的應(yīng)用器材便是逆變器，逆變器的使用能有效地對光伏發(fā)電并入電網(wǎng)的質(zhì)量品質(zhì)進行控制，目前并網(wǎng)中逆變器的功率因素為0.99，是最大利用逆變器的容量和最大發(fā)電量。當然，逆變器的使用并不是十分完美的，在光伏電站裝機容量增加之后，光伏發(fā)電的功率就會受到影響，從而出現(xiàn)波動現(xiàn)象，高功率因數(shù)的運行將對整個電網(wǎng)的穩(wěn)定造成不可估量的威脅甚至破壞；另外，逆變器的安裝使用還需要額外的無功來維持電壓，這也是造成電能質(zhì)量問題的又一因素。

逆變器的大規(guī)模安裝及運行也會帶來多臺逆變器之間“孤島保護”問題，PV容量相對于負載比例較小時，電壓、頻率會在電網(wǎng)消失之后快速減弱，從而使得孤島得以準確地檢查；但是當PV容量不斷增加之后，就容易出現(xiàn)發(fā)電功率與負載基本平衡的狀況，孤島檢測的時間會受此影響而不斷延長，甚至可能出現(xiàn)孤島檢測失敗的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在PV由多種類型的并網(wǎng)逆變器并入同一并網(wǎng)點時尤為明顯，主要原因在于并入同一并網(wǎng)點各逆變器間的相互干擾過于強烈，就容易導(dǎo)致孤島檢測時間的延長甚至失敗。

1.3大規(guī)模PV對配電網(wǎng)的影響

大規(guī)模PV的載入容易帶來對系統(tǒng)電壓形態(tài)、網(wǎng)損、電壓閃變、諧波、電路元件熱負荷、短路電流、頻率控制、動態(tài)穩(wěn)定等影響。PV的接入改變了電網(wǎng)潮流的方向，對于現(xiàn)有電網(wǎng)的規(guī)劃、調(diào)度運行方式都產(chǎn)生了影響，并且在調(diào)度運行時，PV單元由于不具備自動調(diào)度的功能，因而不能夠參與電網(wǎng)頻率、電壓的調(diào)整，在對加大電網(wǎng)控制和調(diào)度運行之上也產(chǎn)生了一定的難度。另外，隨著太陽光照強度的變化，PV發(fā)電功率也會產(chǎn)生變化，也將對電網(wǎng)的負荷特性產(chǎn)生影響。

2可行的解決方案

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生主要表現(xiàn)為穩(wěn)定發(fā)電問題、無功問題、諧波問題和多類型并網(wǎng)逆變器的孤島保護問題。光伏發(fā)電的發(fā)電功率取決于太陽的光照輻射量上，受氣候環(huán)境的影響極大，因而具有不穩(wěn)定和不確定性的特點；另外在逆變器功率因數(shù)超過0.99時，有功不變的情況下需要額外的無功進行電網(wǎng)頻率和電壓調(diào)節(jié)；并且受逆變器開關(guān)元件技術(shù)所限，并網(wǎng)之后的電流中將產(chǎn)生諧波電流并注入電網(wǎng)；多種類型逆變器接入同一并網(wǎng)中所產(chǎn)生的孤島問題也將成為亟待解決的電能質(zhì)量問題。另外，考慮到我國現(xiàn)目前光伏發(fā)電并網(wǎng)所應(yīng)達到的標準（涉及對電壓、波形、頻率、想為、諧波等）與國際標準之間的差距，國內(nèi)光伏發(fā)電的發(fā)展模式與國外的差異，都會對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。

要做到有效解決光伏發(fā)電并網(wǎng)所帶來的電能質(zhì)量問題，就要應(yīng)對不同的問題作出相應(yīng)的對策。首先，對于大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓電源的并入和分散開發(fā)的就地接入，對不同電壓進行電壓等級的評估以明確電壓的偏差，從而對其作出規(guī)定；其次，由于光伏發(fā)電在大規(guī)模設(shè)置上具有較強的頻率耐受力，以此決定了我國光伏發(fā)電站的發(fā)電頻率所允許的偏差較大；因此，為了適應(yīng)大規(guī)模、高容量的PV并入電網(wǎng)運行之中，又要保證電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全，就有必要對于光伏發(fā)電并網(wǎng)所要求的新技術(shù)進行研發(fā)，這也延伸出了新技術(shù)研發(fā)的相關(guān)內(nèi)容，即儲能技術(shù)、諧波抑制、新型并網(wǎng)逆變器等研究方向。

①儲能技術(shù)。儲能技術(shù)作為一種更加適用于高比例、大容量PV系統(tǒng)的未來電力系統(tǒng)中的重要新技術(shù)，其主要的儲能設(shè)備包括蓄電池、超級電容器、超導(dǎo)儲能裝備以及壓縮空氣儲能等，不僅可以進行能量的釋放和儲能，以實現(xiàn)對頻率的調(diào)節(jié)，也可以平衡和控制電網(wǎng)功率的波動，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

②諧波抑制。諧波抑制主要是通過將電網(wǎng)進行標準化控制，將逆變器進行標準化統(tǒng)一及安置，從而實現(xiàn)電力的真正綠色化。針對現(xiàn)有的并網(wǎng)逆變器，諧波抑制的控制方式有“群控技術(shù)（多臺逆變器并聯(lián)運行）”和“綜合補償控制（在逆變器中使用交流濾波器APF）”兩種，這兩種控制方式都需要數(shù)據(jù)采集器來完成。

③無諧波輸入電網(wǎng)的實現(xiàn)可以通過高性能并網(wǎng)逆變器來實現(xiàn)，需要考慮光伏發(fā)電接入的配電保護算法、光伏發(fā)電的無功控制以及配電無功調(diào)節(jié)裝置的協(xié)調(diào)。

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