太陽能發電對電網電能質量的影響分析

趙丹　李雪剛

摘 要：在分析太陽能發電基本原理的基礎上，從發電量波動問題、電壓無功問題、諧波問題和直流偏置問題等四個方面對太陽能發電可能造成電網電能質量的影響進行了分析。

關鍵詞：太陽能發電；電網；電能質量；影響

根據能源局統計數據，截至2014年末，我國并網光伏裝機容量達到2805萬千瓦，同比2013年增長60%。光伏發電量約250億千瓦時，同比增長200%。此外，根據國家電網公司《關于做好分布式電源并網服務工作的意見》，6MW以下光伏電站可以接入10kV及以下電壓等級，以實現電能的就地利用。可以預見，隨著國家對于分布式電源的重視，并入電網的光伏電站將越來越多。然而，利用電力電子設備實現并網與發電的太陽能電池，存在著諧波等干擾，并且，太陽能發電還存在著間歇性和波動性等固有特征，因此，研究光伏并網對電能質量的影響迫在眉睫。

1 太陽能發電的基本原理

太陽能發電就是利用光伏電池實現太陽輻射能到電能轉變的發電形式。從入網方式看，有獨立運行和并網運行兩種，其中，并網運行是實現太陽能大規模利用的主要形式，通過逆變器將太陽能產生的直流電轉變為交流電饋入電網。從并網系統的具體形式看，并網光伏系統主要有三種，即有逆潮流并網、無逆潮流并網和自立運行切換型并網。

光伏電池是整個太陽能發電的核心和關鍵，其等效電路可如圖1所示[1]，由恒流發生器、二極管和負載電阻組成。圖1中，Iph為光伏電池發出的光電流，其值與光伏板面積和入射光輻射強度成正比，IVD為經過PN結的電流，IL為輸出的負載電流，Uoc為輸出的電壓，太陽能輸出的電流可見式（1）所示。

2 太陽能發電對電網電能質量的影響

2.1 發電量波動問題

光伏發電的穩定輸出需要平穩的太陽光照輻射量，由式（1）可以看出，對于某塊光伏電池板來說，穩定的光伏出力與太陽輻照度、環境溫度等因素直接相關。類似地，光伏電站出力也直接受太陽能輻照度影響，統計數據顯示，光伏出力最大值大都集中于正午12點至15點間。

其實，光照受多種因素影響，導致光伏發電出力存在著不確定和不穩定特點。這些因素包括夜晚、陰天、霧霾、塵埃、環境溫度等，并且，影響光伏出力的這些因素是人為所不能控制的。研究已表明，太陽能發電輸出功率的瞬時最大變化率甚至會超過10%，不穩定的出力將影響電力系統穩定運行，對系統調峰、調頻提出嚴峻挑戰。

2.2 電壓無功問題

太陽能發電時，為了防止逆變器橋臂上、下開關管直通，需要在控制信號中加入死區時間，由于電感的存在，在死區時間內，逆變器輸出電壓將由電感電流來決定。正是由于死區使得逆變器輸出的實際PMW波形與理想波形有一定偏差，形成方波輸出。結合開關元件的特點，在整數次倍數附近將有大量高次諧波，導致輸出電流產生畸變，一旦太陽能發電并入配電網，由于配網線路阻抗較大，將使電網中電壓出現畸變。

此外，為充分利用逆變器容量，太陽能發電量將主要向電網注入有功電流，通常使得逆變器輸出功率因數超過0.95。在旋轉dq0坐標系下，理想交流分量所對應的有功和無功電流均為直流，但是，一旦輸出電流和電壓包含了諧波電流時，輸出的有功和無功電流將必然包含交流量，傳統的PI控制將無法實現無靜差調節[2]。并且，隨著光伏裝機容量的增大，出力波動性、間歇性和周期性特點將對電網穩定運行帶來極大威脅，只有提供足夠的無功功率才能維持電壓的波動。

另外，不得不提到的是，當包含光伏發電系統的電力網絡發生故障時，系統的電壓降和發電機功角變化將比沒有光伏發電系統的電網更大。其原因在于光伏發電系統不存在旋轉機械部件，導致系統總慣量減少并增大電壓降，并且，隨著光伏裝機在系統中比例的增加，會需要更長的時間才能恢復到穩態，為了提高包括光伏電池系統的電力系統電壓穩定性，需增加額外的電壓控制設備和無功補償裝置。

2.3 諧波問題

由于太陽能電池輸出的是直流，為了與交流電網連接，需要加裝合適的電力電子設備，將直流電逆變為交流電，但由于電力電子設備會產生一定的諧波，從而影響并入電網的電能質量。研究表明，光伏并網會產生不同比例的奇次和偶次諧波。尤其是在光伏含量較大的電網中，大量的諧波干擾會導致系統中產生并聯諧振和串聯諧振問題。為了解決這些問題，可在系統中設計控制技術以抑制相應的諧波，例如，最大功率跟蹤、直流交流功率轉換、無功補償、諧波消除、隔離保護等。另外，為了防止諧波電流注入電力網絡，變流器控制方案中還可加入濾波器。另外，還需指出，當逆變器輸出輕載時，諧波會變得更加明顯，比如，在10%額定出力以下時，電流總諧波失真率甚至會超過20%。

2.4 直流偏置問題

在太陽能發電系統中，逆變器正弦波中的直流分量、控制回路中運放的零點漂移以及開關元件、驅動回路特性不一致等，將導致逆變器輸出電壓中存在直流分量。如果此類光伏發電系統并入電網，將導致直流分量注入電網中，對于電網中無隔離的變壓器，將導致變壓器正常工作點發生偏移，使得變壓器發生飽和。如果直流分量流入線路中，由于線路阻抗不一致，將會在光伏并網逆變器間形成一定量的直流環流，由于功率的不均勻，將使得直流環流影響光伏系統的運行。此外，直流偏置問題還會導致絕緣老化，形成較高的電流峰值。

參考文獻

[1]吳素農，等.分布式電源控制與運行[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]丁明，王敏.分布式發電技術[J].電力自動化設備，2004，24（7）：31-35.