含高密度居民光伏的低壓電網電能質量分析及治理

含高密度居民光伏的低壓電網電能質量分析及治理

國網嘉興供電公司 唐昕 韓中杰 范明

隨著居民光伏系統的發展，研究居民光伏發電并網的相關問題，對區域電網安全可靠經濟的運行具有重大意義。文中從電網電能質量方法分析了居民光伏系統的接入對地區電網造成的影響，并給出了有源電力濾波（APF）動態補償裝置降低電壓波動對電網的影響、抑制諧波等治理措施。

居民光伏；電能質量分析；電能質量治理；諧波

1 引言

隨著石化能源日益緊缺，以及電力系統對供電安全性、可靠性和靈活性等要求越來越高，供電模式從傳統的高電壓、大機組為主的集中式供電模式向含分布式電源的多樣化模式發展。分布式光伏，尤其是居民屋頂光伏發電具有安裝簡單、受區域影響較小等特點，越來越受到政府和用戶的青睞，以浙江省為例，2016年制定了“百萬家庭屋頂光伏計劃”，力推家庭光伏發展。研究居民光伏發電并網的電能質量問題，對提升區域電網的安全穩定和供電可靠具有重要意義。

2 居民屋頂光伏發電系統并網的影響

2.1 居民光伏系統

屋頂光伏發電系統主要由太陽能電池陣列、直流接線箱、DC/AC逆變器、交流配電箱及計量檢測系統組成。光伏并網系統將太陽能轉換成直流電能后，再通過逆變器將直流電逆變為50 Hz、220 V/380 V的交流電，配電箱輸出的電能分成兩路，一路通過接入本地負荷以供自用，另外一路接入電網。當光伏發電量大于等于本地負荷時，將多余的電能輸送至電網，而當光伏發電量不足以滿足居民用戶負荷時，負荷電能由電網供給。

2.2 并網的影響

光伏電源并網對電能質量方面的影響主要體現在電壓波動與諧波這兩方面[1]。

(1)輸出不穩定

光伏發電的能源來源是太陽能，除發電裝置的故障、檢修等原因外，所發電量很大程度上受日照、溫度、季節等因素的影響，導致輸出功率波動頻繁。由于電力系統調度對有功功率的短期負荷精度要求較高，當光伏發電的容量超過一定比率時，將對系統的電壓、頻率造成影響，不利于電力系統的安全穩定運行，這就需要對光伏系統安裝點的多種氣象因素進行長期的考察，在大量數據支持的基礎上會盡可能提高輸出功率預測的準確性，降低對電網的影響。此外，還應在相應的位置配備應對發電量下降的補償裝置，以保證系統的穩定。

(2)對電網沖擊問題

居民太陽能光伏發電并網實際上是兩個交流電源的并聯,只有當兩個交流電源的電壓同幅度、同相位時才能并聯。如果在逆變器交流側電壓與電網電壓不同步的情況下并網,將產生沖擊性電流,會對電網產生沖擊,嚴重時可能損壞附近居民的電器設備或引起保護動作造成停電事故,并網設備本身也會因沖擊而損壞。因此居民太陽能光伏發電并網時采用的并網逆變器必須有很可靠的同步控制裝置,并網時要嚴格按規范操作。

圖1馬橋新城24號公變臺區居民光伏發電系統

圖2 姚莊桃源二邨26號箱變臺區電能質量測試點

(3) 諧波問題

居民太陽能光伏發電并網設備的逆變器是一個諧波源,其產生的諧波分量與其拓撲結構和控制方式有關,這導致了太陽能光伏發電并網系統在將直流電能逆變轉換為交流電能的過程中會產生大量諧波。由于太陽能光伏發電并網系統安裝位置的不確定性,實際注入公共連接點的諧波電流需在發電裝置并網時按規定方法測量后才能得知。因此,太陽能光伏發電并網系統實際并網時需現場檢測其諧波電壓、電流是否滿足國家標準,如不滿足則需采取加裝濾波裝置等相應措施。

3 居民光伏發電系統并網的電能質量分析

為研究居民光伏并網發電系統對于配電網電能質量的影響[2]，依據《國家電網公司光伏電站接入電網技術規定的要求》對姚莊桃源二邨26號箱變臺區開展電能質量測試與分析。

3.1 現場情況

姚莊桃源二邨26號箱變臺區容量630 kVA，配置接觸器式無功補償裝置，負載為桃源二邨住宅區居民，21戶住戶屋頂安裝光伏發電系統，每戶3 kW，采用220 V單相接入，光伏功率滲透率10%。由于白天小區內居民用電量低，光伏系統發電量大，某些時段出現光伏電能向公變高壓側倒送的情況。

3.2 電能質量測試

2016年8月25日，測試點如圖2所示，測試結果如圖3所示。

從測試結果可以看出，電流畸變率較大，其中A相電流畸變率平均為19.3%左右；B相電流畸變率平均為13.9%左右；C相電流畸變率平均為10.2%左右。諧波電流在允許值范圍內，但其中3次、5次、7次諧波電流較明顯。頻率在允許值范圍內。

4 治理方案

采用有源電力濾波（APF）動態補償裝置，通過外部電流互感器，實時檢測負載電流，并通過內部DSP計算，提取出負載電流中的諧波成分，然后輸出PWM信號給內部IGBT，使得逆變器產生一個和負載諧波電流大小相等，相位相反的諧波電流注入電網中，使得流入電網的電流為純凈的正弦波電流，從而達到濾波的目的。

5 治理結果分析

為了驗證上述APF動態補償裝置的有效性，本文選擇天氣較為晴朗，光伏出力滿足大部分運行工況的條件下進行測試。測試過程中多次切除、重投APF，反復對比治理效益，測試結果如圖5所示。

圖3-1 電壓波形圖

圖3-2 電流波形圖

圖3-3 3次電流諧波畸變量

圖3-4 5次電流諧波畸變量

圖3-5 7次電流諧波畸變量

圖3-6 頻率趨勢圖

圖3-7 電流趨勢圖

圖3-8 諧波電流趨勢圖

圖4 APF動態補償裝置接線圖

(1)電流測試

從圖5可以看出，APF開啟時負載側電流大約在6A左右波動，此時諧波電流大約在3A左右波動，APF補償值也在3A左右，滿足這種小電流系統對于諧波治理的精度要求，補償效果明顯。

(2)諧波治理

1)3次諧波電流畸變率測試

測試時，15∶04-15∶12APF正常工作，15∶12-15∶20手動切除APF。從表1可以看到，在15∶04-15∶12這一段時間內，APF正常工作，此時3次諧波得到很好抑制，諧波畸變率在10%以內，且畸變率相對平穩，尖刺和波動很小。15∶12-15∶20這一段時間內，APF切除，3次諧波明顯抬升，畸變率最高可達47,4%，且畸變率頻繁波動，系統穩定性受到極大沖擊。從投切前后數據對比可以看出，APF的治理效果十分明顯。

2)5次諧波電流畸變率測試

測試時，15∶04-15∶12APF正常工作，15∶12-15∶20手動切除APF。從圖5可以看到，在15∶04-15∶12這一段時間內，APF正常工作，此時5次諧波得到很好抑制，諧波畸變率在10%以內，且保持平穩，尖刺和波動很小。15∶12-15∶20這一段時間內，APF切除，5次諧波明顯抬升，畸變率最高可達42,8%，且畸變率頻繁波動，很不穩定。投切前后對比，可見APF的治理效果明顯。

測試時，15∶04-15∶12APF正常工作，15∶12-15∶20手動切除APF。從圖7可以看到，在15∶04-15∶12這一段時間內，APF正常工作，此時7次諧波得到很好抑制，諧波畸變率在5%左右，且保持平穩，尖刺和波動較小。15∶12-15∶20這一段時間內，APF切除，7次諧波明顯抬升，畸變率最高可達26,6%，且畸變率頻繁波動，很不穩定。投切前后對比，可見APF的治理效果明顯。

3)總諧波電流畸變率測試

以上分析了各典型次數諧波的治理情況，圖6為測試期間總諧波電流畸變率趨勢圖。從圖6可以看出，在15∶04-15∶12這一段時間內，APF正常工作，此時系統中總諧波畸變率得到很好抑制，諧波畸變率在15%左右，15∶12-15∶20這一段時間內，APF切除，系統中諧波含量明顯抬升，畸變率最高可達65,0%，系統總諧波畸變率波動非常大，系統的穩定性受到了極大沖擊，對其他用電負荷和上級配電網絡造成了極大危害。從投切前后數據對比可以看出，APF的治理效果明顯，系統的諧波情況得到了極大的抑制。

表1 APF電流測試結果

從圖5～圖8對比可以看出，該治理點在APF投入以后電能質量明顯改善，電流畸變率明顯減小。APF未投入前，系統中各次諧波電流畸變率普遍在25%以上，且波動十分劇烈，對系統造成很大沖擊。APF投入后諧波電流得到了明顯的抑制，各次諧波畸變率基本控制在10%以內。其中列出了主要的3，5、7次諧波電流的治理情況，從圖中可以看出APF投入后這幾次諧波均得到了有效的抑制，系統的穩定性得到了很大提升。綜上分析，通過APF針對居民光伏系統的諧波情況可以達到很好的治理效果，并能大大提升該配電區的電能質量。

圖5 APF3次諧波電流畸變率測試結果（3次諧波電流畸變率變化波形圖）3)7次諧波電流畸變率測試

圖6 APF5次諧波電流畸變率測試結果（5次諧波電流畸變率變化波形圖）

圖7 APF7次諧波電流畸變率測試結果（7次諧波電流畸變率變化波形圖）

圖8 APF總諧波電流畸變率測試結果（總諧波電流畸變率變化波形圖）

6 結論

隨著居民光伏發電系統不斷接入電網，對電網運行可靠性影響會日趨明顯。文中通過分析居民光伏系統的并網諧波電流，提出基于動態補償裝置的治理措施，開展居民光伏系統典型運行狀態下試驗測試。測試結果表明APF針對居民光伏系統的諧波情況可以達到較好的治理效果，并能提升該配電區域的電能質量。

[1]王博等.并網光伏發電系統電能質量測試與分析[J].低壓電器，2013，55（2）：33-37.

[2]呂志盛等.新能源發電并網對電網電能質量的影響研究[J].華東電力，2012，40（2）：0251-0256.

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《電力設備管理》雜志社編輯部2017.7.15