提升光伏電站并網(wǎng)電能質(zhì)量的研究

宋卿堯

（深能北方（通遼）能源開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

0 引 言

目前，全球氣候變暖趨勢日益嚴重，我國已經(jīng)開始對發(fā)電形式進行調(diào)整，利用太陽能、風能以及重力勢能等減少不可再生資源的損耗，有效緩解了我國用電量大、資源形勢緊張、排碳量超標等危機。尤其是在光伏發(fā)電過程中，我國已在多個省市開展光伏發(fā)電試點，總裝機超過2.53×108kW。光伏發(fā)電過程中，上述新增光伏電站并網(wǎng)時受氣候因素和出力情況等影響，很容易造成電壓波動、諧波潮流等，因此在現(xiàn)階段智能電網(wǎng)建設中需全面重視，以最大限度降低電能質(zhì)量問題，提升用戶用電穩(wěn)定性[1-3]。

1 光伏電站并網(wǎng)原理及模型分析

1.1 工作原理

光伏電站是在光伏發(fā)電技術基礎上形成的一種新型發(fā)電系統(tǒng)，通過與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)，滿足區(qū)域用戶用電需求。光伏電站運行過程中主要利用光伏組件完成太陽能到電能的轉(zhuǎn)換。在運行過程中，光照射到光伏組件后，入射光子吸引正電子移動到N區(qū)，此時負電子移動到P區(qū)，形成明顯的電勢差，達到儲能的效果。這種發(fā)電形式易獲取資源且介質(zhì)成本低，在我國電網(wǎng)建設中已經(jīng)開始大規(guī)模使用。2020年，我國光伏發(fā)電裝機總容量達到252.88 GW，同比增長24%，較2019年有了明顯提升。2016—2020年的裝機總量及同比增長率如表1所示。

表1 近年裝機總量及同比增長率

1.2 建模分析

從文獻資料來看，我國在對光伏電站并網(wǎng)建模研究主要集中在PV建模和穩(wěn)態(tài)分析兩方面。前者主要是將變流器作為電能源進行PV性質(zhì)分析，而后者則是將光伏發(fā)電擬同發(fā)電機進行穩(wěn)態(tài)性能分析。本次研究主要從功能模塊（圖1）出發(fā)，分析其運行結構，形成對應PV標稱量。

圖1 光伏電站功能模塊

電壓變化情況為系統(tǒng)線路標稱電壓值Ure和線路實際電壓值UN差值與UN的比值，即：

波動率為系統(tǒng)線路中最大電壓和最小電壓占實際電壓的比值，即：

電網(wǎng)諧波可以按照基波電壓U1與各次諧波電壓Uh明確電壓總諧波畸變率計算，即：

2 光伏電站并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響

2.1 電壓情況

2.1.1 電壓波動

受光照因素的影響，光伏電站并網(wǎng)過程中很容易出現(xiàn)由光照強度差異引起的出力不均衡問題，造成并網(wǎng)運行過程中電壓等級存在明顯波動，尤其是在光照強度變化較為顯著的區(qū)域。發(fā)電過程中的有功功率和無功功率差異較大，一旦光伏電站并網(wǎng)很容易產(chǎn)生由電壓波動和負荷不匹配等造成的電壓失衡[4]。

在不同光照強度下，光伏發(fā)電過程中的標稱電壓值Ure和線路實際電壓值UN存在明顯差值，此時ΔU與光照強度變化一致。不同時刻光伏電站并網(wǎng)后的母線電壓波動情況如圖2所示。

圖2 不同時刻光伏電站并網(wǎng)后的母線電壓波動情況

上述電壓波動將直接影響各線路節(jié)點電壓穩(wěn)定性，導致用戶用電時出現(xiàn)忽明忽暗的現(xiàn)象，降低了用戶用電滿意度。與此同時，電壓波動還會影響各用電裝置的使用壽命，在光伏電站并網(wǎng)中需全面重視。

2.1.2 電能損耗

在出力不均衡時也會導致光伏電站并網(wǎng)引起的能量損耗增加，尤其是在無功功率損耗上。光伏電站并網(wǎng)過程中很容易影響原低壓配電網(wǎng)母線電壓分布情況，致使線路電流發(fā)生改變。尤其是在接入點區(qū)域，流通電流明顯加大，線路有功損耗和無功損耗驟增，造成了不必要的電能損失。

2.2 諧波情況

光伏發(fā)電中往往需要使用大量的非線性裝置，如逆變器和非線性負載等。這類裝置很容易致使電流頻率波動，引起振蕩、諧波問題。光伏電站并網(wǎng)中的諧波問題主要是由逆變器引起，這類半導體型諧波源會產(chǎn)生多次諧波電流，導致并網(wǎng)后功率不平衡和過電壓損耗上升等，已經(jīng)成為新時期影響光伏電站并網(wǎng)質(zhì)量的關鍵[5,6]。

以光伏電站并網(wǎng)等效模型為例，在發(fā)電環(huán)節(jié)使用逆變器致使系統(tǒng)非線性負荷上升，此時頻率根據(jù)逆變器頻率波動情況發(fā)生改變，引起無功功率變化和電網(wǎng)諧波。尤其是在多個光伏電站同時并網(wǎng)時，基波電壓U1與各次諧波電壓Uh差異顯著，總諧波畸變加劇，甚至出現(xiàn)死區(qū)效應。非線性負載引起的諧波變化如圖3所示。

圖3 非線性負載引起的諧波變化

上述死區(qū)問題往往會集中在開關頻次附近，大多是由于逆變器2次、3次、5次以及7次等諧波電流引起。在處理的過程中應注意增加抑制諧波裝置，避免死區(qū)引起的調(diào)控和鎖相問題。

3 提升光伏電站并網(wǎng)電能質(zhì)量的幾點建議

為進一步提升光伏電站并網(wǎng)電能質(zhì)量，在光伏發(fā)電接入過程中應根據(jù)接入規(guī)模選擇有效接入方式，并在上述過程中增加電壓補償和諧波保護裝置，以提升光伏并網(wǎng)后智能電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性以及可靠性。

3.1 調(diào)整并網(wǎng)方式

光伏電站并網(wǎng)過程中為了最大限度降低光伏發(fā)電對電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)潮流等的影響，應盡量選用專線并網(wǎng)模式，在光伏電站出線側將電纜與配電網(wǎng)母線連接，直接利用間隔完成并網(wǎng)接入。這種方式適用于大容量接入，成本較高。而在小規(guī)模光伏電站并網(wǎng)過程中，為了降低并網(wǎng)時對電網(wǎng)電壓的沖擊，可以在線路中采用T接方法增加并網(wǎng)開關，從而將分布式光伏電站順利接入電網(wǎng)。

3.2 調(diào)節(jié)電壓質(zhì)量

光伏電站并網(wǎng)的過程中應根據(jù)電壓波動情況做好電壓補償。上述過程中需要先計算電壓變化情況，確定電壓值變化狀況和潮流變化狀況。如可通過電壓波動模型分析電壓變化趨勢，確定光伏電站接入后電壓的波動值、波動頻次以及波動時間段等。利用半步變量潮流推算法確定分布式光伏電站接入后系統(tǒng)的潮流波動情況，并對可能出現(xiàn)的潮流變向引起的各項問題進行針對性防護和處理，降低由潮流引起的電網(wǎng)故障。

一般電壓調(diào)節(jié)中可選用無功補償裝置實現(xiàn)，如SVC、SVG能夠有效補償分布式光伏電站接入后的無功功率。若無功功率波動，在光伏電站并網(wǎng)過程中可以利用SVC、SVG裝置的負反饋調(diào)節(jié)實現(xiàn)無功功率補償，從而降低分布式光伏電站接入后的各節(jié)點的電壓偏差，從根本上提升光伏電站并網(wǎng)后的電能質(zhì)量，從而提高其可靠性、穩(wěn)定性以及有效性。

3.3 有效抑制諧波

光伏電站并網(wǎng)過程中應按照《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的相關指標嚴格控制諧波問題，避免造成裝置誤動或電能質(zhì)量污染。如可利用有源電力濾波器來消除諧波，通過濾波器補償有效解決電壓波動。也可在逆變器逆變過程中增加虛擬阻抗回路，利用該回路有效抑制諧波，減少其對各裝置和線路的影響，從而保證光伏電站順利并網(wǎng)。

4 結 論

光伏電站并網(wǎng)的過程中需要全面把握非線性裝置引起的電壓波動和諧波問題，根據(jù)接入點電壓變化情況及電流頻率變化情況做好相應的并網(wǎng)保護，如調(diào)整并網(wǎng)接入方式，增加補償裝置和諧波抑制裝置等。利用上述方法有效降低光伏發(fā)電過程中環(huán)境因素、逆變器等引起的電壓畸變和諧波畸變，從根本上保證光伏發(fā)電出力的穩(wěn)定性，使用戶的用電質(zhì)量得到全面改善。