并網光伏發電系統對電網電能質量的影響分析

鐘新熙

（國能大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 雅安 625399）

0 引 言

隨著清潔能源的不斷發展，光伏發電作為一種重要的可再生能源形式，逐漸成為電力系統中的重要組成部分。然而，并網光伏發電系統與傳統電網的連接會對電網電能質量產生一定的影響，可能引起電壓波動、頻率偏差和諧波等問題。文章將深入研究并分析并網光伏發電系統對電網電能質量的影響，尋找有效的改進方法，從而提高電網電能質量，促進清潔能源穩定接入電網。

1 并網光伏發電系統介紹

并網光伏發電系統基于光伏效應將太陽輻射能轉化為電能。在實際應用中，有效控制光伏電池的電流和電壓，可以實現電能的穩定輸出，為電力系統注入清潔能源。

并網光伏發電系統主要由太陽能電池陣列、電壓與充電控制系統、蓄電池、并網逆變器、計量與切換控制裝置以及220 V 電網組成。太陽能電池陣列負責將太陽輻射能轉化為電能，電壓與充電控制系統則確保電池組的穩定充電狀態。蓄電池在系統中起到充放電的作用，能夠儲存多余的電能以備不時之需。并網逆變器將直流電能轉換為交流電能，實現系統與220 V 電網的連接，為家庭用電提供清潔能源。計量與切換控制裝置負責監測系統運行狀態，并在需要時切換電源，確保系統的可靠性和安全性[1]。整個系統構成一個完整的并網光伏發電網絡，能夠為家庭提供穩定的220 V 交流電源。

2 并網光伏發電系統與電網電能質量的關聯

并網光伏發電系統與電網電能質量的關聯緊密且復雜，主要表現在直流注入和逆變器運行2 個方面。太陽能電池陣列通過光電效應將太陽輻射轉化為直流電，并注入電網。這一直流電注入過程會對電網電能質量造成一定影響，其波動可能導致電網電壓出現變動，且天氣條件的變化和系統容量的波動在一定程度上影響著直流電的注入，對電網穩定性提出挑戰。通過并網逆變器將直流電轉化為交流電是光伏發電系統關聯電網電能質量的關鍵環節。逆變器的運行會引入諧波和電壓波動，直接影響電網的穩定性和性能。

3 影響并網光伏發電系統電能質量的因素分析

3.1 天氣條件

天氣條件是影響并網光伏發電系統性能的重要因素。太陽輻射的強度和照射時間直接影響光伏電池陣列的發電量。光照充足時，光伏系統產生的電能相對較高；光照不足時，發電效果減弱，導致系統性能下降。

溫度是天氣條件的重要組成部分。溫度升高會導致光伏電池的工作效率下降，從而減少發電量。這是因為太陽能電池的發電效率與溫度呈負相關關系。因此，在高溫天氣下，系統的發電性能也會受到一定的制約。

異象條件的變化也會引起電網電能質量的波動。例如，突發的風暴、大雨等極端天氣會對電網造成沖擊，進而影響光伏發電系統的正常運行。這些天氣突變會導致系統的瞬時功率變動，對電網電能質量產生一定的瞬時影響。

3.2 光伏發電系統容量

光伏發電系統的容量是影響系統性能的因素之一，直接關系到系統的發電效率和電能產量。光伏發電系統的容量大小直接影響其在充足光照條件下的最大發電功率。具體而言，系統容量越大，其最大發電功率也越大。此外，系統容量決定安裝的光伏電池數量，光伏電池數量的增加將提高系統整體的發電效率。例如，在相同光照條件下，1 個容量為100 kW 與1 個容量為50 kW 的系統相比，前者具有更高的發電功率。光伏發電系統容量的合理匹配也關系到系統與電網的連接和功率穩定性。容量不足會導致系統無法充分利用光照，從而限制系統的發電潛力；而容量過大會導致電網無法有效吸納系統產生的電能，引發功率波動[2]。因此，容量的選擇需要兼顧系統的實際需求和電網的接收能力。

3.3 電網結構

電網結構是影響并網光伏發電系統運行的因素之一，其可靠性與穩定性對光伏發電系統的并網運行至關重要。不同電網結構在面對突發電力波動和負荷波動時的穩定性存在差異，直接影響著光伏發電系統的接入和電能質量。例如，強調分布式能源接入的微電網結構更易適應光伏發電系統的波動性，提供更高的接納能力。電網結構的靈活性與智能化程度對光伏系統的影響不可忽視。智能化的電網結構能夠更快速、精準地響應光伏系統的變化，通過智能調度和控制手段提高電能質量。例如，采用智能感知和響應技術的智能電網結構能夠更好地處理光伏發電系統的功率波動，減小對電網的沖擊。

3.4 并網控制策略

并網控制策略作為光伏發電系統與電網協同運行的關鍵因素，直接影響著系統的穩定性和電能質量。并網控制策略的合理性與靈活性對于減小光伏系統對電網的沖擊、提高電能質量至關重要，采用適當的并網控制策略能夠有效減小光伏系統功率波動對電網的影響。通過合理的功率調節和響應機制，可以降低電能質量波動幅度，減小電網頻率的波動。例如，采用先進的功率調節算法和電能儲存技術，能夠在短時間內平滑處理光伏功率波動，有助于維持電網的穩定性[3]。并網控制策略的選擇對于光伏系統與電網之間的功率匹配具有重要影響，合理的控制策略能夠實現光伏系統輸出功率與電網負荷需求的動態匹配，提高能源利用率，減小電網調度壓力。例如，采用智能化的最大功率點追蹤技術和實時功率調整策略，能夠更精準地控制光伏系統的輸出功率，適應電網負荷的變化。

4 并網光伏發電系統電能質量的改進方法

4.1 光伏發電系統并網控制技術的優化

光伏發電系統并網控制技術的優化是提高電能質量的重要手段。一方面，可以采用高級電流控制算法，如基于模型預測控制（Model Predictive Control, MPC）的電流控制策略，以減小對電網的諧波注入，降低電流畸變。MPC 算法基于對系統動態特性的準確建模，能夠預測未來一定時段內的電流波形，實時調整逆變器輸出，減少電流諧波成分。另一方面，可以通過引入電壓控制策略，如基于無感知電壓調整的控制方法，實現對電網電壓的精準調節[4]。該策略通過在逆變器輸出端引入無感知電壓檢測技術，實時監測電網電壓波形，并在逆變器輸出中進行相應調整，使其與電網電壓同步，有助于降低電壓波動，提高系統與電網的匹配度。

4.2 電能質量補償裝置的應用

在優化并網光伏發電系統的電能質量方面，電能質量補償裝置發揮著關鍵作用。通過應用智能集成式諧波抑制電力電容補償裝置，能夠提高功率因數并降低諧波含量，從而改善電能質量。該裝置串聯不同電抗器，具備靈活性，可根據電氣環境的特征調整配置。配置串接7%電抗器的方案主要針對諧波為5 次、7 次及以上的情境，而串接14%電抗器的配置適用于諧波為3 次及以上的情境。這種巧妙的設計能夠有效抑制不同諧波的頻率，使系統更具適應性。為實現電能質量的全面改進，裝置配備功率因數自動補償控制器，通過RS-485 通信接口與外部設備通信。該控制器能夠采集電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、諧波含量、功率因數及溫度等參數，并將數據傳送到外部設備。這一智能化的監測和控制手段使系統能夠動態適應電力系統的運行狀態，實時監測和優化電能質量。此外，電能質量補償裝置采用晶閘管動態投切開關，具備過電壓、欠電壓、欠流鎖定、斷相、過畸變以及溫度保護功能，響應時間快，能夠頻繁投切，從而提高系統的穩定性和可靠性。

4.3 高效逆變器設計與改進

為提高并網光伏發電系統的電能質量，高效逆變器的設計與改進必不可少。光伏并網逆變器采用一種創新的構造，通過巧妙設計電路結構和智能控制模塊，實現對非隔離光伏并網逆變器共模電流的抑制，改善電能質量。在電路方面，精心配置逆變電路中的開關管與相應的電容、電阻等元件，通過細致的電路連接，有效抑制共模電流的產生。特別是引入不同的續流回路，電路在續流階段成功實現光伏陣列與電網的斷開連接，確保共模電壓的恒定，顯著降低共模漏電流，提升系統的安全性。在控制模塊方面，采用數字信號處理（Digital Signal Process，DSP）模塊與逆變電路的緊密結合。DSP 模塊通過精準的控制算法，實現對開關管的精準控制，從而提高系統的穩定性和響應速度。同時，引入驅動電路，利用TLP250 芯片等元件，實現對開關管的快速驅動和過電流保護，提高系統的可靠性和抗干擾能力[5]。此外，為更全面地監測系統運行狀態，光伏并網逆變器配備了直流電壓檢測電路、直流電流檢測電路和過零檢測電路等輔助模塊，使系統能夠實時獲取電池輸出端的電壓、電流和功率因數等參數，更好地適應電力系統的運行變化。

5 結 論

并網光伏發電系統作為清潔能源的代表，為電網注入更多可再生能源，但也引發一系列電網電能質量的挑戰。因此，文章提出一系列改進方法，包括光伏發電系統并網控制技術的優化、電能質量補償裝置的應用、高效逆變器的設計與改進。通過應用這些方法，可以有效提高并網光伏發電系統的電能質量，優化其在電力系統中的性能表現。這些技術手段不僅可以降低系統對電網的負面影響，而且能夠提高電力系統的可靠性、穩定性和可持續性。