光伏發(fā)電站電能質(zhì)量狀況分析

近十年來(lái)，全球的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)每年以41.3%的速度在增長(zhǎng)，中國(guó)成為了世界上光伏發(fā)電技術(shù)和光伏電池組件的大國(guó)，年發(fā)電產(chǎn)量約占世界產(chǎn)量的44%，預(yù)計(jì)到2015年中國(guó)的光伏發(fā)電的裝機(jī)總量將達(dá)到500萬(wàn)kW。由于在10KV接入、400V接入、220V接入系統(tǒng)中都檢測(cè)到諧波電流總畸變率偏高的問(wèn)題。隨著容量的增大，諧波電流對(duì)電網(wǎng)的影響也將隨之增大。于是光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器易產(chǎn)生諧波、三相電流相對(duì)不平衡、輸出功率相對(duì)不穩(wěn)定等問(wèn)題容易造成電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、閃變，因此需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行相應(yīng)的電能質(zhì)量處理。

1 光伏發(fā)電站發(fā)電原理以及接入電網(wǎng)方法

太陽(yáng)的光子照射到不均勻的半導(dǎo)體或者金屬與半導(dǎo)體結(jié)合的不同位置產(chǎn)生了電位差。根據(jù)能量之間的轉(zhuǎn)化，其過(guò)程就是由光子轉(zhuǎn)化為電子，光能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程;由于電位差形成電壓，通過(guò)連接形成電流的回路，我們把這個(gè)稱(chēng)為光伏效應(yīng)，同時(shí)這也是光伏發(fā)電站發(fā)電的原理。

根據(jù)電壓等級(jí)可以將光伏發(fā)電站分為三類(lèi)：一是接入電壓等級(jí)為66KV及以上的電網(wǎng)的光伏發(fā)電站稱(chēng)為大型光伏發(fā)電站;二是接入電壓等級(jí)為10～35KV電網(wǎng)的光伏發(fā)電站稱(chēng)為中型光伏發(fā)電站;三是接入電壓等級(jí)為0.4kV低壓電網(wǎng)的光伏發(fā)電站稱(chēng)為小型光伏發(fā)電站。光伏發(fā)電站由四個(gè)部分組成：光伏電池陣列、逆變器、升壓變壓器、控制保護(hù)裝置，其發(fā)電以及接入電網(wǎng)的過(guò)程就是首先通過(guò)光伏電池陣列將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，電能以直流電的形式通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娸敵觯藭r(shí)的交流電是低壓交流電，然后通過(guò)升壓變壓器將交流電的電壓升壓最終接入電網(wǎng)。一個(gè)光伏發(fā)電站的發(fā)電功率通過(guò)此發(fā)電站的光照量來(lái)衡量。光伏發(fā)電受環(huán)境的影響造成存在高次諧波含量和發(fā)電功率不穩(wěn)定性，從而影響到光伏發(fā)電的電能質(zhì)量。

2 光伏發(fā)電站產(chǎn)生諧波對(duì)電網(wǎng)的主要影響

某光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，測(cè)試時(shí)間為60小時(shí)30分鐘，其中光伏發(fā)電時(shí)間為25小時(shí)20分鐘，如表1所示：

測(cè)試結(jié)果表明：各項(xiàng)指標(biāo)均合格，其中三項(xiàng)指標(biāo)裕度很大，電壓總畸變率裕度較小且最大值已超標(biāo)。不同測(cè)試時(shí)間段對(duì)95%概率值有影響。

C相諧波電流最大值測(cè)試結(jié)果如下圖1所示：

圖1表明C相25次諧波電流最大，超過(guò)協(xié)議容量允許值。且95%概率值也已經(jīng)超過(guò)允許電流，但95%概率值還在合格范圍內(nèi)。

2.1 高次諧波含量

通過(guò)測(cè)量研究表明，電力系統(tǒng)中的三相交流發(fā)電機(jī)輸出的電壓的波形通常情況下為正弦波，所謂的正弦波就是波形中近似無(wú)直流及高次諧波的分量。對(duì)于基波就是對(duì)稱(chēng)分量，三相向量之和為零，這樣就對(duì)外不會(huì)形成電磁場(chǎng)。但是對(duì)于諧波電流的分量的三相向量之和不等于零，會(huì)形成強(qiáng)大的磁場(chǎng)，對(duì)光伏發(fā)電站的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。高次諧波源向整個(gè)電網(wǎng)注入了整倍于基波頻率的諧波電流。諧波電流在電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波降壓，必然會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)電壓和電流的波形產(chǎn)生變化，直接導(dǎo)致了光伏發(fā)電站電能質(zhì)量的不斷下降。

研究發(fā)現(xiàn)，光照強(qiáng)度對(duì)于光伏發(fā)電站輸出的諧波影響顯著。光伏發(fā)電站中通常采用的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生不同的諧波。由于采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的逆變器主要目的就是為了降低低頻次諧波含量對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量的影響，但同時(shí)也丟失了抑制高頻次諧波含量的能力，導(dǎo)致諧波中的低頻次的含量低。

2.2 發(fā)電功率的不穩(wěn)定性

光照強(qiáng)度對(duì)于光伏發(fā)電站的輸出功率同樣存在著巨大的影響。光伏發(fā)電的輸出功率具有波動(dòng)性、間歇性、周期性這三個(gè)主要特點(diǎn)，這就造成了對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)閃變。尤其是光伏發(fā)電在如今發(fā)電形式的比例越來(lái)越重要的情況下，它的三個(gè)主要特點(diǎn)對(duì)用電電網(wǎng)的調(diào)節(jié)影響也會(huì)越來(lái)越明顯，最終很有可能造成整個(gè)電網(wǎng)頻率的上下波動(dòng)。

3 提高光伏發(fā)電電能質(zhì)量的技術(shù)措施

3.1 提高并網(wǎng)點(diǎn)短路容量

通過(guò)提高光伏發(fā)電站并網(wǎng)電壓等級(jí)并選擇短路容量水平比較高的變電站作為電站接入點(diǎn)，既提高電壓的波動(dòng)與閃變，又能提高電壓的不平衡度和諧波等指標(biāo)的合格率。

3.2 電能控制裝置在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的電網(wǎng)電能質(zhì)量治理裝置在光伏發(fā)電系統(tǒng)中依然使用，例如APF、DSTATCCOM和SVC等同樣可用于大規(guī)模的光伏發(fā)電站作為無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理裝置。同時(shí)，光伏微源本身具有功率響應(yīng)積極、有功無(wú)功分別可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，可以擔(dān)當(dāng)一定的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)任務(wù)，與電能質(zhì)量治理裝置聯(lián)合使用，從而改善電能質(zhì)量。

伴隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)滲透率的提高，電能質(zhì)量的控制難度也在加大，傳統(tǒng)的電能治理點(diǎn)如無(wú)功補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)、有源濾波器的投入節(jié)點(diǎn)、電能質(zhì)量的檢測(cè)點(diǎn)等都需要重新確定。傳統(tǒng)的電能質(zhì)量治理方案也需要改進(jìn)。利用光伏并網(wǎng)逆變主電路的特點(diǎn)，將光伏并網(wǎng)的發(fā)電控制與無(wú)功補(bǔ)償、有源濾波相結(jié)合，有效地進(jìn)行光伏并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)，還可以對(duì)電網(wǎng)中的無(wú)功和諧波進(jìn)行補(bǔ)償或抑制，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。

3.3 增加一定的調(diào)壓設(shè)備

在配電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法是將無(wú)源電力濾波器與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)荷并聯(lián)，為諧波提供一個(gè)低阻通路的同時(shí)，也提供負(fù)載所需的無(wú)功功率，這是最常見(jiàn)和實(shí)用的方法。該裝置利用電感和電容器貯能元件。根據(jù)諧振原理，通過(guò)濾波電路對(duì)需要消除的高次諧波進(jìn)行調(diào)諧，使之發(fā)生諧振。以便其在諧振時(shí)得到阻抗最小的特性，有效消除指定次數(shù)的諧波，并在諧波源附件就地吸收諧波電流，從而不使其注入電網(wǎng)中去。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用也低，不但起到濾波作用，還能進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。因此，無(wú)源濾波器是目前廣泛采用的抑制諧波及無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾侄?。但該方法的補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗、頻率和運(yùn)行工況的影響，只能起到對(duì)某幾次固定頻率諧波的抑制效果，而很可能對(duì)其他次諧波有放大作用，使濾波器過(guò)載甚至燒毀。另外，LC濾波電路會(huì)因系統(tǒng)阻抗參數(shù)變化而產(chǎn)生與系統(tǒng)并聯(lián)諧振問(wèn)題，影響和后果嚴(yán)重。

4 結(jié)語(yǔ)

光伏發(fā)電技術(shù)依舊是一個(gè)相對(duì)較新的研究領(lǐng)域，人們需要不斷地探索總結(jié)去提高光伏發(fā)電站的電能質(zhì)量，同時(shí)把光伏發(fā)電這一綠色環(huán)保的新能源作為今后的主要能源。通過(guò)本文可以了解光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)后主要的電能質(zhì)量問(wèn)題是諧波。諧波注入是否合格是由接入點(diǎn)的短路容量、接入光伏站的容量以及逆變器注入電網(wǎng)的諧波電流決定的。