浅析并网光伏发电系统对电网电能质量的影响

作者 何德良1 贾宏伟2，3   1、广东电网有限责任公司东莞供电局(广东 东莞 523000)  2、广东省电力工业职业技术学校(广东 广州 510000)  3、广东电网有限责任公司教育培训评价中心(广东 广州 510000)

　　何德良，男，高级技师，研究方向：配网;贾宏伟，1979年9月，男，硕士研究生，讲师，研究方向：电力系统市场营销。

摘要：光伏发电作为太阳能的主要利用途径，能够有效缓解化石能源供给紧张的的现状。光伏发电系统并入常规电网，与之共同承担发供电任务，即形成并网光伏发电系统。相对于独立光伏发电，拥有诸多优点的并网光伏发电，受到了各国极力地推崇和大力地发展。因此，并网光伏发电系统也就成为全球绿色新能源领域的研究热点。但在光伏发电并网过程中采用了大量的电力电子技术，在送上能源的同时也带来了很多影响电网电能质量的因素。本文就光伏发电并网的几个主要技术环节可能带来的电能质量问题进行分析。

0 引言

　　全球化石能源日益消耗，能源供给状况日趋紧张，世界各国不得不加紧寻找替代能源和大力开发节能技术。而储量丰富、清洁的太阳能，无疑是化石能源理想的可持续替代能源;光伏发电作为太阳能的主要利用途径，能够有效缓解化石能源供给紧张的现状。光伏发电系统并入常规电网，与之共同承担发供电任务，即形成并网光伏发电系统。相对于独立光伏发电，拥有诸多优点的并网光伏发电，受到了各国极力地推崇和大力地发展。

1 并网光伏发电系统主要结构

　　光伏发电系统分为独立运行与并网运行两种工作方式。并网光伏发电系统比较具有市场应用价值的形式，是当今世界光伏发电发展的主要趋势。并网光伏发电作为光伏发电的一般具有两种典型系统结构，即单级式并网光伏发电系统与两级式并网光伏发电系统。两者相比较而言，单级式光伏逆变器控制系统需要同时实现最大功率点跟踪与并网控制功能，因此对控制器的要求会比较高。另外，必须加装直流母线电压保护装置来确保系统并网的安全性。两级式并网光伏发电系统主要包括光伏阵列、变换器、逆变器、控制器、滤波电路等几部分。第一级在实现对光伏阵列的最大功率点跟踪的同时，将光伏阵列产生的直流电通过升压变换为受控直流电提供给后级的并网光伏逆变器。第二级的光伏并网逆变器将直流母线上的直流电逆变为交流电送给并网，同时完成直流母线电压的稳压功能。本文以两级式并网光伏发电系统为例分析光伏发电对电网电能质量的影响。

　　太阳能光伏发电要实现安全、可靠、高效的并网运行必须依赖于有效地控制技术，主要分为三个主要方面：最大功率点跟踪、并网控制和孤岛效应检测与保护。

2 最大功率点跟踪技术对电能质量的影响(MPPT)

　　光伏阵列的输出具有高度非线性特征，并且受到光照强度、温度以及负载状况的影响。在一定的光照强度和环境温度下，只有唯一的电压值对应着光伏阵列的最大输出功率。因此，不断地根据光照强度、温度等外部环境因素的变化来调整光伏阵列的工作点，使之始终处于最大功率点的技术称为最大功率点跟踪技术，就是把太阳能光伏阵列输出功率稳定在其可输出的最大值Pm处。

　　两级式并网光伏发电的拓扑结构，第一级即变换器和最大功率跟踪算法一起接入到光伏发电控制系统中实现整个并网光伏发电系统的最大功率点跟踪。DC-DC变换器通过控制电力电子功率开关器件的通断，改变功率开关的占空比来调整输出电压平均值的方式改变直流电的幅值。应用在太阳能光伏发电系统中的电压-电压型DC-DC变换电路主要有：降压式(Buck)、升压式(Boost)、升降压式(Buck-Boost)、库克式(Cuk)。无论采用哪种方式都要通过采用改变功率开关管的占空比的方法来实现光伏阵列最大功率点的跟踪。所以电路的参数与控制占空比的算法都会对系统输出电能质量产生影响。另外，以Boost电路为例，Boost升压电路影响电路的电能质量主要是电路的电感和电容的取值，而电路上的电感、电容的取值都很大程度上影响光伏阵列输出电压启动过程的调节时间、峰值以及稳态电压波动的幅度，从而影响到光伏系统的并网电能质量。滤波电感主要是影响并网光伏发电系统环节的输出电压。电容取值不变时，随着电感的取值减小，光伏阵列输出电压则由振荡启动转变为非振荡启动，减小了电压跟随设定值的速度，增加了达到稳态的时间，且振荡峰值也随着电感的减小而增大。但当电感值小于理论上的最小值时，就会产生使输出电压引起输出纹波电流过大、并网谐波增加等等问题。电容的取值则主要影响光伏阵列输出电压启动过程的调节时间以及稳态电压波动的幅度，不影响输出电压的幅值。电容取值越大，输出电压波动幅度就越小，这样，有利于并网光伏发电系统逆变电路直流母线电压的稳定;但电容取值增大会使得启动的振荡过程变久而降低电压的跟随速度，同样当电容值小于理论上的最小值时，稳态输出电压就会出现高频率、大幅度的波动，这将会严重影响电能质量。

　　最常见的最大功率跟踪算法主要有三种：恒电压跟踪法、扰动观察法以及电导增量法。恒电压跟踪法是把光伏阵列输出电压始终控制在某一设定值来达到最大功率跟踪。可以保证比较好的电能质量输出。但在外界环境变化的时候，恒电压法适应性很差，会造成光伏阵列输出功率的损失，甚至光伏阵列输出电压低于设定值，使输出功率为零，严重降低光伏电池的利用率，引起整个电网功率缺额，从而影响并网的电能质量。

　　扰动观察法提高了光伏电池利用效率，但扰动的持续存在，会使稳定时输出功率在最大功率点的附近振荡，输出电压也始终存在的波动，进而给电网引入谐波。当扰动量比较大时，输出电压的跟踪速度快，但是稳定后电压的波动幅度大，跟踪精度也较差;如果扰动量比较小，输出电压的跟踪精度高，但是达到稳态的时间长。

　　电导增量法是根据功率极值点的倒数为零来跟踪最大功率点。相比恒电压法和扰动观察法，电导增量法可以获得比较好的光伏并网系统电能质量。

3 并网逆变器对电能质量影响因素分析

　　并网光伏发电系统的主要功能为将太阳能光伏阵列所产生的直流电直接转换成与电网电压同频、同相的交流电，其控制方式如同一个与电网电压同步的电流控制型PWM逆变器。为了降低送入电网的电流对电网产生的电流谐波，因此送入电网的电流波形总谐波畸变率应越低越好。控制目标为输出功率因数为1。

　　逆变器按输出控制方式也分为电压控制与电流控制两种。若采用L型并网逆变器，则逆变电路对并网电能质量产生影响的元件参数主要有直流侧电容、滤波电感。电容取值若太小则会增大电压波动，降低并网电流跟踪效果;电容取值若过大又会降低动态响应速度，而且会增加电容造价和物理体积。从滤波电感决定逆变电路低频输出阻抗来说，取值应尽量小，但这样会增大电路谐波电流。滤波电感越大，THD值越小，即并网的谐波电流越小。另外，光伏并网控制环节也是影响并网光伏发电系统电能质量的重要因素，不同的电流跟踪控制方式直接关系到逆变器输出电流的波形质量。以滞环电流比较控制为例，其中的滞环宽度与开关频率都直接影响并网输出电流的电能质量。环宽太大会降低并网电流的跟踪精度，电流THD值增大;环宽取值太小又会使开关频率过高，而开关频率的波动性过大会造成并网电流频谱较宽，这样会加大滤波电路的设计难度，同时增加并网电流谐波。

4 孤岛效应检测与保护技术对电能质量的影响

　　孤岛效应，是指电网失电时，光伏发电系统未能及时检测出电网停电状态并及时脱离电网，使太阳能并网发电系统和周围的负载组成一个脱离电网的自给供电孤岛。孤岛效应一旦发生，如果不能得到及时、妥当地处理，有可能产生下列非常严重的后果：当电网发生故障或其它原因而断网后，由于光伏发电系统仍旧维持供电予负载，将可能使得维修人员在进行维修时，发生人身或设备安全事故。当电网断电后，光伏发电系统由于失去电网所提供的参考信号，会造成系统输出电压、电流及频率漂移而偏移电网正常频率，不仅引发不稳定的情况，还可能使所供电能包含有较多电压与电流谐波成分。若未能及时将负载与光伏发电系统分离，将损坏某些对频率变化十分敏感的负载。在市电恢复瞬间，由于电压相位不同，可能产生较大的冲击电流，造成相关设备损坏。且在电网恢复供电时，可能引发同步问题。若光伏系统与电网为三相连接，当发生孤岛现象时，将形成欠相供电，影响用户正常使用三相负载。

　　常用的孤岛效应检测方法一般可分成被动式和主动式两种。被动检测法是直接检测电路中的电压与电流的相位、频率等等，所以不会对电网的电能质量造成影响。但是若采用主动检测算法，这些算法都是往电网中加入一些扰动量，无论是频率、相位，还是有功、无功都会对输出的电能质量产生影响，会增大电网的谐波含量。

5 总结

　　并网光伏发电系统已成为全球绿色新能源领域的研究热点，在有效缓解能源危机成为电网重要组成部分的同时，也带来了很多新问题，值得深思与研究。

　　参考文献：

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　　[2]王长贵 并网光伏发电系统综述(上)[J]太阳能，2008(2)

　　[3]杨鲁发 光伏并网发电系统和孤岛检测技术的研究与实现[D]华北电力大学硕士学位论文2009

　　[4]曹志怀 并网型太阳能光伏发电系统研究[D]西南交通大学硕士学位论文 2012

　　[5]薛明雨 光伏并网发电系统之孤岛检测技术硏究[D]华中科技大学硕士学位论文 2008

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第12期第81页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。