太陽能發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析

趙丹　李雪剛

摘 要：在分析太陽能發(fā)電基本原理的基礎(chǔ)上，從發(fā)電量波動(dòng)問題、電壓無功問題、諧波問題和直流偏置問題等四個(gè)方面對太陽能發(fā)電可能造成電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電；電網(wǎng)；電能質(zhì)量；影響

根據(jù)能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2014年末，我國并網(wǎng)光伏裝機(jī)容量達(dá)到2805萬千瓦，同比2013年增長60%。光伏發(fā)電量約250億千瓦時(shí)，同比增長200%。此外，根據(jù)國家電網(wǎng)公司《關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務(wù)工作的意見》，6MW以下光伏電站可以接入10kV及以下電壓等級，以實(shí)現(xiàn)電能的就地利用?？梢灶A(yù)見，隨著國家對于分布式電源的重視，并入電網(wǎng)的光伏電站將越來越多。然而，利用電力電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)與發(fā)電的太陽能電池，存在著諧波等干擾，并且，太陽能發(fā)電還存在著間歇性和波動(dòng)性等固有特征，因此，研究光伏并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響迫在眉睫。

1 太陽能發(fā)電的基本原理

太陽能發(fā)電就是利用光伏電池實(shí)現(xiàn)太陽輻射能到電能轉(zhuǎn)變的發(fā)電形式。從入網(wǎng)方式看，有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種，其中，并網(wǎng)運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)太陽能大規(guī)模利用的主要形式，通過逆變器將太陽能產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟婐伻腚娋W(wǎng)。從并網(wǎng)系統(tǒng)的具體形式看，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)主要有三種，即有逆潮流并網(wǎng)、無逆潮流并網(wǎng)和自立運(yùn)行切換型并網(wǎng)。

光伏電池是整個(gè)太陽能發(fā)電的核心和關(guān)鍵，其等效電路可如圖1所示[1]，由恒流發(fā)生器、二極管和負(fù)載電阻組成。圖1中，Iph為光伏電池發(fā)出的光電流，其值與光伏板面積和入射光輻射強(qiáng)度成正比，IVD為經(jīng)過PN結(jié)的電流，IL為輸出的負(fù)載電流，Uoc為輸出的電壓，太陽能輸出的電流可見式（1）所示。

2 太陽能發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

2.1 發(fā)電量波動(dòng)問題

光伏發(fā)電的穩(wěn)定輸出需要平穩(wěn)的太陽光照輻射量，由式（1）可以看出，對于某塊光伏電池板來說，穩(wěn)定的光伏出力與太陽輻照度、環(huán)境溫度等因素直接相關(guān)。類似地，光伏電站出力也直接受太陽能輻照度影響，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，光伏出力最大值大都集中于正午12點(diǎn)至15點(diǎn)間。

其實(shí)，光照受多種因素影響，導(dǎo)致光伏發(fā)電出力存在著不確定和不穩(wěn)定特點(diǎn)。這些因素包括夜晚、陰天、霧霾、塵埃、環(huán)境溫度等，并且，影響光伏出力的這些因素是人為所不能控制的。研究已表明，太陽能發(fā)電輸出功率的瞬時(shí)最大變化率甚至?xí)^10%，不穩(wěn)定的出力將影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，對系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2.2 電壓無功問題

太陽能發(fā)電時(shí)，為了防止逆變器橋臂上、下開關(guān)管直通，需要在控制信號中加入死區(qū)時(shí)間，由于電感的存在，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，逆變器輸出電壓將由電感電流來決定。正是由于死區(qū)使得逆變器輸出的實(shí)際PMW波形與理想波形有一定偏差，形成方波輸出。結(jié)合開關(guān)元件的特點(diǎn)，在整數(shù)次倍數(shù)附近將有大量高次諧波，導(dǎo)致輸出電流產(chǎn)生畸變，一旦太陽能發(fā)電并入配電網(wǎng)，由于配網(wǎng)線路阻抗較大，將使電網(wǎng)中電壓出現(xiàn)畸變。

此外，為充分利用逆變器容量，太陽能發(fā)電量將主要向電網(wǎng)注入有功電流，通常使得逆變器輸出功率因數(shù)超過0.95。在旋轉(zhuǎn)dq0坐標(biāo)系下，理想交流分量所對應(yīng)的有功和無功電流均為直流，但是，一旦輸出電流和電壓包含了諧波電流時(shí)，輸出的有功和無功電流將必然包含交流量，傳統(tǒng)的PI控制將無法實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)[2]。并且，隨著光伏裝機(jī)容量的增大，出力波動(dòng)性、間歇性和周期性特點(diǎn)將對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大威脅，只有提供足夠的無功功率才能維持電壓的波動(dòng)。

另外，不得不提到的是，當(dāng)包含光伏發(fā)電系統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)的電壓降和發(fā)電機(jī)功角變化將比沒有光伏發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)更大。其原因在于光伏發(fā)電系統(tǒng)不存在旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件，導(dǎo)致系統(tǒng)總慣量減少并增大電壓降，并且，隨著光伏裝機(jī)在系統(tǒng)中比例的增加，會需要更長的時(shí)間才能恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，為了提高包括光伏電池系統(tǒng)的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，需增加額外的電壓控制設(shè)備和無功補(bǔ)償裝置。

2.3 諧波問題

由于太陽能電池輸出的是直流，為了與交流電網(wǎng)連接，需要加裝合適的電力電子設(shè)備，將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，但由于電力電子設(shè)備會產(chǎn)生一定的諧波，從而影響并入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。研究表明，光伏并網(wǎng)會產(chǎn)生不同比例的奇次和偶次諧波。尤其是在光伏含量較大的電網(wǎng)中，大量的諧波干擾會導(dǎo)致系統(tǒng)中產(chǎn)生并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振問題。為了解決這些問題，可在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)控制技術(shù)以抑制相應(yīng)的諧波，例如，最大功率跟蹤、直流交流功率轉(zhuǎn)換、無功補(bǔ)償、諧波消除、隔離保護(hù)等。另外，為了防止諧波電流注入電力網(wǎng)絡(luò)，變流器控制方案中還可加入濾波器。另外，還需指出，當(dāng)逆變器輸出輕載時(shí)，諧波會變得更加明顯，比如，在10%額定出力以下時(shí)，電流總諧波失真率甚至?xí)^20%。

2.4 直流偏置問題

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器正弦波中的直流分量、控制回路中運(yùn)放的零點(diǎn)漂移以及開關(guān)元件、驅(qū)動(dòng)回路特性不一致等，將導(dǎo)致逆變器輸出電壓中存在直流分量。如果此類光伏發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)，將導(dǎo)致直流分量注入電網(wǎng)中，對于電網(wǎng)中無隔離的變壓器，將導(dǎo)致變壓器正常工作點(diǎn)發(fā)生偏移，使得變壓器發(fā)生飽和。如果直流分量流入線路中，由于線路阻抗不一致，將會在光伏并網(wǎng)逆變器間形成一定量的直流環(huán)流，由于功率的不均勻，將使得直流環(huán)流影響光伏系統(tǒng)的運(yùn)行。此外，直流偏置問題還會導(dǎo)致絕緣老化，形成較高的電流峰值。

參考文獻(xiàn)

[1]吳素農(nóng)，等.分布式電源控制與運(yùn)行[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]丁明，王敏.分布式發(fā)電技術(shù)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2004，24（7）：31-35.