光伏發(fā)電及其電網(wǎng)電能質(zhì)量影響分析

王平

杭州農(nóng)副產(chǎn)品物流中心碼頭鐵路物流有限公司，中國·浙江 杭州 310000

隨著光伏電源向電網(wǎng)的滲透率越來越高，光伏能源對電網(wǎng)穩(wěn)定性和性能的影響日益增大。電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它是連接發(fā)電廠、輸電網(wǎng)和用戶的重要樞紐，將接收到的電能轉(zhuǎn)換成適合當?shù)赜脩羰褂玫碾娔?，電網(wǎng)的穩(wěn)定性直接影響供電質(zhì)量和可靠性。為了保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，為人們提供高質(zhì)量的生產(chǎn)和生活，電力研究人員需要不斷研究和探索。

光伏發(fā)電；電網(wǎng)；電能質(zhì)量

1 引言

由于供電可靠性較高，光伏發(fā)電系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)運行可以彌補大型電網(wǎng)事故時安全穩(wěn)定的不足。補充集中供電模式，實時監(jiān)測區(qū)域供電的電能質(zhì)量，非常適合邊遠地區(qū)居民、中小城鎮(zhèn)或商業(yè)區(qū)的發(fā)展。環(huán)境壓力可以大幅度降低；光伏發(fā)電輸配電損失很小，甚至不必要。配電站的建設(shè)可以降低或避免額外的輸配電成本。而土建施工和安裝費用較低。調(diào)峰性能好，操作簡單，涉及的系統(tǒng)小，啟停快，易于實現(xiàn)全自動化?；诖耍撐难芯苛斯夥l(fā)電的原理、光伏系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)以及電網(wǎng)接入對光伏系統(tǒng)的影響。為光伏并網(wǎng)后的電網(wǎng)運行規(guī)劃提供了理論依據(jù)，對其安全可靠運行具有重要的理論和實踐意義[1]。

2 光伏發(fā)電概述

2.1 光伏基本工作原理

當太陽照射電池板的界面層時，富含能量的光子激發(fā)半導體p-n 中的共價鍵電子，形成空穴電子對?？臻g立方體的電場將電子從空穴中分離出來，空穴通過電場進入P區(qū)，電子進入N區(qū)。這就產(chǎn)生了一個電壓，當電路接通時，就會產(chǎn)生一個電流。從接口層吸收的光越多，電路中的電流就越大[2]。基本原理如圖1所示。

圖 1 太陽能電池基本原理

一個P-N 連接是太陽能電池的一個單位。根據(jù)標準照明0.48V是其額定電壓的功率，但單芯片的輸出電壓和容量都很小，我們將把幾個太陽能電池串聯(lián)起來。目前太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率一般為15%，但國外實驗室的光伏電池轉(zhuǎn)換率可能為30%，光伏發(fā)電組件如圖2所示。光伏發(fā)電的組成部門分為太陽電池板（組件）、控制器和逆變器。

圖2 光伏電站組成

2.2 光伏并網(wǎng)原則

2.2.1 接入系統(tǒng)原則

分布式電源將影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性，當它選擇不同的互聯(lián)點時，特別是當連接到低壓電網(wǎng)時，必須注意確保存在相同類型的其他電源。原則上，考慮到不同電源的容量、類型和重疊影響，有必要確定相關(guān)的并網(wǎng)點，以盡量減少并網(wǎng)點的數(shù)量。

2.2.2 功率控制和電壓調(diào)節(jié)原則

光伏發(fā)電具有有功和無功控制的必要功能。目前，功率控制的優(yōu)點是當事故網(wǎng)絡(luò)的容量達到一定時，能幫助系統(tǒng)恢復正常運行，防止事故發(fā)生。

3 光伏系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)及其對電網(wǎng)的影響

3.1 光伏系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

在兩級光伏電站的拓撲結(jié)構(gòu)中，可以獨立地研究第一和最后的控制策略，這有利于基于直流/交流基本交流功率的各種附加功能的設(shè)計和開發(fā)。因此，論文選擇了兩級光伏發(fā)電拓撲結(jié)構(gòu)，混合儲能系統(tǒng)比單級儲能系統(tǒng)具有更多的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，但論文的重點是尋找網(wǎng)絡(luò)友好型結(jié)構(gòu)。為了提高電網(wǎng)吸收光伏電的能力，混合儲能的協(xié)調(diào)管理也是一樣的。綜上所述，與低壓電網(wǎng)相關(guān)的光伏發(fā)電系統(tǒng)拓撲如圖3所示。

圖3 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

3.2 光伏電源對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

3.2.1 正面影響

（1）接入電網(wǎng)的光伏電源可以就地達到能量平衡，避免遠傳的投資和損失，如果電網(wǎng)中的相關(guān)負載較高，光伏電源可以迅速實現(xiàn)可持續(xù)性和提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

（2）通過合理配置儲能裝置和利用聯(lián)網(wǎng)光伏逆變器的無功性能，光伏系統(tǒng)可以參與電網(wǎng)的電力、頻率和穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)。

（3）將網(wǎng)絡(luò)化光伏發(fā)電系統(tǒng)與UPQC 相結(jié)合，可以減少對發(fā)電系統(tǒng)的投資，降低光伏網(wǎng)絡(luò)化發(fā)電的功能，全面管理電能質(zhì)量和真正的電力中斷校正。

3.2.2 負面影響

光伏電源的引入改變了傳統(tǒng)的單向電流，由于光伏輸出流具有隨機性、波動性和不可調(diào)度性等特點，容易出現(xiàn)電壓波動、諧波污染、過電壓等性能質(zhì)量問題，給網(wǎng)絡(luò)用戶造成經(jīng)濟損失，危及光伏系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

（1）高性能光伏網(wǎng)絡(luò)，特別是弱低壓網(wǎng)絡(luò)中的云量引起光伏功率的劇烈波動，可能影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于反應(yīng)速度問題，變壓器、電容器等電壓控制方法不能有效地調(diào)節(jié)上述頻繁、快速的電壓變化。

（2）光伏電源具有隨機性和易失性，特別是與電網(wǎng)負荷不兼容時，會增加調(diào)壓難度。例如，當光伏電源出力較高而電網(wǎng)輕載情況下容易發(fā)生潮流逆流導致過電壓等問題。

（3）光伏電源含有大量的電子開關(guān)器件，造成電網(wǎng)的諧波污染，特別是當光伏電源在弱電網(wǎng)中具有很強的滲透性時，會導致電網(wǎng)的諧波污染。甚至產(chǎn)生特定的諧波共振，危及電網(wǎng)的安全運行。

（4）如果電網(wǎng)發(fā)生故障或被檢修，任何光伏發(fā)電都會與周圍負荷形成孤島供電，異常孤島會對維護人員的安全造成風險，用戶的供電質(zhì)量也得不到保證。

4 改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的相關(guān)措施

4.1 電網(wǎng)側(cè)的措施

（1）在光伏電源規(guī)劃建設(shè)階段，根據(jù)全年環(huán)境數(shù)據(jù)和負荷數(shù)據(jù)，計算分布式發(fā)電的最佳接入點和最大允許接入容量。該方案受許多客觀因素的限制，而容量規(guī)劃難以考慮分布式生產(chǎn)的隨機性、負載的轉(zhuǎn)移以及負載之間的不一致性。

（2）在過載問題的情況下，最直接的解決辦法是增大導體半徑，降低導體阻抗，這也是最經(jīng)濟的解決辦法。

（3）光伏電源連接引起的電壓波動可以通過改變負載步進開關(guān)來調(diào)節(jié)，但這種調(diào)節(jié)不能有效地處理電網(wǎng)末端電壓擴散的情況。同時，頻繁設(shè)置負載步進開關(guān)可以縮短變壓器的壽命，目前大多數(shù)低壓電網(wǎng)都沒有配備變壓器控制負載電壓。

（4）網(wǎng)絡(luò)化反應(yīng)器補償方案存在臨時效應(yīng)大、反應(yīng)速度慢、系統(tǒng)共振等問題。

（5）D-STATCOM的安裝可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的供電。一方面，增加電網(wǎng)中的光伏磁導率，但這種方法一方面投資巨大；另一方面，電壓調(diào)節(jié)對剩余電網(wǎng)的影響也很大。

4.2 光伏系統(tǒng)側(cè)的措施

在不改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前提下，利用光伏電源進行有效的網(wǎng)絡(luò)管理，是保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、促進光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的重要手段。

目前，在并網(wǎng)逆變器無功控制方面，德國研究人員提出了光伏并網(wǎng)逆變器恒無功功率控制、恒功率因數(shù)控制、基于光伏電源有功功率輸出的cosφ(p)控制、基于并網(wǎng)點電壓的Q（U）控制等多種標準化方案。這些方案各自有其優(yōu)缺點。

（1）無功功率的恒定控制和功率因數(shù)的恒定控制，這兩個系統(tǒng)容易控制，但靈活性很小，無論是否過載，都會有一定的無功功率輸出，從而造成電網(wǎng)的損失。

（2）基于光伏電源有功功率輸出的cosφ(p)控制。光伏并網(wǎng)逆變器無功輸出僅響應(yīng)于有功出力，而未考慮電網(wǎng)電能。當光伏有功出力較大，但電網(wǎng)重載時，可能并網(wǎng)點并未發(fā)生過電壓，但逆變器卻有較大的無功輸出，增大了電網(wǎng)的網(wǎng)損。

（3）基于電網(wǎng)電壓的Q（U）控制，光伏并網(wǎng)逆變器的無功功率只對電網(wǎng)電壓起作用。多個光伏電源接入電網(wǎng)時，一個節(jié)點的電壓應(yīng)超過限值，其他節(jié)點的電壓不應(yīng)超過限值。因此，電網(wǎng)的總電壓調(diào)節(jié)不足。

光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)產(chǎn)生負面影響的主要原因是不可控電源。解決電網(wǎng)電力問題的另一種方法是控制光伏發(fā)電的有功功率。

日本電網(wǎng)要求光伏系統(tǒng)在電網(wǎng)耦合電壓超過規(guī)定上限時降低有功功率，但為了保證最大的經(jīng)濟效益，降低有功功率的方案必須實時估計任何天氣情況下的電網(wǎng)可以承受的最大光伏有功出力，如果照明強度變化很快，如多云天氣，特別是考慮到偶然和不規(guī)則的負荷變化，光伏發(fā)電的上限可以從電網(wǎng)中吸收。

控制光伏電源有功輸出有兩種方式：一是通過設(shè)置光伏板的工作點來改變光伏電池的輸出流量；二是改變光伏系統(tǒng)的輸出流量。光伏電池陣列通常在接近最大功率點的位置工作，通過將光伏電池陣列移動到最大功率點來降低光伏功率。然而，該方案將光伏電池與最大功率點區(qū)別開來，降低了光伏電池的光伏轉(zhuǎn)換效率，并在電池中以熱能的形式消耗更多的能量。此外，規(guī)定只能在光伏電池最大性能的基礎(chǔ)上降低光伏性能，但如果需求高于光伏電池最大性能，則規(guī)定失效。它已成為分散式儲能技術(shù)，降低儲能裝置成本已成為光伏系統(tǒng)開發(fā)儲能裝置的設(shè)備。

5 結(jié)語

光伏發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展對社會經(jīng)濟和自然環(huán)境有積極影響，但光伏生產(chǎn)的隨機性和波動性也給電網(wǎng)帶來了挑戰(zhàn)。研究光伏并網(wǎng)發(fā)電的原理和結(jié)構(gòu)?；诂F(xiàn)有的電網(wǎng)模型，研究光伏發(fā)電系統(tǒng)接入對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

（1）如果光伏能源接入電網(wǎng)，線路總電壓將增加，對饋電線的影響將大于同一總線上的其他饋電線。在相同條件下，饋線端部光伏發(fā)電接入位置越近，對電網(wǎng)供電的影響越明顯；并網(wǎng)光伏發(fā)電的輸出量越大。電網(wǎng)中各節(jié)點的電壓越大，影響越明顯，光伏系統(tǒng)的接入也會影響電網(wǎng)的潮流分布。

（2）光伏發(fā)電接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)的諧波電壓會增大，對供電電壓THD的影響大于同一母線上其他饋電線。對于同一條饋線上的每一點，離系統(tǒng)電源較遠的節(jié)點的諧波電壓更為明顯。光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電量越大，電網(wǎng)各點的THD 越大，諧波電壓的增加越明顯。