分布式光伏并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響及對(duì)策

劉 翀

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 新能源開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 介休 032000)

0 引言

作為世界工業(yè)強(qiáng)國(guó)，我國(guó)對(duì)能源的需求量較高，但化石能源短缺與環(huán)境污染等問(wèn)題限制了科技的發(fā)展速度，太陽(yáng)能作為一種易獲得、環(huán)保的可再生能源已得到廣泛關(guān)注。分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池組、控制器及直流-交流換流器等部分構(gòu)成，電池產(chǎn)生的電能通過(guò)直流-直流換流器升高電壓，再經(jīng)直流-交流換流器轉(zhuǎn)化為工頻交流電的形式，從而并入電網(wǎng)輸送電能。

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)占地面積小且建設(shè)成本低，已成為目前最熱門的可再生能源發(fā)電方式。隨著光伏發(fā)電機(jī)組規(guī)模的擴(kuò)大與發(fā)電量的增加，光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響也日漸增大，包括諧波和直流注入、電壓閃變和孤島效應(yīng)等，這些問(wèn)題會(huì)直接影響用戶的用電可靠性。因此，本文對(duì)光伏發(fā)電中諧波注入、直流注入、電壓閃變及孤島效應(yīng)等問(wèn)題進(jìn)行分析與探討，從而提高光伏發(fā)電的電能質(zhì)量，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與效率具有較大的工程意義。

1 諧波注入

諧波注入現(xiàn)象的產(chǎn)生原因主要有以下幾種：①在光伏發(fā)電系統(tǒng)將直流變?yōu)榻涣鞯倪^(guò)程中，通常會(huì)產(chǎn)生不需要的高次諧波；②功率開關(guān)的頻率變化與非線性負(fù)載也會(huì)產(chǎn)生少量諧波；③光照強(qiáng)度與溫度在短時(shí)間內(nèi)不穩(wěn)定時(shí)，諧波的分布范圍也會(huì)變大；④逆變器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)會(huì)使諧波電流分量累加，最終導(dǎo)致并網(wǎng)電能質(zhì)量低于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

為改善光伏發(fā)電帶來(lái)的波形畸變問(wèn)題，可從以下幾個(gè)方面來(lái)降低諧波含量：①改善控制策略，減小開關(guān)頻率產(chǎn)生的諧波；②通過(guò)無(wú)源濾波或有源濾波方法濾除一些高次諧波；③在并網(wǎng)系統(tǒng)中加裝靜止同步補(bǔ)償器等設(shè)備降低諧波含量。

2 直流注入

2.1 直流注入產(chǎn)生的原因與造成的危害

直流-交流換流器輸出電流中存在直流分量注入現(xiàn)象的主要原因有：①實(shí)際電路中各元件參數(shù)并不完全一致，其阻抗特性的差異使各開關(guān)元件導(dǎo)通與關(guān)斷的時(shí)刻不等，導(dǎo)致占空比不一致，從而引起直流注入現(xiàn)象；②運(yùn)放電路的計(jì)算誤差或電流傳感器的測(cè)量誤差會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的工頻正弦電流的正負(fù)幅值不等，即存在直流偏置問(wèn)題；③電流參考值本身就存在直流量，在控制器作用下實(shí)際輸出電流也包含直流分量。

直流-交流換流器是將光伏發(fā)電系統(tǒng)連接到電網(wǎng)的主要電路，若其輸出電流中有直流分量，直流量將直接注入電網(wǎng)中，對(duì)電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定造成較大危害，其主要表現(xiàn)為：①影響變壓器的正常工作，直流電流導(dǎo)致變壓器工作點(diǎn)發(fā)生平移，從而使波形畸變，導(dǎo)致電能損耗增大和溫度升高，使設(shè)備故障率升高；②直流偏置也會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中電流幅值變高，電路中設(shè)備承受電壓應(yīng)力較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使保險(xiǎn)絲燒斷，引發(fā)局域電網(wǎng)停電，帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失；③直流電流使導(dǎo)線中金屬發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，帶來(lái)較大的安全隱患；④對(duì)電網(wǎng)中各種設(shè)備也會(huì)帶來(lái)一定危害，如導(dǎo)致發(fā)電機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩與溫度升高。

因此，直流注入帶來(lái)的危害已逐步受到各國(guó)學(xué)者的關(guān)注，如何抑制光伏并網(wǎng)帶來(lái)的直流分量已成為研究熱點(diǎn)。

2.2 直流注入的抑制方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種方法抑制直流注入，主要是通過(guò)改變逆變器的拓?fù)湟砸种浦绷?。圖1為三種可抑制直流注入的逆變器拓?fù)?，分別為半橋型逆變器、具有隔直電容的逆變器及帶并聯(lián)變壓器檢測(cè)的逆變器。

半橋型逆變器中無(wú)論是上管還是下管導(dǎo)通，輸出電流都會(huì)經(jīng)過(guò)直流側(cè)電容C1或C2，從而實(shí)現(xiàn)直流量與電網(wǎng)的隔離。但相同電壓等級(jí)下半橋拓?fù)渑c全橋拓?fù)湎啾?，其承受的電壓為全橋的兩倍，所以半橋逆變器中開關(guān)元件承受的電壓應(yīng)力較大，其質(zhì)量要求較高，開關(guān)損耗較大。

與半橋逆變器的原理相似，在全橋拓?fù)渑c電網(wǎng)之間串入電容可實(shí)現(xiàn)直流電流與電網(wǎng)的隔離，但這種拓?fù)洳粦?yīng)隔離工頻電流流入電網(wǎng)，故需串聯(lián)容值較大的電容，這會(huì)導(dǎo)致更大的占地面積，增加了建設(shè)成本。

如圖1(c)所示，澳洲學(xué)者SHARMA提出了一種帶并聯(lián)變壓器檢測(cè)的逆變器的拓?fù)?，檢測(cè)部分由RC串聯(lián)電路與變比為1的變壓器組成，該電路可通過(guò)測(cè)量電容電壓得到電網(wǎng)中的直流分量，采取相應(yīng)的控制算法產(chǎn)生直流校正參考值，通過(guò)脈寬調(diào)制控制開關(guān)管，從而抑制直流電流。

圖1 可抑制直流注入的逆變器拓?fù)?/p>

3 電壓閃變

光伏發(fā)電隨機(jī)與不穩(wěn)定的特點(diǎn)導(dǎo)致其發(fā)出的有功功率會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)與閃變，光照強(qiáng)度、溫度、濕度等外界因素的變化會(huì)導(dǎo)致光伏電池的最大功率點(diǎn)隨機(jī)發(fā)生變化，其輸出電能的頻率與幅值也隨之不斷變化，引發(fā)電網(wǎng)用戶負(fù)載側(cè)的電壓波動(dòng)與閃變現(xiàn)象。

目前減少電壓波動(dòng)與閃變的主要方法有：①改進(jìn)換流器的控制方法，從而減小輸出電壓的波動(dòng)；②當(dāng)最大視在功率不變時(shí)，提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)以充分輸出有功功率，減少無(wú)功功率，將電壓波動(dòng)范圍縮小到電網(wǎng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；③增大光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的短路容量。

4 孤島效應(yīng)

孤島效應(yīng)是指由于停電檢修或線路故障等問(wèn)題導(dǎo)致電網(wǎng)停止供電時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并未能快速判斷電網(wǎng)處于停電狀態(tài)，導(dǎo)致光伏系統(tǒng)與連接的負(fù)載繼續(xù)運(yùn)行的現(xiàn)象。圖2為孤島效應(yīng)示意圖。隨著光伏并網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的發(fā)生越發(fā)頻繁，孤島效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量具有較大危害，主要表現(xiàn)為：①發(fā)生孤島效應(yīng)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的頻率、輸出電壓及相位變化范圍較大，且此時(shí)處于不可控狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障甚至損壞，對(duì)電網(wǎng)檢修專業(yè)人員的人身安全造成重大威脅；②恢復(fù)供電后，電網(wǎng)與光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓相位不一致，這將導(dǎo)致浪涌電流與電流的瞬時(shí)下降；③若光伏發(fā)電方式為單相供電，則配電網(wǎng)可能會(huì)出現(xiàn)三相負(fù)載不平衡現(xiàn)象，導(dǎo)致電能質(zhì)量下降；④如果電網(wǎng)系統(tǒng)容量不足或無(wú)儲(chǔ)能設(shè)備，配電網(wǎng)在孤島效應(yīng)作用下，極有可能導(dǎo)致用戶側(cè)負(fù)載出現(xiàn)電壓波動(dòng)與閃變現(xiàn)象。

圖2 孤島效應(yīng)示意圖

為消除孤島效應(yīng)帶來(lái)的負(fù)面影響，目前主要采取以下兩種策略：①改進(jìn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)判斷停電的檢測(cè)方法，根據(jù)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)中故障電流的幅值、相位的影響，縮短故障時(shí)的負(fù)載切除反應(yīng)時(shí)間；②提高孤島效應(yīng)檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性，開發(fā)效率較高的抑制孤島效應(yīng)策略，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)可準(zhǔn)確快速判斷孤島狀態(tài)，及時(shí)將光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)切斷。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著越來(lái)越多的光伏發(fā)電站在國(guó)內(nèi)投入運(yùn)行，電網(wǎng)的電能質(zhì)量也受到光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的較大影響。因此，研究光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響具有重大意義。本文主要介紹了光伏發(fā)電引發(fā)的諧波注入、直流注入、電壓波動(dòng)及孤島效應(yīng)產(chǎn)生的原因與危害，并針對(duì)這些問(wèn)題提出了改善電能質(zhì)量的方法，可為今后針對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究提供一定的參考。