低壓配網中光伏發電系統的電能質量分析

凌紅星, 沈秀蘭, 高金蘭, 張頁

（1. 長興縣供電局, 浙江長興313100; 2. 上海市供電設計有限公司, 上海200233）

低壓配網中光伏發電系統的電能質量分析

凌紅星1, 沈秀蘭2, 高金蘭2, 張頁1

（1. 長興縣供電局, 浙江長興313100; 2. 上海市供電設計有限公司, 上海200233）

當前光伏發電系統在低壓配電網中的應用日益增多。由于光伏系統本身的非線性特性以及出力的隨機性，其并網時出力的波動必然會影響電網的電能質量。本文通過建立一個低壓配網中的光伏發電模型，研究其并網時所產生的主要電能質量問題。考慮當光伏發電系統采用基于最大功率跟蹤（MPPT）的有功無功解耦（PQ）控制方式時，在外部光照強度發生波動的影響下，觀察光伏發電系統并網輸出功率、電壓及電流的波動，分析對低壓配網照成的電能質量問題。通過仿真發現，在外部光照發生劇烈變化時，輸出波動較大，光伏系統會向電網注入大量諧波,對電網的電能質量產生較大影響。

光伏發電系統 電能質量 諧波電壓 諧波電流

0 引言

隨著光伏電池的發展，光伏發電實現了通過逆變器等裝置并網并對負載供電的技術。采用光伏發電可以減少對不可再生能源的需求同時更具環保特性。然而由于光伏發電系統的非線性特性使得光伏電源在對電網提供電能的同時也給電網帶來了大量的電壓和電流諧波[1]。

導致光伏發電系統并網時產生諧波的主要原因為：1）光伏發電系統本身由非線性元件組成，以低壓配電網中的光伏發電系統為例，主要包括光伏電池、DC/DC變換器、逆變裝置、濾波裝置等，其中逆變裝置為諧波產生的主要原因。2）天氣環境的改變也會導致大量的諧波產生。光伏發電系統受天氣影響較大，在多云天氣，發電功率會出現劇烈的變化，最大變化率會超過10%額定出力，變化頻度每小時超過10次。頻繁變化的功率輸出必然會導致光伏發電系統輸出的電壓出現波動，并入電網的電流出現諧波。

本文通過建立并網光伏發電系統各部分的數學模型，分析其工作原理、運行特性及控制策略，進而研究光伏發電系統的電能質量影響因素。對體現電能質量的若干參數如電壓波動、電流波動、電壓畸變率（THDV）等[2]進行分析，總結了低壓配網系統中光伏發電系統的主要電能質量影響因素。

1 并網光伏系統的模型

1.1 光伏電池的工程模型

光伏電池的工程數學模型是基于電池本身短路電流Isc，開路電壓Uoc，最大功率點電壓Ump，最大功率點電流Imp，以及這些參數的溫度系數實現的[3]。其對應的U-I特性方程為：

式中C1，C2是利用開路電壓Uoc，短路電流Isc，最大功率點電壓Ump，最大功率點電流Imp所計算出來的兩個修正系數。計算公式為：

當廠商給出光伏電池的上述四個典型參數后，C1，C2便可確定。實際上，光伏電池在運行過程中，上述的四個參數會隨著運行條件的變化而變化，例如當光照強度和溫度改變時，開路電壓Uoc，短路電流Isc，最大功率點電壓Ump，最大功率點電流Imp也跟著改變，光照和溫度對這四個參數的影響可以用下述公式表述：

式中：△T—實際溫度與標準溫度的差值；△S—實際光照強度與標準光照強度的差值相對于標準光照強度的值；Isc-new—光照強度和溫度改變后新的短路電流值；a—電流受溫度影響的修正系數，其典型值為a=0.00055；Uoc-new—光照強度和溫度改變后新的開路電壓值；c—電壓受溫度影響的修正系數，其典型值為c=0.00288；b—電壓受光照強度影響的修正系數，其典型值為b=0.5；Imp-new—光照強度和溫度改變后新的最大功率點電流值；Ump-new—光照強度和溫度改變后新的最大功率點電壓值。

當光照條件或溫度改變時，通過上述更新的參數重新確定C1，C2從而得出這一運行條件下的光伏陣列的輸出特性曲線。

本論文采用光伏CHSM-6610P的四個基本參數建立了其對應的光伏電池模型，并對該模型進行仿真驗證。圖1顯示了當光強分別為1200 W/m2、1000 W/m2、800 W/m2、600 W/m2，溫度為25°C時，單個光伏電池的I-U特性曲線和P-U特性曲線。

光伏電池輸出功率的大小受光照強度、溫度等外界環境的影響，并且波動較大。因此功率的波動必然會影響輸出電壓電流的穩定性。

1.2 MPPT控制和逆變器的模型

光伏電池是一種非線性的直流電源，輸出功率在某一環境下總有一個最大值，因此一般采用最大功率點跟蹤（MPPT）技術使光伏電池不斷調整自身工作點從而獲得最大的輸出功率。獲得最大功率的方法有很多，本模型中采用的為擾動觀察法，它通過不斷改變工作點并測量輸出功率，最終找到真正的最大功率點[4]。

三相并網逆變器的典型拓撲結構如圖 2 所示。圖中采用的是三相電壓型橋式并網逆變器，濾波器為單電感濾波器，三相電感均為L，R是線路電阻，ea、eb和ec是三相交流電源ia、ib和ic是三相并網電流，E為直流電源，N為直流側虛擬中點，O為交流側中點。對于其他形式的拓撲結構，其分析只需進行拓撲方面的相應改變。

本文采用電壓型全橋逆變器，控制系統選擇基于有功無功解耦的控制方式。有功控制方式采用通過MPPT實現的最大功率跟蹤。無功功率控制，采用穩定電壓控制方式。控制策略如圖3所示。

2 光伏系統并網的電能質量分析

為了驗證光伏系統對低壓配網的諧波、畸變率等相關電能質量問題的影響。將光伏發電系統并入低壓配電網系統中。通過對光伏系統在并網節點的電能質量問題進行分析，觀察光伏系統對配網的影響。

首先對運行條件為：0—0.5 s：太陽輻照度S=1000 W/m2，電池溫度T=25°C；0.5—1 s：太陽輻照度S= 700 W/m2，電池溫度T=25°C的光伏并網發電系統進行仿真，分別討論交流母線處的入網電壓、入網電流及注入電網功率的畸變情況。

圖4（a）為光伏發電系統輸出的功率。由圖可知，光伏電源并網后，有功功率變化范圍會自動跟蹤光伏最大輸出功率。圖4(b)為光伏電源并網后的電網電壓，從圖上可以看到電壓會由于功率的波動出現波動。

圖5為光伏直流系統經逆變器逆變之后并入電網的電壓和電流的有效值，由圖可知，在0.5 s光伏系統出現光照出現波動時，由于輸出功率收到影響，直流側輸出電壓易收到波動，因此在波動瞬間電壓受控制策略影響，出現波動，隨后電壓保持穩定輸出。而電流同樣由于光伏輸出功率波動的影響跟隨輸出波動。

圖6（a）為系統電壓在0.2 s時的FFT頻譜圖，即光照強度為穩定1000 W/m2時的電壓頻譜分析，對應THD（電壓畸變率）為0.1%。

圖6（b）為系統電壓在0.5 s時的FFT頻譜圖，即光照強度出現波動，從1000 W/m2降至700 W/m2的過程中，輸出至電網電壓的頻譜分析，其對應的THD（電壓畸變率）為0.82%，很顯然在光伏電源由于光照強度的變化導致輸出功率波動的過程中，輸出的交流并網電壓也會受到波動影響，從而產生比穩定運行時更多的諧波，注入電網。

圖6（c）為系統電壓在0.8時的FFT頻譜圖，此時光照強度已經穩定至700 W/m2，故對應光伏電源輸出并至電網電壓又維持平衡，從而諧波大量減少，THD（電壓畸變率）下降至0.08%。

圖7為入網電流波形分析，圖7（a）系統流在0.2 s時的FFT頻譜圖，即光照強度為穩定1000 W/m2時的電壓頻譜分析，對應THD（電壓畸變率）為2.17%。

圖7（b）為系統電流在0.5 s時的FFT頻譜圖，即光照強度出現波動，從1000 W/m2降至700 W/m2的過程中，輸出至電網電流的頻譜分析，其對應的THD（電壓畸變率）為36.06%，很顯然光伏電源輸出的交流并網電流會受到很大影響，從而產生比穩定運行時更多的諧波，注入電網。圖7（c）為系統電流在0.8 s時的FFT頻譜圖，此時光照強度已經穩定至700 W/m2，故對應光伏電源輸出并至電網電壓又維持平衡，從而諧波大量減少，THD（電壓畸變率）下降至2.17%。

3 總結

由于光伏系統的非線性特性，在并網時會對電網產生諧波電控制并網諧波成分，使其穩定輸出。但光伏發電系統在由于光照強度變化，溫度變換等環境變換導致其輸出功率產生改變時，由于采用最大功率跟蹤，輸出電壓電流均會隨之波動，在并網過程中會產生比正常工作時多的諧波分量，從而導致并入的電網中在此過渡過程中含有大量諧波，如果光伏發電由于環境多變，則輸出功率也會隨之多變，從而會導致電網中出現更多諧波含量。

[1] 雷一, 趙爭鳴. 大容量光伏發電關鍵技術與并網影響綜述[J]. 電力電子, 2010, (03): 16-23.

[2] 程浩忠. 電能質量講座 第四講 諧波的產生和危害[J]. 低壓電器, 2007, (08):54-58.

[3] 劉東冉， 陳樹勇，馬敏等. 光伏發電系統模型綜述[J]. 電網技術，2011，8（35）：47-52.

[4] IEEE power system harmonic working group report bibliography of power system harmonic[R]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1984, (09):103-104.

Analysis on the Harmonics of Photovoltaic System on Low Voltage Distribution

Ling Hongxing1, Shen Xiulan2, Gao Jinlan2, Zhang Ye1
(1. Changxing County Electric Power Bureau, Changxing 313100，Zhejiang, China; 2. Shanghai Power Supply Company, Shanghai 200233, China)

With the development of the photovoltaic system on the low voltage distribution, the need to research the contribution of the system is becoming an up to date issue. Since the components are nonlinear and the output power is random, the fluctuation of power will have an influence on the power quality. This paper investigates the influence factors of the power quality on the low voltage distribute with the simulation of the model controlled by MPPT AND PQ. Tests show that the photovoltaic system would inject harmonic current in power line, which has a main effect on the power quality.

photovoltaic power system; power quality; harmonic voltage; harmonic current

TM914

A

1003-4862（2013）11-0045-04

2013-04-28

凌紅星(1966-),男，高級工程師。研究方向：電力安全，電力調動自動化。