光伏發電系統并網條件研究

周陽周田

（1.國網濱州供電公司，山東濱州 256600；2.河北科技大學電氣學院，河北石家莊 050018）

光伏發電系統并網條件研究

周陽1周田2

（1.國網濱州供電公司，山東濱州 256600；2.河北科技大學電氣學院，河北石家莊 050018）

隨著太陽能等可再生能源的廣泛開發利用，光伏發電將成為電力系統中重要的電源。由于光伏發電系統受氣候影響具有較大的隨機波動性，需要頻繁的并網/離網操作，為減小模式切換對本地負載的沖擊，本文從電路原理出發剖析光伏發電系統并網的暫態過程，分析并網幅值、頻率、相位對本地負載和電網電能質量的影響，總結出光伏發電系統并網條件，為制定合理的并網控制策略提供有力的理論依據。

光伏發電 并網條件 電能質量

隨著太陽能等可再生能源的廣泛開發利用，光伏發電將成為電力系統中重要的電源，光伏發電系統通常有兩種工作模式［1，2，3，4］：（1）并網運行，在系統能源充足時可以持續向電網輸送能量或在電網用電高峰時實現“削峰”和平衡電網負荷的作用；（2）獨立運行，即在電網異?；蛘{度需要時脫離電網獨立運行，為本地重要負載提供持續的電力。由于光伏發電系統受氣候影響具有較大的隨機波動性，需要頻繁的并網/離網操作，為減小模式切換對本地負載的沖擊，本文從電路原理出發，剖析光伏發電系統并網的暫態過程，分析各種因素對本地負載和電網電能質量的影響規律，總結出光伏發電系統并網條件，為制定合理的并網控制策略提供有力的理論依據。

1 理想并網條件概述

光伏電池和儲能系統共同維持直流母線電壓穩定，逆變器將直流電能轉換成交流電能來對負荷供電。一般情況下，光伏發電系統在并入公用電網前，帶負荷獨立運行，相當于一個電壓源 ，公用電網也可以近似等效為電壓源。由于兩個電壓源根據自帶負荷特點獨立運行，并網前的電壓向量不但存在幅值差，也存在頻率差，以及不斷變化的相位差。并網控制就是在考慮上述各種影響因素的前提下，保證并網過程可靠穩定運行，減小對本地負荷的沖擊。

光伏逆變系統與傳統的同步發電機有所不同，光伏逆變系統等效輸出阻抗小，動態響應比較快，逆變輸出電壓、電流變化迅速，容易出現過壓和過流，對逆變系統的電力電子器件造成一定損壞，這對光伏逆變系統的并網控制提出了嚴格要求。

并網開關兩側光伏逆變系統和公用電網的電壓向量可表示為：

其中，iu為光伏逆變系統輸出電壓，gu為公用電網電壓；uΔ為電壓差。

造成并網過程電壓電流突變的原因就在于公用電網電壓與逆變器輸出電壓的不匹配，即存在電壓差uΔ。

并網的理想條件是：

（1）兩電壓的幅值相等，Ui=Ug；

（2）兩電壓的角頻率相等，ωi=ωg；

（3）并網瞬間的初相位相等，δi=δg。

如果能同時滿足上述三個條件，就可保證開關兩側電壓向量匹配，光伏逆變系統與公用電網并網后即可同步運行，并網瞬間不發生任何擾動，這是最理想的并網狀態。實際的并網過程中，不可能保證上述三個條件同時滿足。下面將詳細探討各個參數對電壓差的影響。

2 兩個等效電壓源幅值不相等對電壓差的影響

假設公用電網與光伏逆變系統的電壓頻率相等、初相角相等，僅幅值不相等，那么電壓差為

式中ω=ωi=ωg，δ=δi=δg，令α=ωt+δ。

由以上的分析可以得出，并網前電壓幅值差要限制在一定范圍內。并且當電網與光伏電源輸出的電壓頻率相等、初相角相等，僅幅值不相等時，要盡量選擇電壓過零時刻并網，可以很顯著地減小并網沖擊。

3 兩個等效電壓源相位不相等對電壓差的影響

不相等的初始相位可以產生相位差，運行中頻率差的時間累積也可以造成相位差。相位差是并網過程中普遍存在的問題，當幅值差為零時，即Ui=Ug=U，電壓差為

由上式可見電壓差由一個高頻余弦分量和一個低頻正弦分量相乘所得，它的包絡線體現了低頻正弦分量的特點。低頻正弦的相位正好是光伏逆變系統電壓和電網電壓的相位差的一半。當低頻正弦的相位=kπ（k∈z）時，電壓差包絡線到達零點。如果控制光伏逆變系統并網開關在電壓差包絡線過零的瞬間閉合，將不會有任何沖擊。

如果ω=ωi=ωg，且初相位δ=δi=δg，則電壓差恒為零，在此條件下光伏逆變系統在任何時刻并網都不會有沖擊，這也是理想的并網條件。若ω=ωi=ωg，但初相角不等，則電壓差只存在高頻余弦分量，并且其包絡線為兩條平行直線，只有在高頻分量的過零點并網才不會產生沖擊，但過零點變化非常迅速，要求控制系統的過零檢測精度要高。綜上分析可以得出頻率差越小，電壓差的低頻分量周期越長，包絡線的周期也越長，并網安全穩定控制的范圍也越大。

4 結語

實際運行中，并網前電壓的幅值和相位都存在一定差異。參照發電機并網條件，經過大量仿真驗證，得出光伏發電系統并網條件：（1）在一定的頻差下，電網和逆變器的電壓差呈現周期性的變化，變化快慢受頻差影響，頻差越大，變化越快。根據電壓差大小，一般要求頻差不超過0.4Hz。（2）在相位差過零點時并網可以保證逆變器平滑并入電網，為減小電壓電流沖擊，一般要求相位差不超過5°。（3）逆變器輸出電壓幅值盡量與電網電壓匹配，一般不高于電網電壓的10%。

［1］張源.我國新能源發電技術現狀與發展［J］.中國能源，1997（7）：1-4.

［2］趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽能光伏發電及其應用［M］.北京科學出版社，2005.

［3］劉宏，吳達成，楊志剛，等.家用太陽能光伏電源系統［M］.北京：化學工業出版社，2007：5-10.

［4］王飛，余世杰等.太陽能光伏并網發電系統的研究［J］.電工技術學報.2005，20（5）：72-74.