光伏發電并網對電網電能質量影響分析及解決方案

李博

摘要：光伏發電站是近些年來各類發電站中較為清潔的一種，它利用了太陽能轉化為電能的原理進行發電，光生伏特效應的作用下，太陽能電池的兩端產生電動勢，將光能轉換成電能。所以在光伏發電站中光照強度決定了發電站的總功率。但是季節的更替以及地球的自轉導致光照在不同的時間點就會不同，外加有遮擋物的影響。光照不一致就導致了輸出功率的不穩定。本文從光伏并網項目系統介紹為基礎，根據光伏發電并網發電不穩定的特點對電網電能質量影響，并對此加以分析及解決。

關鍵詞：光伏發電、光伏并網、電能質量

引言：

太陽能作為新型的清潔能源，在各個領域人類幾乎都對它加以利用，在將近十年的時間，全世界利用了太陽能的光伏產業每年都在增長，我們國家在不斷發展與進步中光伏產業在世界上屬于領先地位。但是隨之而來的問題也越來越多。由于光伏項目受氣象影響波動較大，這些問題對電能的質量產生了較大的影響，我們也要積極采取相應的措施去解決電能質量的問題。

一、關于光伏發電并網系統的概述

無論是分布式還是集中式電站，并網電壓等級不同，但是組成原理相同，都是由光伏組件、并網逆變器、升壓變壓器、控制保護裝置這四個部分構成（如圖1所示）。在光伏發電站接入電網的時候，就意味著能量轉化的開始。

由于光能的不均勻吸收導致產生的諧波與發電功率也不穩定，這就是影響了電能質量的其中一種因素，也是較為重要的因素。而諧波與電功率的不穩定性會導致光伏發電站中電網的不穩定。所以提高電能的質量是必須要處理的問題。

二、光伏發電站并網系統中電能質量的影響因素：

（一）電壓的不穩定性

光伏電站的不穩定性還在于配電網與光伏電源在結合以后電壓受光源忽大忽小的影響，也變得極其不穩定，這種迅速的變化十分損耗光伏發電站的系統，如果出現故障電流的方向發生變化，那么電壓暫降的問題就會顯現出來。種種因素影響了整個光伏發電站的電能質量。由于受天氣、環境溫度、光伏板安裝位置等因素影響，光伏電站的輸出功率會有所變化，最大變化率甚至超過額定量的10%，因此產生了發電量的不穩定問題，會對饋入電網的諧波產生影響。

1. 光伏電站的并網需要應用到逆變器，為最大利用逆變器容量和最大發電量，廠家會將并網逆變器的功率因數設定過大。但隨著光伏電站裝機容量的增加，由于光伏發電的功率波動性，逆變器的高功率因數運行對電網的穩定性造成威脅，有功不變時，無功幾乎不能調節，需要額外的無功來維持電壓。另外，逆變器輸出輕載時，諧波會明顯變大，在10%額定功率以下時，電流的總諧波畸變率則會到15%-20%以上。

2. 光伏發電功率隨日照強度變化對電網負荷特性產生影響，它的接入改變了電網潮流方向，將對現有電網的規劃、調度運行方式產生影響。雖然逆變器有MPPT最大功率跟蹤功能，但光伏發電單位不具有調度自動化功能，加大了電網控制與調度運行的難度。若大量光伏發電系統接入電網終端，將加劇電壓波動，可能引起電壓/無功調節裝置的頻繁動作，影響到系統的保護。

（二）電能的損耗

由于輸送電壓越來越大，電能的損耗在運輸過程中也越來越大，大量的損耗也會影響電能質量。輸送電壓不斷增加的情況下，我們光伏發電站還維持原有的設備，就會導致出現的問題無法得到有效的解決，這時候適當增加調壓設備就會讓整個光伏發電站的電能質量有所提高。

（三）孤島效應

所謂孤島現象是指當電網供電因故障事故或停電維修而跳脫時，各個用戶端的分布式并網發電系統未能即時檢測出停電狀態而將自身切離市電網絡，而形成由分布電站并網發電系統和周圍的負載組成的一個自給供電的孤島。

孤島一旦產生將會危及電網輸電線路上維修人員的安全;影響配電系統上的保護開關的動作程序，沖擊電網保護裝臵;影響傳輸電能質量，電力孤島區域的供電電壓與頻率將不穩定;當電網供電恢復后會造成的相位不同步;單相分布式發電系統會造成系統三相負載欠相供電。

三、如何解決這些電能質量問題

（一）如何解決電壓暫降的問題

電壓暫降可以采用模擬系統的建立來進行準確的測試，通過模擬器的測試，我們可以找出電壓暫降的根本原因。當并網點出現電容量不夠的情況時，就會導致無法兼容并網點的短路問題，適當增加并網點的電容量可以減少故障產生的概率。對于傳統的電能量檢測我們也可以加以利用。加裝SVG和SVC，通過電網的統一調度調節有功和無功的平衡，對于調節電能質量起到了很好的控制作用。

（二）增加調壓設備

在光伏發電站中我們也可以適當增設部分效果顯著的調壓設備，這樣可以更好地控制電壓帶給電能質量的影響，這種設備的原理是根據諧振原理建造的，高次諧波需要通過消除來達到與濾波電路的協調。另外增加逆變器MPPT的數量，這樣可以跟蹤到光伏組件每個組件的電流電壓輸出最大功率，但每次調節會導致輸出側產生諧波分量，所以提高優化MPPT算法使得逆變器對光照環境等因素精準快速找到最大功率輸出點減少諧波及三相電壓不平衡[3]。

（三）增加防孤島保護設備

逆變器直接并網時應具有基本的保護功能外，還應具備防孤島效應的特殊功能。孤島發生時必須快速、準確地切除并網逆變器，由此引出了對于孤島效應進行檢測的控制。 基于逆變器的防孤島效應保護方案分為主動式防孤島保護方案和被動式防孤島保護方案。被動式方案通過檢測逆變器交流輸出端電壓或頻率的異常來檢測孤島效應。由于被動式方案的檢測范圍有限，因此為了滿足并網逆變器防孤島保護安全標準的要求， 應至少設臵各一種主動和被動防孤島效應保護。主動式方案通過有意地引入擾動信號來監控系統中電壓、頻率以及阻抗的相應變化，以確定電網的存在與否。

四、結束語

光伏發電作為新型能源，在未來太陽能會與我們的生活密切相關，所以對于光伏電站出現的電能質量問題要加以重視，并且及時采取有效的解決方案，這樣可以有效避免我們在使用光伏發電站并入傳統發電電網對電網安全穩定性造成影響。及時改善發電中出現的各種問題會讓我們的光伏發電站在未來有更好的發展。也會為光能發電作為未來的主要發電趨勢打下良好的基礎。

參考文獻：

[1] 周林， 武劍， 栗秋華， et al. 光伏陣列最大功率點跟蹤控制方法綜述[J]. 高電壓技術， 2008， 34（6）：1145-1154.

[2] 崔昊楊， 李志鋒， 馬法君， et al. 皮秒脈沖激光照射下碲鎘汞光伏紅外探測器的負光伏響應新現象[J]. 紅外與毫米波學報， 2009（3）：161-164.

[3] 郭芳，鄧長虹，廖毅，譚茂強，賀艷芝. 基于改進MPPT算法的微電網電能質量改善作用研究， 南方能源建設，2015 年 第 2 卷 第 1 期