分布式光伏并網對電能質量的影響及對策

劉 翀

(山西汾西礦業集團 新能源開發有限責任公司，山西 介休 032000)

0 引言

作為世界工業強國，我國對能源的需求量較高，但化石能源短缺與環境污染等問題限制了科技的發展速度，太陽能作為一種易獲得、環保的可再生能源已得到廣泛關注。分布式光伏并網發電系統主要由光伏電池組、控制器及直流-交流換流器等部分構成，電池產生的電能通過直流-直流換流器升高電壓，再經直流-交流換流器轉化為工頻交流電的形式，從而并入電網輸送電能。

光伏發電并網系統占地面積小且建設成本低，已成為目前最熱門的可再生能源發電方式。隨著光伏發電機組規模的擴大與發電量的增加，光伏發電對電力系統電能質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等，這些問題會直接影響用戶的用電可靠性。因此，本文對光伏發電中諧波注入、直流注入、電壓閃變及孤島效應等問題進行分析與探討，從而提高光伏發電的電能質量，對電網運行的穩定性與效率具有較大的工程意義。

1 諧波注入

諧波注入現象的產生原因主要有以下幾種：①在光伏發電系統將直流變為交流的過程中，通常會產生不需要的高次諧波；②功率開關的頻率變化與非線性負載也會產生少量諧波；③光照強度與溫度在短時間內不穩定時，諧波的分布范圍也會變大；④逆變器的并聯結構會使諧波電流分量累加，最終導致并網電能質量低于規定標準。

為改善光伏發電帶來的波形畸變問題，可從以下幾個方面來降低諧波含量：①改善控制策略，減小開關頻率產生的諧波；②通過無源濾波或有源濾波方法濾除一些高次諧波；③在并網系統中加裝靜止同步補償器等設備降低諧波含量。

2 直流注入

2.1 直流注入產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象的主要原因有：①實際電路中各元件參數并不完全一致，其阻抗特性的差異使各開關元件導通與關斷的時刻不等，導致占空比不一致，從而引起直流注入現象；②運放電路的計算誤差或電流傳感器的測量誤差會導致測得的工頻正弦電流的正負幅值不等，即存在直流偏置問題；③電流參考值本身就存在直流量，在控制器作用下實際輸出電流也包含直流分量。

直流-交流換流器是將光伏發電系統連接到電網的主要電路，若其輸出電流中有直流分量，直流量將直接注入電網中，對電網的安全與穩定造成較大危害，其主要表現為：①影響變壓器的正常工作，直流電流導致變壓器工作點發生平移，從而使波形畸變，導致電能損耗增大和溫度升高，使設備故障率升高；②直流偏置也會導致電網中電流幅值變高，電路中設備承受電壓應力較大，嚴重時會使保險絲燒斷，引發局域電網停電，帶來不必要的經濟損失；③直流電流使導線中金屬發生腐蝕現象，帶來較大的安全隱患；④對電網中各種設備也會帶來一定危害，如導致發電機產生脈動轉矩與溫度升高。

因此，直流注入帶來的危害已逐步受到各國學者的關注，如何抑制光伏并網帶來的直流分量已成為研究熱點。

2.2 直流注入的抑制方法

國內外學者提出了多種方法抑制直流注入，主要是通過改變逆變器的拓撲以抑制直流。圖1為三種可抑制直流注入的逆變器拓撲，分別為半橋型逆變器、具有隔直電容的逆變器及帶并聯變壓器檢測的逆變器。

半橋型逆變器中無論是上管還是下管導通，輸出電流都會經過直流側電容C1或C2，從而實現直流量與電網的隔離。但相同電壓等級下半橋拓撲與全橋拓撲相比，其承受的電壓為全橋的兩倍，所以半橋逆變器中開關元件承受的電壓應力較大，其質量要求較高，開關損耗較大。

與半橋逆變器的原理相似，在全橋拓撲與電網之間串入電容可實現直流電流與電網的隔離，但這種拓撲不應隔離工頻電流流入電網，故需串聯容值較大的電容，這會導致更大的占地面積，增加了建設成本。

如圖1(c)所示，澳洲學者SHARMA提出了一種帶并聯變壓器檢測的逆變器的拓撲，檢測部分由RC串聯電路與變比為1的變壓器組成，該電路可通過測量電容電壓得到電網中的直流分量，采取相應的控制算法產生直流校正參考值，通過脈寬調制控制開關管，從而抑制直流電流。

圖1 可抑制直流注入的逆變器拓撲

3 電壓閃變

光伏發電隨機與不穩定的特點導致其發出的有功功率會引起電網電壓的波動與閃變，光照強度、溫度、濕度等外界因素的變化會導致光伏電池的最大功率點隨機發生變化，其輸出電能的頻率與幅值也隨之不斷變化，引發電網用戶負載側的電壓波動與閃變現象。

目前減少電壓波動與閃變的主要方法有：①改進換流器的控制方法，從而減小輸出電壓的波動；②當最大視在功率不變時，提高光伏并網系統的功率因數以充分輸出有功功率，減少無功功率，將電壓波動范圍縮小到電網規定的標準范圍內；③增大光伏并網系統的短路容量。

4 孤島效應

孤島效應是指由于停電檢修或線路故障等問題導致電網停止供電時，光伏并網發電系統并未能快速判斷電網處于停電狀態，導致光伏系統與連接的負載繼續運行的現象。圖2為孤島效應示意圖。隨著光伏并網系統規模的不斷擴大，導致這種現象的發生越發頻繁，孤島效應對電網的電能質量具有較大危害，主要表現為：①發生孤島效應的光伏并網系統的頻率、輸出電壓及相位變化范圍較大，且此時處于不可控狀態，嚴重時會導致設備發生故障甚至損壞，對電網檢修專業人員的人身安全造成重大威脅；②恢復供電后，電網與光伏并網系統的電壓相位不一致，這將導致浪涌電流與電流的瞬時下降；③若光伏發電方式為單相供電，則配電網可能會出現三相負載不平衡現象，導致電能質量下降；④如果電網系統容量不足或無儲能設備，配電網在孤島效應作用下，極有可能導致用戶側負載出現電壓波動與閃變現象。

圖2 孤島效應示意圖

為消除孤島效應帶來的負面影響，目前主要采取以下兩種策略：①改進光伏并網系統判斷停電的檢測方法，根據光伏并網系統對電網中故障電流的幅值、相位的影響，縮短故障時的負載切除反應時間；②提高孤島效應檢測方法的準確性，開發效率較高的抑制孤島效應策略，當故障發生時可準確快速判斷孤島狀態，及時將光伏發電系統與電網切斷。

5 結束語

隨著越來越多的光伏發電站在國內投入運行，電網的電能質量也受到光伏并網系統的較大影響。因此，研究光伏發電對電網電能質量的影響具有重大意義。本文主要介紹了光伏發電引發的諧波注入、直流注入、電壓波動及孤島效應產生的原因與危害，并針對這些問題提出了改善電能質量的方法，可為今后針對光伏發電并網系統的研究提供一定的參考。