并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析

鐘新熙

（國能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625399）

0 引 言

隨著清潔能源的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電作為一種重要的可再生能源形式，逐漸成為電力系統(tǒng)中的重要組成部分。然而，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的連接會(huì)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，可能引起電壓波動(dòng)、頻率偏差和諧波等問題。文章將深入研究并分析并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，尋找有效的改進(jìn)方法，從而提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，促進(jìn)清潔能源穩(wěn)定接入電網(wǎng)。

1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)基于光伏效應(yīng)將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能。在實(shí)際應(yīng)用中，有效控制光伏電池的電流和電壓，可以實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定輸出，為電力系統(tǒng)注入清潔能源。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池陣列、電壓與充電控制系統(tǒng)、蓄電池、并網(wǎng)逆變器、計(jì)量與切換控制裝置以及220 V 電網(wǎng)組成。太陽能電池陣列負(fù)責(zé)將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能，電壓與充電控制系統(tǒng)則確保電池組的穩(wěn)定充電狀態(tài)。蓄電池在系統(tǒng)中起到充放電的作用，能夠儲(chǔ)存多余的電能以備不時(shí)之需。并網(wǎng)逆變器將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與220 V 電網(wǎng)的連接，為家庭用電提供清潔能源。計(jì)量與切換控制裝置負(fù)責(zé)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并在需要時(shí)切換電源，確保系統(tǒng)的可靠性和安全性[1]。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)完整的并網(wǎng)光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)，能夠?yàn)榧彝ヌ峁┓€(wěn)定的220 V 交流電源。

2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)電能質(zhì)量的關(guān)聯(lián)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)電能質(zhì)量的關(guān)聯(lián)緊密且復(fù)雜，主要表現(xiàn)在直流注入和逆變器運(yùn)行2 個(gè)方面。太陽能電池陣列通過光電效應(yīng)將太陽輻射轉(zhuǎn)化為直流電，并注入電網(wǎng)。這一直流電注入過程會(huì)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成一定影響，其波動(dòng)可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)變動(dòng)，且天氣條件的變化和系統(tǒng)容量的波動(dòng)在一定程度上影響著直流電的注入，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性提出挑戰(zhàn)。通過并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電是光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)聯(lián)電網(wǎng)電能質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。逆變器的運(yùn)行會(huì)引入諧波和電壓波動(dòng)，直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性和性能。

3 影響并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量的因素分析

3.1 天氣條件

天氣條件是影響并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)性能的重要因素。太陽輻射的強(qiáng)度和照射時(shí)間直接影響光伏電池陣列的發(fā)電量。光照充足時(shí)，光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能相對(duì)較高；光照不足時(shí)，發(fā)電效果減弱，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。

溫度是天氣條件的重要組成部分。溫度升高會(huì)導(dǎo)致光伏電池的工作效率下降，從而減少發(fā)電量。這是因?yàn)樘柲茈姵氐陌l(fā)電效率與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，在高溫天氣下，系統(tǒng)的發(fā)電性能也會(huì)受到一定的制約。

異象條件的變化也會(huì)引起電網(wǎng)電能質(zhì)量的波動(dòng)。例如，突發(fā)的風(fēng)暴、大雨等極端天氣會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，進(jìn)而影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這些天氣突變會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的瞬時(shí)功率變動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的瞬時(shí)影響。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)容量

光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量是影響系統(tǒng)性能的因素之一，直接關(guān)系到系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能產(chǎn)量。光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量大小直接影響其在充足光照條件下的最大發(fā)電功率。具體而言，系統(tǒng)容量越大，其最大發(fā)電功率也越大。此外，系統(tǒng)容量決定安裝的光伏電池?cái)?shù)量，光伏電池?cái)?shù)量的增加將提高系統(tǒng)整體的發(fā)電效率。例如，在相同光照條件下，1 個(gè)容量為100 kW 與1 個(gè)容量為50 kW 的系統(tǒng)相比，前者具有更高的發(fā)電功率。光伏發(fā)電系統(tǒng)容量的合理匹配也關(guān)系到系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接和功率穩(wěn)定性。容量不足會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法充分利用光照，從而限制系統(tǒng)的發(fā)電潛力；而容量過大會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)無法有效吸納系統(tǒng)產(chǎn)生的電能，引發(fā)功率波動(dòng)[2]。因此，容量的選擇需要兼顧系統(tǒng)的實(shí)際需求和電網(wǎng)的接收能力。

3.3 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是影響并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的因素之一，其可靠性與穩(wěn)定性對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行至關(guān)重要。不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在面對(duì)突發(fā)電力波動(dòng)和負(fù)荷波動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性存在差異，直接影響著光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入和電能質(zhì)量。例如，強(qiáng)調(diào)分布式能源接入的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更易適應(yīng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的波動(dòng)性，提供更高的接納能力。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的靈活性與智能化程度對(duì)光伏系統(tǒng)的影響不可忽視。智能化的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)能夠更快速、精準(zhǔn)地響應(yīng)光伏系統(tǒng)的變化，通過智能調(diào)度和控制手段提高電能質(zhì)量。例如，采用智能感知和響應(yīng)技術(shù)的智能電網(wǎng)結(jié)構(gòu)能夠更好地處理光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率波動(dòng)，減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

3.4 并網(wǎng)控制策略

并網(wǎng)控制策略作為光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行的關(guān)鍵因素，直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。并網(wǎng)控制策略的合理性與靈活性對(duì)于減小光伏系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊、提高電能質(zhì)量至關(guān)重要，采用適當(dāng)?shù)牟⒕W(wǎng)控制策略能夠有效減小光伏系統(tǒng)功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響。通過合理的功率調(diào)節(jié)和響應(yīng)機(jī)制，可以降低電能質(zhì)量波動(dòng)幅度，減小電網(wǎng)頻率的波動(dòng)。例如，采用先進(jìn)的功率調(diào)節(jié)算法和電能儲(chǔ)存技術(shù)，能夠在短時(shí)間內(nèi)平滑處理光伏功率波動(dòng)，有助于維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性[3]。并網(wǎng)控制策略的選擇對(duì)于光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的功率匹配具有重要影響，合理的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)光伏系統(tǒng)輸出功率與電網(wǎng)負(fù)荷需求的動(dòng)態(tài)匹配，提高能源利用率，減小電網(wǎng)調(diào)度壓力。例如，采用智能化的最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)和實(shí)時(shí)功率調(diào)整策略，能夠更精準(zhǔn)地控制光伏系統(tǒng)的輸出功率，適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的變化。

4 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量的改進(jìn)方法

4.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制技術(shù)的優(yōu)化

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制技術(shù)的優(yōu)化是提高電能質(zhì)量的重要手段。一方面，可以采用高級(jí)電流控制算法，如基于模型預(yù)測控制（Model Predictive Control, MPC）的電流控制策略，以減小對(duì)電網(wǎng)的諧波注入，降低電流畸變。MPC 算法基于對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的準(zhǔn)確建模，能夠預(yù)測未來一定時(shí)段內(nèi)的電流波形，實(shí)時(shí)調(diào)整逆變器輸出，減少電流諧波成分。另一方面，可以通過引入電壓控制策略，如基于無感知電壓調(diào)整的控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)[4]。該策略通過在逆變器輸出端引入無感知電壓檢測技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)電壓波形，并在逆變器輸出中進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使其與電網(wǎng)電壓同步，有助于降低電壓波動(dòng)，提高系統(tǒng)與電網(wǎng)的匹配度。

4.2 電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置的應(yīng)用

在優(yōu)化并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量方面，電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過應(yīng)用智能集成式諧波抑制電力電容補(bǔ)償裝置，能夠提高功率因數(shù)并降低諧波含量，從而改善電能質(zhì)量。該裝置串聯(lián)不同電抗器，具備靈活性，可根據(jù)電氣環(huán)境的特征調(diào)整配置。配置串接7%電抗器的方案主要針對(duì)諧波為5 次、7 次及以上的情境，而串接14%電抗器的配置適用于諧波為3 次及以上的情境。這種巧妙的設(shè)計(jì)能夠有效抑制不同諧波的頻率，使系統(tǒng)更具適應(yīng)性。為實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的全面改進(jìn)，裝置配備功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制器，通過RS-485 通信接口與外部設(shè)備通信。該控制器能夠采集電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、諧波含量、功率因數(shù)及溫度等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到外部設(shè)備。這一智能化的監(jiān)測和控制手段使系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測和優(yōu)化電能質(zhì)量。此外，電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置采用晶閘管動(dòng)態(tài)投切開關(guān)，具備過電壓、欠電壓、欠流鎖定、斷相、過畸變以及溫度保護(hù)功能，響應(yīng)時(shí)間快，能夠頻繁投切，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4.3 高效逆變器設(shè)計(jì)與改進(jìn)

為提高并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，高效逆變器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)必不可少。光伏并網(wǎng)逆變器采用一種創(chuàng)新的構(gòu)造，通過巧妙設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)和智能控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)非隔離光伏并網(wǎng)逆變器共模電流的抑制，改善電能質(zhì)量。在電路方面，精心配置逆變電路中的開關(guān)管與相應(yīng)的電容、電阻等元件，通過細(xì)致的電路連接，有效抑制共模電流的產(chǎn)生。特別是引入不同的續(xù)流回路，電路在續(xù)流階段成功實(shí)現(xiàn)光伏陣列與電網(wǎng)的斷開連接，確保共模電壓的恒定，顯著降低共模漏電流，提升系統(tǒng)的安全性。在控制模塊方面，采用數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Process，DSP）模塊與逆變電路的緊密結(jié)合。DSP 模塊通過精準(zhǔn)的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的精準(zhǔn)控制，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。同時(shí)，引入驅(qū)動(dòng)電路，利用TLP250 芯片等元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的快速驅(qū)動(dòng)和過電流保護(hù)，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力[5]。此外，為更全面地監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，光伏并網(wǎng)逆變器配備了直流電壓檢測電路、直流電流檢測電路和過零檢測電路等輔助模塊，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取電池輸出端的電壓、電流和功率因數(shù)等參數(shù)，更好地適應(yīng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行變化。

5 結(jié) 論

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)作為清潔能源的代表，為電網(wǎng)注入更多可再生能源，但也引發(fā)一系列電網(wǎng)電能質(zhì)量的挑戰(zhàn)。因此，文章提出一系列改進(jìn)方法，包括光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制技術(shù)的優(yōu)化、電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置的應(yīng)用、高效逆變器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。通過應(yīng)用這些方法，可以有效提高并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，優(yōu)化其在電力系統(tǒng)中的性能表現(xiàn)。這些技術(shù)手段不僅可以降低系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的負(fù)面影響，而且能夠提高電力系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性。