光伏發(fā)電站電能質(zhì)量狀況分析

近十年來，全球的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)每年以41.3%的速度在增長，中國成為了世界上光伏發(fā)電技術(shù)和光伏電池組件的大國，年發(fā)電產(chǎn)量約占世界產(chǎn)量的44%，預(yù)計到2015年中國的光伏發(fā)電的裝機(jī)總量將達(dá)到500萬kW。由于在10KV接入、400V接入、220V接入系統(tǒng)中都檢測到諧波電流總畸變率偏高的問題。隨著容量的增大，諧波電流對電網(wǎng)的影響也將隨之增大。于是光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器易產(chǎn)生諧波、三相電流相對不平衡、輸出功率相對不穩(wěn)定等問題容易造成電網(wǎng)電壓的波動、閃變，因此需要對電網(wǎng)進(jìn)行相應(yīng)的電能質(zhì)量處理。

1 光伏發(fā)電站發(fā)電原理以及接入電網(wǎng)方法

太陽的光子照射到不均勻的半導(dǎo)體或者金屬與半導(dǎo)體結(jié)合的不同位置產(chǎn)生了電位差。根據(jù)能量之間的轉(zhuǎn)化，其過程就是由光子轉(zhuǎn)化為電子，光能轉(zhuǎn)化為電能的過程;由于電位差形成電壓，通過連接形成電流的回路，我們把這個稱為光伏效應(yīng)，同時這也是光伏發(fā)電站發(fā)電的原理。

根據(jù)電壓等級可以將光伏發(fā)電站分為三類：一是接入電壓等級為66KV及以上的電網(wǎng)的光伏發(fā)電站稱為大型光伏發(fā)電站;二是接入電壓等級為10～35KV電網(wǎng)的光伏發(fā)電站稱為中型光伏發(fā)電站;三是接入電壓等級為0.4kV低壓電網(wǎng)的光伏發(fā)電站稱為小型光伏發(fā)電站。光伏發(fā)電站由四個部分組成：光伏電池陣列、逆變器、升壓變壓器、控制保護(hù)裝置，其發(fā)電以及接入電網(wǎng)的過程就是首先通過光伏電池陣列將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽娔芤灾绷麟姷男问酵ㄟ^逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娸敵?，此時的交流電是低壓交流電，然后通過升壓變壓器將交流電的電壓升壓最終接入電網(wǎng)。一個光伏發(fā)電站的發(fā)電功率通過此發(fā)電站的光照量來衡量。光伏發(fā)電受環(huán)境的影響造成存在高次諧波含量和發(fā)電功率不穩(wěn)定性，從而影響到光伏發(fā)電的電能質(zhì)量。

2 光伏發(fā)電站產(chǎn)生諧波對電網(wǎng)的主要影響

某光伏發(fā)電站并網(wǎng)點對電能質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)測量，測試時間為60小時30分鐘，其中光伏發(fā)電時間為25小時20分鐘，如表1所示：

測試結(jié)果表明：各項指標(biāo)均合格，其中三項指標(biāo)裕度很大，電壓總畸變率裕度較小且最大值已超標(biāo)。不同測試時間段對95%概率值有影響。

C相諧波電流最大值測試結(jié)果如下圖1所示：

圖1表明C相25次諧波電流最大，超過協(xié)議容量允許值。且95%概率值也已經(jīng)超過允許電流，但95%概率值還在合格范圍內(nèi)。

2.1 高次諧波含量

通過測量研究表明，電力系統(tǒng)中的三相交流發(fā)電機(jī)輸出的電壓的波形通常情況下為正弦波，所謂的正弦波就是波形中近似無直流及高次諧波的分量。對于基波就是對稱分量，三相向量之和為零，這樣就對外不會形成電磁場。但是對于諧波電流的分量的三相向量之和不等于零，會形成強(qiáng)大的磁場，對光伏發(fā)電站的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。高次諧波源向整個電網(wǎng)注入了整倍于基波頻率的諧波電流。諧波電流在電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波降壓，必然會導(dǎo)致整個電網(wǎng)電壓和電流的波形產(chǎn)生變化，直接導(dǎo)致了光伏發(fā)電站電能質(zhì)量的不斷下降。

研究發(fā)現(xiàn)，光照強(qiáng)度對于光伏發(fā)電站輸出的諧波影響顯著。光伏發(fā)電站中通常采用的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的過程中都會產(chǎn)生不同的諧波。由于采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的逆變器主要目的就是為了降低低頻次諧波含量對電網(wǎng)的電能質(zhì)量的影響，但同時也丟失了抑制高頻次諧波含量的能力，導(dǎo)致諧波中的低頻次的含量低。

2.2 發(fā)電功率的不穩(wěn)定性

光照強(qiáng)度對于光伏發(fā)電站的輸出功率同樣存在著巨大的影響。光伏發(fā)電的輸出功率具有波動性、間歇性、周期性這三個主要特點，這就造成了對電網(wǎng)電壓的波動閃變。尤其是光伏發(fā)電在如今發(fā)電形式的比例越來越重要的情況下，它的三個主要特點對用電電網(wǎng)的調(diào)節(jié)影響也會越來越明顯，最終很有可能造成整個電網(wǎng)頻率的上下波動。

3 提高光伏發(fā)電電能質(zhì)量的技術(shù)措施

3.1 提高并網(wǎng)點短路容量

通過提高光伏發(fā)電站并網(wǎng)電壓等級并選擇短路容量水平比較高的變電站作為電站接入點，既提高電壓的波動與閃變，又能提高電壓的不平衡度和諧波等指標(biāo)的合格率。

3.2 電能控制裝置在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的電網(wǎng)電能質(zhì)量治理裝置在光伏發(fā)電系統(tǒng)中依然使用，例如APF、DSTATCCOM和SVC等同樣可用于大規(guī)模的光伏發(fā)電站作為無功補(bǔ)償和諧波治理裝置。同時，光伏微源本身具有功率響應(yīng)積極、有功無功分別可調(diào)等優(yōu)點，可以擔(dān)當(dāng)一定的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)任務(wù)，與電能質(zhì)量治理裝置聯(lián)合使用，從而改善電能質(zhì)量。

伴隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)滲透率的提高，電能質(zhì)量的控制難度也在加大，傳統(tǒng)的電能治理點如無功補(bǔ)償節(jié)點、有源濾波器的投入節(jié)點、電能質(zhì)量的檢測點等都需要重新確定。傳統(tǒng)的電能質(zhì)量治理方案也需要改進(jìn)。利用光伏并網(wǎng)逆變主電路的特點，將光伏并網(wǎng)的發(fā)電控制與無功補(bǔ)償、有源濾波相結(jié)合，有效地進(jìn)行光伏并網(wǎng)發(fā)電的同時，還可以對電網(wǎng)中的無功和諧波進(jìn)行補(bǔ)償或抑制，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。

3.3 增加一定的調(diào)壓設(shè)備

在配電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法是將無源電力濾波器與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)荷并聯(lián)，為諧波提供一個低阻通路的同時，也提供負(fù)載所需的無功功率，這是最常見和實用的方法。該裝置利用電感和電容器貯能元件。根據(jù)諧振原理，通過濾波電路對需要消除的高次諧波進(jìn)行調(diào)諧，使之發(fā)生諧振。以便其在諧振時得到阻抗最小的特性，有效消除指定次數(shù)的諧波，并在諧波源附件就地吸收諧波電流，從而不使其注入電網(wǎng)中去。該裝置的優(yōu)點是投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護(hù)方便，運行費用也低，不但起到濾波作用，還能進(jìn)行無功補(bǔ)償。因此，無源濾波器是目前廣泛采用的抑制諧波及無功補(bǔ)償?shù)闹匾侄?。但該方法的補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗、頻率和運行工況的影響，只能起到對某幾次固定頻率諧波的抑制效果，而很可能對其他次諧波有放大作用，使濾波器過載甚至燒毀。另外，LC濾波電路會因系統(tǒng)阻抗參數(shù)變化而產(chǎn)生與系統(tǒng)并聯(lián)諧振問題，影響和后果嚴(yán)重。

4 結(jié)語

光伏發(fā)電技術(shù)依舊是一個相對較新的研究領(lǐng)域，人們需要不斷地探索總結(jié)去提高光伏發(fā)電站的電能質(zhì)量，同時把光伏發(fā)電這一綠色環(huán)保的新能源作為今后的主要能源。通過本文可以了解光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)后主要的電能質(zhì)量問題是諧波。諧波注入是否合格是由接入點的短路容量、接入光伏站的容量以及逆變器注入電網(wǎng)的諧波電流決定的。