并网光伏电站电能质量分析

并网光伏电站电能质量分析

许强李洋李倩

（徐州供电公司江苏徐州221000）

摘要：随着光伏发电应用的快速发展，其并网运行的电能质量问题日益得到关注。本文分析总结了科技园160kW并网光伏电站的技术特点和电能质量状况，并对其谐波问题进行了重点研究；介绍了大型光伏电站接入的电能质量评估的重点内容及方法；认为大型光伏电站接入的评估方法还需要进一步研究。

关键词：并网；光伏系统；电能质量；评估方法；逆变器

引言

电能质量问题的提出由来已久，在电力系统发展的早期，电力负荷的组成比较简单，主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成，因此衡量电能质量的指标也比较简单，主要有频率偏移和电压偏移两种。20世纪80年代以来，随着电力电子技术的发展，非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到了广泛应用，同时，为了解决电力系统自身发展存在的问题，直流输电和FACTS技术不断投入实际工程应用。这些设备的运行使得电网中电压和电流波形畸变越来越严重，谐波水平不断上升。但另一方面，基于计算机、微处理器控制的用电设备和电力电子设备在系统中大量投入使用，它们对系统的干扰较机电设备更加敏感。随着各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量的要求越来越高[1]。

同时，随着能源和环境压力的增大，光伏发电作为可再生能源发电日益得到国家产业政策的扶持和社会的关注。由于并网光伏发电采用了电力电子变换技术，其并网运行时会对电网的电能质量产生影响；同时，由于光伏发电的应用在国内还处于示范阶段，评估光伏发电接入对电网电能质量的影响还是一个需要进一步研究的课题。

本文针对徐州某科技园160kW光伏电站接入的电能质量情况进行了分析，并介绍了大型光伏电站接入的电能质量评估内容和方法。

1.并网光伏电站的技术特点

并网光伏电站由于存在DC—AC变换环节，需要采用大功率电力电子变换器件进行光伏并网控制，故其性能参数直接关系到光伏发电并网对电网电能质量的影响。

并网光伏电站根据设计容量的大小，可以选择高压、中压和低压等电压等级的并网方式。而对于不同接入电压等级的光伏电站，其允许的电能质量限制值也尽不相同。为了顺利开展光伏电站接入对电能质量影响的评估，有必要对光伏发电的技术特点进行分析。

通过分析科技园光伏电站的运行情况，可以发现光伏发电有以下特点：

a）现有主要的光伏并网逆变器的控制方式为电压源电流控制，即输入侧为电压源，输出为电流源控制，通过控制输出电流以跟踪并网点电压。一般输出为纯有功功率，即功率因数为1，不提供无功支持；

b）为有效利用太阳能，并网逆变器输出功率控制策略为最大功率点跟踪（MPPT），不具备功率调节能力；

图1发电功率日趋势曲线（多云天气）

c）光伏发电输出受天气影响很大，尤其在多云天气，发电功率会出现快速剧烈变化（发电功率日趋势见图1），发电功率的最大变化率超过10%额定出力/秒（％Pn/s），其变化频率为数次到数十次/小时；

a）逆变器输出轻载时，谐波含量会明显变大，在10%额定出力以下时，电流THD甚至会达到20%以上，如图2所示。

图2PV输出电流THD日趋势（多云天气）

由分析以上可知，由于气象条件对光伏发电功率的影响及现有光伏并网控制的技术特点，随着光伏发电渗透率的增加，可能对电网的电能质量产生负面影响，需要对已投运的光伏电站的电能质量状况进行分析总结，并研究评估大型光伏电站接入对电能质量影响的方法。

2科技园160kW光伏电站的电能质量分析

为了评价电能质量，国家技术监督部门先后颁布了6项电能质量国家标准：GB12325-1990《电能质量供电电压允许偏差》；GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》；GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》；GB/T15945-1995《电能质量电力系统频率允许偏差》；GB/12326-2000《电能质量电压波动和闪变》；GB/T18481-2001《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》。这些标准是我国公用电网正常运行应满足的条件[2-3]，也是光伏电站接入电网的参考依据。

科技园160kW光伏发电系统按电池组件容量分为120kW、20kW、20kW三个区；120kW部分采用单晶硅电池组件，配置1台150kW国外三相集中型逆变器（A型逆变器）；有20kW采用多晶硅组件，配置6台3.8kW国外单相分布式逆变器（B型逆变器）；另有20kW采用HIT组件，配置9台5.0kW的国产单相分布式逆变器（C型逆变器）；系统采用380V低压并网方式，160kW容量经过汇流后采用单点并网接入科技园区低压母线。

由于光伏电站在接入设计时，考虑了接入点的短路容量，同时由于光伏发电的技术特点，一般不会对电网的频率偏差、电压中断、电压骤升骤降、暂时过电压和瞬态过电压、三相电压不平衡产生明显影响。在实际运行过程中，光伏电站输出的谐波受光照强度的影响比较明显，因此对谐波特性进行了专门研究。

从图3的统计数据可知：逆变器输出电压THD基本不变，电压THD均小于2%；电流THD受逆变器工作工况的影响比较明显；当光照强度弱、直流电压小、逆变器出力低时，电流THD比较大（A型逆变器电流THD最高达到40%，B型逆变器电流THD最高达到12%，C型逆变器最高达到21%）；直流功率小于40%时，随直流功率的增加，电流THD不断减小；直流功率大于40%以后，电流THD的变化已经不大，处于波形畸变值的较低点[4]。

图3逆变器总电流谐波畸变率-输出功率变化示意图

同时，本文选择15%Pn~65%Pn之间的5个工状点进行了谐波实测（测试结果见表1）。测试结果表明，各工状点电压THD均在1.5%以内，随着光伏电站直流侧功率的增加，电流THDi则从14.9%变化到2.4%。而采用TDD指标进行电流谐波分析，则在低功率区TDD指标较高功率区有小幅增幅加，但均在2%以内。换言之，光伏电站的谐波电流总量在低功率时有较小幅度的增加，也就是向电网注入的谐波电注总量有较小幅度的增加，但不会电网的运行造成明显影响。

图4逆变器电压/电流总谐波畸变率（THD）相关关系图

由图2分析可知，当PV输出功率小于20%额定出力时，电流THD会超过5%。主要原因是并网逆变器控制与滤波参数按额定出力整定配置，不能保证低功率下的谐波抑制效果。为了研究对光伏电站谐波的抑制措施，对于现有并网逆变器，可通过采用逆变器群控技术，在低光照强度下使部分处于工作状态的逆变器运行在较高的功率点（另一部分逆变器不工作），从而能降低逆变器的输出电流谐波。图5为采用群控技术的逆变器组与未采用群控技术的逆变器组的电流谐波对比（纵坐标为电流谐波）。

另外，应用现代电力电子技术和控制技术也是实现光伏电站电能质量控制的有效方法，如采用DVR、DSTATCOM和UPFC等。

3大型光伏电站接入的电能质量评估

光伏电站并网运行对其接入电网电能质量的影响是光伏电站接入电网研究的重要内容之一。光伏电站对电网电能质量的影响程度，与采用逆变器的类型、控制方式、光伏电站布置、所接入节点的短路容量以及线路参数等诸多因素有关。对于大型光伏电站接入的电能质量评估主要考虑括电压偏差、电压波动和谐波三个部分。

闪变是人眼对照度波动的一种主观感觉，相关研究表明，如果电压幅度变化达到0.5%，且频度为每秒6到8次，将引起明显的闪变。而光伏发电功率的波动主要受光照强度的变化的影响，即使在多云气象条件下，变动频率r一般在10~100次/小时。故在光伏电站接入评估中可以不考虑闪变问题。

3）谐波：光伏电站中由于采用了大量的非线性电力电子器件，并网运行时会增加公共电网的谐波。GB/Z19964-2005《光伏发电站接入电力系统技术规定》对光伏电站开向公共连接点注入的谐波电流的奇偶次限值均做了规定。

光伏电站接入允许的谐波除了与接入节点的短路容量以及线路参数有关外，还有接入点的背景谐波有关。因此，在进行光伏电站接入的谐波评估时，需要得到光伏逆变器可能产生的最大谐波电流值（试验实测数据），并结合接入点的背景谐波数据，计算出光伏电站产生的谐波注入是否满足国标规定的限值。

由于谐波计算的结果是对光伏电站接入的粗略判断，还需要在光伏电站投运初期进行电能质量测试，以进行光伏电站对电网电能质量影响的准确评估，同时也是确定是否需要在光伏电站安装谐波治理装置的依据。

另外，GB/T20320-2006《风力发电机组电能质量测量和评估方法》中对风力发电机组的电压瞬变进行了明确要求，而目前光伏发电尚无类似标准。由于光伏发电同样也采用了电力电子变换装置与电力系统连接，也有可能对电压瞬变产生影响，故在光伏发电初步投运后可以借鉴风发发电的标准进行电压瞬变的测试。

4结语

电能质量的提出虽然由来已久，目前仍还是一个较新的研究领域。随着高新技术产业的发展，信息设备的在社会各个领域的渗透应用，电能质量问题将更加引起人们的广泛关注。光伏发电作为绿色环保能源，在其蓬勃发展的情况下，也会对电网的动态电能质量问题产生影响，需要得到广泛的关注和重要。另外，如何有效地在光伏电站建设前期进行电能质量的评估也是一个迫切需要研究的课题。

参考文献：

[1]朱桂萍，王树民.电能质量控制技术综述[J].电力系统自动化，2002，19（26）：28～40.

[2]陈警众.电能质量讲座（第2讲）.供用电[J].计算机仿真，2000，17（4）：52～55.

[3]林海雪.论电能质量[J].中国电力，1997，3（30）：7～10.

[4]杜朝波，卢勇，严玉廷.并网光伏发电系统运行特性分析[J].南方电网技术论坛，2008.

作者简介：

许强（1982年－），男，江苏徐州人，工程师，从事配电网规划研究工作。

李洋（1982年－），女，江苏徐州人，工程师，从事配电网规划研究工作。

李倩（1984年－），女，江苏徐州人，工程师，从事配电网规划研究工作。