凌紅星, 沈秀蘭, 高金蘭, 張頁

（1. 長興縣供電局, 浙江長興313100; 2. 上海市供電設(shè)計(jì)有限公司, 上海200233）

低壓配網(wǎng)中光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析

凌紅星1, 沈秀蘭2, 高金蘭2, 張頁1

（1. 長興縣供電局, 浙江長興313100; 2. 上海市供電設(shè)計(jì)有限公司, 上海200233）

當(dāng)前光伏發(fā)電系統(tǒng)在低壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用日益增多。由于光伏系統(tǒng)本身的非線性特性以及出力的隨機(jī)性，其并網(wǎng)時(shí)出力的波動必然會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。本文通過建立一個(gè)低壓配網(wǎng)中的光伏發(fā)電模型，研究其并網(wǎng)時(shí)所產(chǎn)生的主要電能質(zhì)量問題?？紤]當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用基于最大功率跟蹤（MPPT）的有功無功解耦（PQ）控制方式時(shí)，在外部光照強(qiáng)度發(fā)生波動的影響下，觀察光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)輸出功率、電壓及電流的波動，分析對低壓配網(wǎng)照成的電能質(zhì)量問題。通過仿真發(fā)現(xiàn)，在外部光照發(fā)生劇烈變化時(shí)，輸出波動較大，光伏系統(tǒng)會向電網(wǎng)注入大量諧波,對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。

光伏發(fā)電系統(tǒng) 電能質(zhì)量 諧波電壓 諧波電流

0 引言

隨著光伏電池的發(fā)展，光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)了通過逆變器等裝置并網(wǎng)并對負(fù)載供電的技術(shù)。采用光伏發(fā)電可以減少對不可再生能源的需求同時(shí)更具環(huán)保特性。然而由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的非線性特性使得光伏電源在對電網(wǎng)提供電能的同時(shí)也給電網(wǎng)帶來了大量的電壓和電流諧波[1]。

導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生諧波的主要原因?yàn)椋?）光伏發(fā)電系統(tǒng)本身由非線性元件組成，以低壓配電網(wǎng)中的光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，主要包括光伏電池、DC/DC變換器、逆變裝置、濾波裝置等，其中逆變裝置為諧波產(chǎn)生的主要原因。2）天氣環(huán)境的改變也會導(dǎo)致大量的諧波產(chǎn)生。光伏發(fā)電系統(tǒng)受天氣影響較大，在多云天氣，發(fā)電功率會出現(xiàn)劇烈的變化，最大變化率會超過10%額定出力，變化頻度每小時(shí)超過10次。頻繁變化的功率輸出必然會導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電壓出現(xiàn)波動，并入電網(wǎng)的電流出現(xiàn)諧波。

本文通過建立并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)各部分的數(shù)學(xué)模型，分析其工作原理、運(yùn)行特性及控制策略，進(jìn)而研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量影響因素。對體現(xiàn)電能質(zhì)量的若干參數(shù)如電壓波動、電流波動、電壓畸變率（THDV）等[2]進(jìn)行分析，總結(jié)了低壓配網(wǎng)系統(tǒng)中光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要電能質(zhì)量影響因素。

1 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的模型

1.1 光伏電池的工程模型

光伏電池的工程數(shù)學(xué)模型是基于電池本身短路電流Isc，開路電壓Uoc，最大功率點(diǎn)電壓Ump，最大功率點(diǎn)電流Imp，以及這些參數(shù)的溫度系數(shù)實(shí)現(xiàn)的[3]。其對應(yīng)的U-I特性方程為：

式中C1，C2是利用開路電壓Uoc，短路電流Isc，最大功率點(diǎn)電壓Ump，最大功率點(diǎn)電流Imp所計(jì)算出來的兩個(gè)修正系數(shù)。計(jì)算公式為：

當(dāng)廠商給出光伏電池的上述四個(gè)典型參數(shù)后，C1，C2便可確定。實(shí)際上，光伏電池在運(yùn)行過程中，上述的四個(gè)參數(shù)會隨著運(yùn)行條件的變化而變化，例如當(dāng)光照強(qiáng)度和溫度改變時(shí)，開路電壓Uoc，短路電流Isc，最大功率點(diǎn)電壓Ump，最大功率點(diǎn)電流Imp也跟著改變，光照和溫度對這四個(gè)參數(shù)的影響可以用下述公式表述：

式中：△T—實(shí)際溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的差值；△S—實(shí)際光照強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度的差值相對于標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度的值；Isc-new—光照強(qiáng)度和溫度改變后新的短路電流值；a—電流受溫度影響的修正系數(shù)，其典型值為a=0.00055；Uoc-new—光照強(qiáng)度和溫度改變后新的開路電壓值；c—電壓受溫度影響的修正系數(shù)，其典型值為c=0.00288；b—電壓受光照強(qiáng)度影響的修正系數(shù)，其典型值為b=0.5；Imp-new—光照強(qiáng)度和溫度改變后新的最大功率點(diǎn)電流值；Ump-new—光照強(qiáng)度和溫度改變后新的最大功率點(diǎn)電壓值。

當(dāng)光照條件或溫度改變時(shí)，通過上述更新的參數(shù)重新確定C1，C2從而得出這一運(yùn)行條件下的光伏陣列的輸出特性曲線。

本論文采用光伏CHSM-6610P的四個(gè)基本參數(shù)建立了其對應(yīng)的光伏電池模型，并對該模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖1顯示了當(dāng)光強(qiáng)分別為1200 W/m2、1000 W/m2、800 W/m2、600 W/m2，溫度為25°C時(shí)，單個(gè)光伏電池的I-U特性曲線和P-U特性曲線。

光伏電池輸出功率的大小受光照強(qiáng)度、溫度等外界環(huán)境的影響，并且波動較大。因此功率的波動必然會影響輸出電壓電流的穩(wěn)定性。

1.2 MPPT控制和逆變器的模型

光伏電池是一種非線性的直流電源，輸出功率在某一環(huán)境下總有一個(gè)最大值，因此一般采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)使光伏電池不斷調(diào)整自身工作點(diǎn)從而獲得最大的輸出功率。獲得最大功率的方法有很多，本模型中采用的為擾動觀察法，它通過不斷改變工作點(diǎn)并測量輸出功率，最終找到真正的最大功率點(diǎn)[4]。

三相并網(wǎng)逆變器的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2 所示。圖中采用的是三相電壓型橋式并網(wǎng)逆變器，濾波器為單電感濾波器，三相電感均為L，R是線路電阻，ea、eb和ec是三相交流電源ia、ib和ic是三相并網(wǎng)電流，E為直流電源，N為直流側(cè)虛擬中點(diǎn)，O為交流側(cè)中點(diǎn)。對于其他形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其分析只需進(jìn)行拓?fù)浞矫娴南鄳?yīng)改變。

本文采用電壓型全橋逆變器，控制系統(tǒng)選擇基于有功無功解耦的控制方式。有功控制方式采用通過MPPT實(shí)現(xiàn)的最大功率跟蹤。無功功率控制，采用穩(wěn)定電壓控制方式?？刂撇呗匀鐖D3所示。

2 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的電能質(zhì)量分析

為了驗(yàn)證光伏系統(tǒng)對低壓配網(wǎng)的諧波、畸變率等相關(guān)電能質(zhì)量問題的影響。將光伏發(fā)電系統(tǒng)并入低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中。通過對光伏系統(tǒng)在并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量問題進(jìn)行分析，觀察光伏系統(tǒng)對配網(wǎng)的影響。

首先對運(yùn)行條件為：0—0.5 s：太陽輻照度S=1000 W/m2，電池溫度T=25°C；0.5—1 s：太陽輻照度S= 700 W/m2，電池溫度T=25°C的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分別討論交流母線處的入網(wǎng)電壓、入網(wǎng)電流及注入電網(wǎng)功率的畸變情況。

圖4（a）為光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率。由圖可知，光伏電源并網(wǎng)后，有功功率變化范圍會自動跟蹤光伏最大輸出功率。圖4(b)為光伏電源并網(wǎng)后的電網(wǎng)電壓，從圖上可以看到電壓會由于功率的波動出現(xiàn)波動。

圖5為光伏直流系統(tǒng)經(jīng)逆變器逆變之后并入電網(wǎng)的電壓和電流的有效值，由圖可知，在0.5 s光伏系統(tǒng)出現(xiàn)光照出現(xiàn)波動時(shí)，由于輸出功率收到影響，直流側(cè)輸出電壓易收到波動，因此在波動瞬間電壓受控制策略影響，出現(xiàn)波動，隨后電壓保持穩(wěn)定輸出。而電流同樣由于光伏輸出功率波動的影響跟隨輸出波動。

圖6（a）為系統(tǒng)電壓在0.2 s時(shí)的FFT頻譜圖，即光照強(qiáng)度為穩(wěn)定1000 W/m2時(shí)的電壓頻譜分析，對應(yīng)THD（電壓畸變率）為0.1%。

圖6（b）為系統(tǒng)電壓在0.5 s時(shí)的FFT頻譜圖，即光照強(qiáng)度出現(xiàn)波動，從1000 W/m2降至700 W/m2的過程中，輸出至電網(wǎng)電壓的頻譜分析，其對應(yīng)的THD（電壓畸變率）為0.82%，很顯然在光伏電源由于光照強(qiáng)度的變化導(dǎo)致輸出功率波動的過程中，輸出的交流并網(wǎng)電壓也會受到波動影響，從而產(chǎn)生比穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)更多的諧波，注入電網(wǎng)。

圖6（c）為系統(tǒng)電壓在0.8時(shí)的FFT頻譜圖，此時(shí)光照強(qiáng)度已經(jīng)穩(wěn)定至700 W/m2，故對應(yīng)光伏電源輸出并至電網(wǎng)電壓又維持平衡，從而諧波大量減少，THD（電壓畸變率）下降至0.08%。

圖7為入網(wǎng)電流波形分析，圖7（a）系統(tǒng)流在0.2 s時(shí)的FFT頻譜圖，即光照強(qiáng)度為穩(wěn)定1000 W/m2時(shí)的電壓頻譜分析，對應(yīng)THD（電壓畸變率）為2.17%。

圖7（b）為系統(tǒng)電流在0.5 s時(shí)的FFT頻譜圖，即光照強(qiáng)度出現(xiàn)波動，從1000 W/m2降至700 W/m2的過程中，輸出至電網(wǎng)電流的頻譜分析，其對應(yīng)的THD（電壓畸變率）為36.06%，很顯然光伏電源輸出的交流并網(wǎng)電流會受到很大影響，從而產(chǎn)生比穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)更多的諧波，注入電網(wǎng)。圖7（c）為系統(tǒng)電流在0.8 s時(shí)的FFT頻譜圖，此時(shí)光照強(qiáng)度已經(jīng)穩(wěn)定至700 W/m2，故對應(yīng)光伏電源輸出并至電網(wǎng)電壓又維持平衡，從而諧波大量減少，THD（電壓畸變率）下降至2.17%。

3 總結(jié)

由于光伏系統(tǒng)的非線性特性，在并網(wǎng)時(shí)會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波電控制并網(wǎng)諧波成分，使其穩(wěn)定輸出。但光伏發(fā)電系統(tǒng)在由于光照強(qiáng)度變化，溫度變換等環(huán)境變換導(dǎo)致其輸出功率產(chǎn)生改變時(shí)，由于采用最大功率跟蹤，輸出電壓電流均會隨之波動，在并網(wǎng)過程中會產(chǎn)生比正常工作時(shí)多的諧波分量，從而導(dǎo)致并入的電網(wǎng)中在此過渡過程中含有大量諧波，如果光伏發(fā)電由于環(huán)境多變，則輸出功率也會隨之多變，從而會導(dǎo)致電網(wǎng)中出現(xiàn)更多諧波含量。

[1] 雷一, 趙爭鳴. 大容量光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)與并網(wǎng)影響綜述[J]. 電力電子, 2010, (03): 16-23.

[2] 程浩忠. 電能質(zhì)量講座 第四講 諧波的產(chǎn)生和危害[J]. 低壓電器, 2007, (08):54-58.

[3] 劉東冉， 陳樹勇，馬敏等. 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2011，8（35）：47-52.

[4] IEEE power system harmonic working group report bibliography of power system harmonic[R]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1984, (09):103-104.

Analysis on the Harmonics of Photovoltaic System on Low Voltage Distribution

Ling Hongxing1, Shen Xiulan2, Gao Jinlan2, Zhang Ye1
(1. Changxing County Electric Power Bureau, Changxing 313100，Zhejiang, China; 2. Shanghai Power Supply Company, Shanghai 200233, China)

With the development of the photovoltaic system on the low voltage distribution, the need to research the contribution of the system is becoming an up to date issue. Since the components are nonlinear and the output power is random, the fluctuation of power will have an influence on the power quality. This paper investigates the influence factors of the power quality on the low voltage distribute with the simulation of the model controlled by MPPT AND PQ. Tests show that the photovoltaic system would inject harmonic current in power line, which has a main effect on the power quality.

photovoltaic power system; power quality; harmonic voltage; harmonic current

TM914

A

1003-4862（2013）11-0045-04

2013-04-28

凌紅星(1966-),男，高級工程師。研究方向：電力安全，電力調(diào)動自動化。