周陽(yáng)周田

（1.國(guó)網(wǎng)濱州供電公司，山東濱州 256600；2.河北科技大學(xué)電氣學(xué)院，河北石家莊 050018）

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)條件研究

周陽(yáng)1周田2

（1.國(guó)網(wǎng)濱州供電公司，山東濱州 256600；2.河北科技大學(xué)電氣學(xué)院，河北石家莊 050018）

隨著太陽(yáng)能等可再生能源的廣泛開(kāi)發(fā)利用，光伏發(fā)電將成為電力系統(tǒng)中重要的電源。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)受氣候影響具有較大的隨機(jī)波動(dòng)性，需要頻繁的并網(wǎng)/離網(wǎng)操作，為減小模式切換對(duì)本地負(fù)載的沖擊，本文從電路原理出發(fā)剖析光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的暫態(tài)過(guò)程，分析并網(wǎng)幅值、頻率、相位對(duì)本地負(fù)載和電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，總結(jié)出光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)條件，為制定合理的并網(wǎng)控制策略提供有力的理論依據(jù)。

光伏發(fā)電 并網(wǎng)條件 電能質(zhì)量

隨著太陽(yáng)能等可再生能源的廣泛開(kāi)發(fā)利用，光伏發(fā)電將成為電力系統(tǒng)中重要的電源，光伏發(fā)電系統(tǒng)通常有兩種工作模式［1，2，3，4］：（1）并網(wǎng)運(yùn)行，在系統(tǒng)能源充足時(shí)可以持續(xù)向電網(wǎng)輸送能量或在電網(wǎng)用電高峰時(shí)實(shí)現(xiàn)“削峰”和平衡電網(wǎng)負(fù)荷的作用；（2）獨(dú)立運(yùn)行，即在電網(wǎng)異常或調(diào)度需要時(shí)脫離電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，為本地重要負(fù)載提供持續(xù)的電力。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)受氣候影響具有較大的隨機(jī)波動(dòng)性，需要頻繁的并網(wǎng)/離網(wǎng)操作，為減小模式切換對(duì)本地負(fù)載的沖擊，本文從電路原理出發(fā)，剖析光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的暫態(tài)過(guò)程，分析各種因素對(duì)本地負(fù)載和電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響規(guī)律，總結(jié)出光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)條件，為制定合理的并網(wǎng)控制策略提供有力的理論依據(jù)。

1 理想并網(wǎng)條件概述

光伏電池和儲(chǔ)能系統(tǒng)共同維持直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定，逆變器將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能來(lái)對(duì)負(fù)荷供電。一般情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)在并入公用電網(wǎng)前，帶負(fù)荷獨(dú)立運(yùn)行，相當(dāng)于一個(gè)電壓源 ，公用電網(wǎng)也可以近似等效為電壓源。由于兩個(gè)電壓源根據(jù)自帶負(fù)荷特點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)行，并網(wǎng)前的電壓向量不但存在幅值差，也存在頻率差，以及不斷變化的相位差。并網(wǎng)控制就是在考慮上述各種影響因素的前提下，保證并網(wǎng)過(guò)程可靠穩(wěn)定運(yùn)行，減小對(duì)本地負(fù)荷的沖擊。

光伏逆變系統(tǒng)與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)有所不同，光伏逆變系統(tǒng)等效輸出阻抗小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快，逆變輸出電壓、電流變化迅速，容易出現(xiàn)過(guò)壓和過(guò)流，對(duì)逆變系統(tǒng)的電力電子器件造成一定損壞，這對(duì)光伏逆變系統(tǒng)的并網(wǎng)控制提出了嚴(yán)格要求。

并網(wǎng)開(kāi)關(guān)兩側(cè)光伏逆變系統(tǒng)和公用電網(wǎng)的電壓向量可表示為：

其中，iu為光伏逆變系統(tǒng)輸出電壓，gu為公用電網(wǎng)電壓；uΔ為電壓差。

造成并網(wǎng)過(guò)程電壓電流突變的原因就在于公用電網(wǎng)電壓與逆變器輸出電壓的不匹配，即存在電壓差uΔ。

并網(wǎng)的理想條件是：

（1）兩電壓的幅值相等，Ui=Ug；

（2）兩電壓的角頻率相等，ωi=ωg；

（3）并網(wǎng)瞬間的初相位相等，δi=δg。

如果能同時(shí)滿(mǎn)足上述三個(gè)條件，就可保證開(kāi)關(guān)兩側(cè)電壓向量匹配，光伏逆變系統(tǒng)與公用電網(wǎng)并網(wǎng)后即可同步運(yùn)行，并網(wǎng)瞬間不發(fā)生任何擾動(dòng)，這是最理想的并網(wǎng)狀態(tài)。實(shí)際的并網(wǎng)過(guò)程中，不可能保證上述三個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足。下面將詳細(xì)探討各個(gè)參數(shù)對(duì)電壓差的影響。

2 兩個(gè)等效電壓源幅值不相等對(duì)電壓差的影響

假設(shè)公用電網(wǎng)與光伏逆變系統(tǒng)的電壓頻率相等、初相角相等，僅幅值不相等，那么電壓差為

式中ω=ωi=ωg，δ=δi=δg，令α=ωt+δ。

由以上的分析可以得出，并網(wǎng)前電壓幅值差要限制在一定范圍內(nèi)。并且當(dāng)電網(wǎng)與光伏電源輸出的電壓頻率相等、初相角相等，僅幅值不相等時(shí)，要盡量選擇電壓過(guò)零時(shí)刻并網(wǎng)，可以很顯著地減小并網(wǎng)沖擊。

3 兩個(gè)等效電壓源相位不相等對(duì)電壓差的影響

不相等的初始相位可以產(chǎn)生相位差，運(yùn)行中頻率差的時(shí)間累積也可以造成相位差。相位差是并網(wǎng)過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題，當(dāng)幅值差為零時(shí)，即Ui=Ug=U，電壓差為

由上式可見(jiàn)電壓差由一個(gè)高頻余弦分量和一個(gè)低頻正弦分量相乘所得，它的包絡(luò)線(xiàn)體現(xiàn)了低頻正弦分量的特點(diǎn)。低頻正弦的相位正好是光伏逆變系統(tǒng)電壓和電網(wǎng)電壓的相位差的一半。當(dāng)?shù)皖l正弦的相位=kπ（k∈z）時(shí)，電壓差包絡(luò)線(xiàn)到達(dá)零點(diǎn)。如果控制光伏逆變系統(tǒng)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)在電壓差包絡(luò)線(xiàn)過(guò)零的瞬間閉合，將不會(huì)有任何沖擊。

如果ω=ωi=ωg，且初相位δ=δi=δg，則電壓差恒為零，在此條件下光伏逆變系統(tǒng)在任何時(shí)刻并網(wǎng)都不會(huì)有沖擊，這也是理想的并網(wǎng)條件。若ω=ωi=ωg，但初相角不等，則電壓差只存在高頻余弦分量，并且其包絡(luò)線(xiàn)為兩條平行直線(xiàn)，只有在高頻分量的過(guò)零點(diǎn)并網(wǎng)才不會(huì)產(chǎn)生沖擊，但過(guò)零點(diǎn)變化非常迅速，要求控制系統(tǒng)的過(guò)零檢測(cè)精度要高。綜上分析可以得出頻率差越小，電壓差的低頻分量周期越長(zhǎng)，包絡(luò)線(xiàn)的周期也越長(zhǎng)，并網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的范圍也越大。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際運(yùn)行中，并網(wǎng)前電壓的幅值和相位都存在一定差異。參照發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件，經(jīng)過(guò)大量仿真驗(yàn)證，得出光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)條件：（1）在一定的頻差下，電網(wǎng)和逆變器的電壓差呈現(xiàn)周期性的變化，變化快慢受頻差影響，頻差越大，變化越快。根據(jù)電壓差大小，一般要求頻差不超過(guò)0.4Hz。（2）在相位差過(guò)零點(diǎn)時(shí)并網(wǎng)可以保證逆變器平滑并入電網(wǎng)，為減小電壓電流沖擊，一般要求相位差不超過(guò)5°。（3）逆變器輸出電壓幅值盡量與電網(wǎng)電壓匹配，一般不高于電網(wǎng)電壓的10%。

［1］張?jiān)?我國(guó)新能源發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.中國(guó)能源，1997（7）：1-4.

［2］趙爭(zhēng)鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用［M］.北京科學(xué)出版社，2005.

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［4］王飛，余世杰等.太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào).2005，20（5）：72-74.