倪賽賽， 陳仕彬， 劉科

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050；2.中國能源建設(shè)集團甘肅省電力設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

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基于功率區(qū)間劃分的光伏電能質(zhì)量測試與分析

倪賽賽1， 陳仕彬1， 劉科2

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050；2.中國能源建設(shè)集團甘肅省電力設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

甘肅是我國太陽能資源最豐富的地區(qū)之一，已經(jīng)建設(shè)了一批大型光伏發(fā)電站。在高效利用光伏資源的同時，光伏發(fā)電站并網(wǎng)點電能質(zhì)量一直是需要關(guān)注的問題。根據(jù)光伏發(fā)電站輸出功率波動的特點，按照輸出功率劃分測試數(shù)據(jù)，分析并網(wǎng)點三相不平衡度、閃變、電流諧波、間諧波、高頻分量等指標，研究光伏輸出的電能質(zhì)量測試問題。通過對甘肅河西某50 MWp光伏發(fā)電站不同輸出功率下電能質(zhì)量實測，對比分析得到輸出功率波動對并網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

光伏發(fā)電站；功率區(qū)間劃分；電能質(zhì)量；間諧波；電流高頻分量

0 引 言

甘肅省太陽能資源豐富，總儲量達72萬億千瓦，開發(fā)利用潛力巨大[1]。特別是甘肅河西大部分地區(qū)日照時間長、強度高，并且有著大面積未利用的沙漠戈壁，具有開發(fā)建設(shè)大型太陽能發(fā)電基地的優(yōu)良條件[2]。截止2015年12月底甘肅并網(wǎng)光伏總?cè)萘窟_到583萬千瓦，裝機規(guī)模位居全國各省區(qū)第一位。

不同于傳統(tǒng)火電、水電等能源，光伏發(fā)電輸出功率與太陽輻照度和環(huán)境氣象條件直接相關(guān)，受夜晚、陰天、灰塵、環(huán)境溫度和光伏板安裝位置及角度等因素的影響。光伏發(fā)電的輸出功率在全天中具有較大的波動性，導(dǎo)致并網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量問題突出[3-5]。

本文以甘肅河西某大型光伏發(fā)電站電能質(zhì)量實測為例，按輸出功率區(qū)間分析光伏發(fā)電站三相不平衡度、閃變、諧波等電能質(zhì)量指標，評估光伏發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量水平，研究輸出功率波動影響電能質(zhì)量的因素，為電網(wǎng)電能質(zhì)量治理提供參考。

1 電能質(zhì)量測試方案

電能質(zhì)量測試裝置接在被測光伏發(fā)電站并網(wǎng)點處，采樣頻率大于20 kHz，連續(xù)監(jiān)測光伏發(fā)電站從正常運行最小功率到所配逆變器總額定功率100%內(nèi)的電流電壓數(shù)據(jù)，光伏發(fā)電站并網(wǎng)電能質(zhì)量測試如圖1所示。

按照光伏發(fā)電站逆變器總額定功率PE為基準，每10%PE劃分為一個功率測試區(qū)間，每個功率區(qū)間至少收集2個10 min時間序列瞬時電流電壓測量值。為得到電能質(zhì)量分析需要的測試數(shù)據(jù)，需要對光伏電站按照輸出功率進行篩選。首先按照每3 s計算一次平均功率并標記所在功率區(qū)間，比較連續(xù)200個3 s平均功率區(qū)間標記，確定10 min內(nèi)數(shù)據(jù)是否位于同一功率區(qū)間。若標記一致則按照所在功率區(qū)間儲存數(shù)據(jù)，若標記不一致則重新測試。0～100%額定功率10個功率測試區(qū)間分別得到2組測試數(shù)據(jù)，均滿足要求后結(jié)束測試，按功率區(qū)間開展電能質(zhì)量指標分析并出具對比分析報告。

圖1 光伏發(fā)電站并網(wǎng)電能質(zhì)量測試圖

2 電能質(zhì)量指標分析

光伏發(fā)電站電能質(zhì)量指標包括三相不平衡度、閃變、諧波、間諧波以及高頻分量等。

三相不平衡度為電壓/電流負序分量相對于正序分量的百分比值。實際測試過程中測試裝置每200 ms得到三相不平衡計算值，按3 s時段計算三相不平衡度的方均根值。在10 min功率區(qū)間排序得到95%概率大值與測量值中的最大值。

光伏發(fā)電站輸出功率受天氣影響而頻繁變動會引起并網(wǎng)點母線電壓的波動，若電壓峰值變動過快則會引起電壓閃變。電壓閃變會使照明燈具的燈光發(fā)生閃爍，可能會刺激人的視覺神經(jīng)等[6]。對于長時間閃變的計算在得到兩個10 min功率區(qū)段下的短時間閃變值后根據(jù)《GB/T 12326-2008 電能質(zhì)量 電壓波動和閃變》的方法進行計算。另外為準確分析光伏發(fā)電站單獨運行長時間閃變，需要剔除背景長時間閃變值。

為全面了解光伏電站輸出電流諧波，對每個功率區(qū)間電流進行離散傅里葉變換分析。對于50 Hz電力系統(tǒng)，時間窗TW取10個基波周期，即為200 ms。兩條連續(xù)的頻譜線之間的頻率間隔是時間窗的倒數(shù)，因此利用離散傅里葉變換得到的兩條連續(xù)頻譜線間的頻率間隔是5 Hz。諧波子群有效值通過計算工頻整數(shù)次譜線及相鄰譜線的方和根值得到。間諧波是指非工頻頻率整數(shù)倍的諧波，與整數(shù)次諧波頻譜共同占有整個傅里葉頻譜。間諧波中心子群電流有效值利用相鄰諧波間7條未參與諧波計算頻譜線的方和根值歸算得到。

目前的諧波分析一般分析至50次諧波含量，對于更高的高頻分量引入電流的高頻分量概念來分析。電流的高頻分量是指頻率超過2 kHz低于9 kHz的信號分量。對光伏發(fā)電站輸出電流以100 ms為時間窗進行傅里葉變換，得到以10 Hz為間隔的高頻譜線。按照200 Hz寬的頻帶分組，第一個頻帶的中心頻率為2.1 kHz，按照諧波計算類似的方法得到中心頻率從2.1 kHz～8.9 kHz的電流高頻分量。

3 電能質(zhì)量實測分析

3.1 光伏電站概況

河西某大型光伏發(fā)電站總裝機容量50 MWp，采用模塊化設(shè)計，電池矩陣分為50個方陣。工程采用二級匯流結(jié)構(gòu)后送至光伏逆變器，逆變后輸出三相交流電，再經(jīng)過一臺雙分裂繞組箱式變壓器至35 kV饋線，匯集后通過主變壓器升壓至110 kV母線，通過一回線路送出。光伏電站配置一臺SVG調(diào)節(jié)110 kV電壓，可在感性10 Mvar-容性10 Mvar的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。光伏發(fā)電站主接線圖如圖2所示。

圖2 某大型光伏發(fā)電站主接線圖

3.2 三相不平衡度

圖3所示給出了負序電壓、負序電流不平衡度數(shù)據(jù)。

圖3 負序電壓/電流三相不平衡度曲線

從圖3得到負序電壓不平衡度在較大范圍內(nèi)變化，但均滿足公共連接點負序電壓不平衡度小于2%的要求。負序電流三相不平衡度除在0～10%功率區(qū)間較大外，在其他9個功率區(qū)間變化很小，穩(wěn)定在0.4%左右。在小功率區(qū)間內(nèi)電流容易受外界干擾，導(dǎo)致不平衡度較大。光伏電站輸出電流、電壓三相不平衡度從整體來看均未超過限值，不隨功率的變化而變化。線路三相不平衡將導(dǎo)致無功損耗增加，加快設(shè)備老化速度，影響用電設(shè)備的正常使用[7]。

3.3 電壓閃變

表1所示給出了測試過程中單獨引起的長時間閃變Plt數(shù)值。

表1 電壓長時間閃變

由表1得到電壓長時間閃變在功率變化過程中變化不大，長時間閃變最大值為0.224 1，遠小于電能質(zhì)量閃變國標110 kV電壓等級1的限值要求。

3.4 電流諧波分析

圖4所示給出了各個功率區(qū)間的電流諧波2～50次含量有效值。

圖4 2～50次諧波電流有效值

從圖4上可以看到每個功率區(qū)間內(nèi)電流諧波含量變化趨勢基本一致。電流諧波含量較大的為3次、5次、7次諧波，其余稍大含量主要集中在6n±1次。對于3次、4次諧波，隨著輸出功率的增加，諧波電流含量明顯增大。6n±1次諧波含量較高反映出光伏電站諧波電流主要由6脈沖的光伏逆變器電力電子元器件變換產(chǎn)生。電流諧波含量是否合格是由并網(wǎng)接入點的短路容量、光伏電站的裝機容量、供電容量等因數(shù)決定[8]。光伏電站接入變電站供電容量為360 MVA，110 kV最小短路容量為2 899 MVA，光伏電站用戶協(xié)議容量為50 MVA，計算得到主要次諧波電流限值如表2所示。各次電流諧波含量均未超過限值。

表2 主要次諧波電流限值

計算各功率區(qū)間的總諧波畸變率如表3所示，總諧波畸變率隨基波功率增大而逐漸減小，從30%額定功率之后電流諧波總畸變率基本維持在1%左右。

表3 電流總諧波畸變率

3.5 間諧波分析

各功率區(qū)間中心頻率在2 kHz以下間諧波有效值如圖5所示。

圖5 電流間諧波有效值

從間諧波變化趨勢來看，875 Hz中心頻率的間諧波含量較大，最大為0.068 6 A。從電力系統(tǒng)間諧波來源看，一方面是由于計算方法產(chǎn)生的頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)造成，另一方面為變頻裝置、波動負荷、鐵磁諧振、同步串級調(diào)速裝置和感應(yīng)電動機等因素造成[9]。光伏電站輸出負荷波動較大、使用大量逆變器、裝設(shè)靜止無功補償裝置以及鐵磁諧振等是產(chǎn)生間諧波的原因。間諧波對于光伏電站的危害主要在于使電器設(shè)備過負荷和發(fā)熱、增加電力電纜的損耗，降低功率因數(shù)，可能會引起過電壓導(dǎo)致無功補償裝置損壞，影響電力儀表和電能計量等[10]。

3.6 高頻分量

圖6 電流高頻分量有效值

各功率區(qū)間的高頻分量有效值如圖6所示。

每個功率區(qū)間內(nèi)電流高頻分量含量變化趨勢一致，其中2.3 kHz、2.9 kHz電流高頻分量較大，3.3 kHz以后電流高頻分量較小，均在0.02 A以下。光伏電站電流高頻分量應(yīng)引起關(guān)注，高頻分量可能與光伏自振蕩頻率構(gòu)成諧振回路，誘發(fā)有害的諧振過電壓[11]。

4 結(jié)束語

甘肅省太陽能資源豐富，已開發(fā)建設(shè)大量光伏發(fā)電站。電能質(zhì)量問題成為影響光伏發(fā)電站并網(wǎng)的重要因素。光伏發(fā)電站輸出功率波動較大，按照輸出功率劃分測試區(qū)間分析電能質(zhì)量指標，可以對比分析功率波動因素對電能質(zhì)量的影響。通過對河西某50 MWp大型光伏發(fā)電站電能質(zhì)量實測得到：

(1)根據(jù)提出的輸出功率劃分方法和測試流程，解決了光伏發(fā)電站按照功率區(qū)間開展電能質(zhì)量測試的問題。通過光伏發(fā)電站實測表明了測試方案的可行性。

(2)分析了三相不平衡度、閃變、電流諧波、間諧波及高頻分量等電能質(zhì)量指標計算方法。通過分析實測的光伏發(fā)電站電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，各項指標均滿足國標要求。

(3)實測分析得到光伏發(fā)電站電能質(zhì)量各項指標在各個功率區(qū)間段內(nèi)變化趨勢基本一致。另外從特征諧波來看，光伏發(fā)電站使用大量電力電子設(shè)備也是影響電能質(zhì)量的重要因素，應(yīng)注重逆變器、靜止無功補償裝置等設(shè)備的實測分析。

(4)為進一步分析光伏電站電能質(zhì)量問題，需要建立覆蓋全省的光伏電站電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，持續(xù)開展電能質(zhì)量在線監(jiān)測，研究大規(guī)模光伏發(fā)電站接入對地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

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Test and Analysis of Photovoltaic Power Quality Based on Power Interval Division

Ni Saisai1, Chen Shibin1, Liu Ke2

(1. State Grid Gansu Electric Power Research Institute, Lanzhou Gansu 730050, China;2. Gansu Electric Power Design Institute of China Energy Construction Group, Lanzhou Gansu 730050, China)

Gansu is an area with the most abundant solar energy resources where a number of large-scale photovoltaic power plants have been built. At the same time of efficient use of solar resources, the power quality of solar power stations at grid connection spot has been the issue for concern. In accordance with the fluctuation characteristics of the power output by PV power plant, the test data are grouped as per to the output power with an analysis of the indices of the grid connection spot including triphase asymmetry, flicker, current harmonics, inter-harmonics and high frequency components to investigate the test issues of the power quality output by PV power plant. Through the actual measurement and comparative analysis of the power quality under different output power in a 50MWp PV power station located at Hexi Gansu it is available to obtain the impact of output power fluctuations to the power quality connected to the grid.

PV power plant；power interval division；power quality；inter-harmonics；high-frequency component in the current

國網(wǎng)甘肅省電力公司科技項目(522722140045)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.022

TM615;TP277

A

1000-3886(2016)04-0068-03

倪賽賽(1984-)，男，江蘇啟東人，碩士，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)故障分析與繼電保護技術(shù)研究。 陳仕彬(1984-)，男，山東青島人，碩士，工程師，研究方向：電能質(zhì)量與新能源并網(wǎng)檢測 劉科(1983-)，女，陜西大荔人，碩士，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)研究與設(shè)計。

定稿日期: 2016-04-19