潘晨玥

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司寶應(yīng)縣供電分公司）

0 引言

大量開采化石能源對(duì)環(huán)境造成了非常大的影響，可持續(xù)發(fā)展的理念逐漸深入人心，因此對(duì)于太陽(yáng)能的開發(fā)和利用尤為重要。世界上的能源來(lái)自于太陽(yáng)系中的恒星，太陽(yáng)能是一種可以再生、沒有污染的能源，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)如今我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電量年均增加57.1%，光伏發(fā)電已經(jīng)成為了我國(guó)的一個(gè)新產(chǎn)業(yè)［1］。光伏發(fā)電的應(yīng)用不但可以實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)的功能，還可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電并網(wǎng)，所謂光伏發(fā)電并網(wǎng)是指光伏電池板發(fā)出電以后通過逆變器對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后并入交流電力網(wǎng)絡(luò)，供用戶使用；直流微電網(wǎng)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是不對(duì)電能進(jìn)行逆變，直接對(duì)直流電進(jìn)行控制和利用［2-3］。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及電能質(zhì)量概述

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)一般包含光伏陣列、并網(wǎng)逆變器等組成部分。對(duì)于雙級(jí)并網(wǎng)逆變器，還包含DC-DC變換器；分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般情況下還會(huì)包含有儲(chǔ)能電池。

光伏陣列就是光伏電池板，它是最基礎(chǔ)也是最核心的部分，通過光伏電池板可以把光照轉(zhuǎn)化為電能；DC-DC變換器的主要功能是把寬電壓范圍的低電壓轉(zhuǎn)化為恒定的高電壓，同時(shí)DC-DC變換器還具備最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）控制功能；光伏陣列發(fā)出的直流電需要經(jīng)過逆變器逆變成交流電再并網(wǎng)。包含儲(chǔ)能電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可調(diào)度光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和原理

（1）光伏電池

光伏電池能夠把光能轉(zhuǎn)換成電能主要是利用了P-N結(jié)的光生伏打效應(yīng)。理想情況下，光伏電池板在電路結(jié)構(gòu)上可以等效為一個(gè)電流源和二極管的并聯(lián)，但實(shí)際情況下的光伏電池板等效電路如圖2所示。其中，ID是P-N結(jié)能夠發(fā)出的總電流，Rsh是電阻損耗，Rs是漏電流的損耗。

圖2 光伏電池等效電路模型

（2）最大功率點(diǎn)跟蹤控制

光伏電池板在輸出電壓小于35V的范圍內(nèi)，輸出電流基本不變，但是當(dāng)輸出電壓大于35V的時(shí)候，輸出電流開始下降，直到變?yōu)?。對(duì)伏安特性曲線進(jìn)行積分，可以得到光伏電池板的輸出功率曲線，該曲線必定存在一個(gè)功率最大的點(diǎn)，如果光伏電池能夠工作在這一點(diǎn)，是最理想的情況。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，該功率最大點(diǎn)并不是一成不變的，隨著周圍環(huán)境如光照強(qiáng)度、溫度、障礙物遮擋等偶然因素的影響，最大功率點(diǎn)必定發(fā)生改變。

（3）光伏并網(wǎng)逆變器

光伏逆變器是直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)連接的橋梁，三相逆變器諧波含量少，通常采用并網(wǎng)三相逆變器［4-5］。圖3給出了常見的非隔離電壓型三相逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三相逆變器通常采用雙閉環(huán)控制策略，電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)共同反饋控制，提高了控制的動(dòng)態(tài)速度。一般情況采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方法，有利于功率器件的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)，諧波含量相對(duì)穩(wěn)定，有利于主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)。

圖3 非隔離型三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3是一個(gè)典型的電壓型橋式三相逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直流采用一個(gè)直流穩(wěn)壓電源等效，后級(jí)用兩個(gè)相同的電容表示，這種表示方法主要是為了引出電容的中點(diǎn)N，N點(diǎn)的電位被分裂，電容鉗位在E／2點(diǎn)。Ua、Ub、Uc分別表示三相交流電壓源。

1.3 電能質(zhì)量概述

電能質(zhì)量主要是指電壓、頻率和電流波形的質(zhì)量。常見的電能質(zhì)量不好往往是電壓不穩(wěn)定，與額定值偏差較大；頻率不固定，頻率抖動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重；電流波形失真嚴(yán)重，諧波含量大，無(wú)法保證正弦波。

根據(jù)國(guó)家規(guī)定，在380V供電系統(tǒng)中，電壓偏差的極限值不得大于7%額定電壓，頻率的偏差應(yīng)該小于±0.2Hz。諧波畸變率的定義如下：

常見的電能質(zhì)量不高的情況還有電壓波動(dòng)、三相電壓失衡等。電壓波動(dòng)是指電壓在某段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)劇烈的升高或降低而偏離額定電壓的情況，通常以百分?jǐn)?shù)形式表示，公式如下：

式中，各電壓均為有效值。

通常情況下，電壓波動(dòng)可以定義為在急劇變化的過程中，電壓波動(dòng)的最高值和最低值差值。電壓波動(dòng)一般是由較大容量的負(fù)荷投切造成。

2 光伏發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電能的作用機(jī)理

2.1 分布式光伏并網(wǎng)模型構(gòu)建與分析

低壓配電網(wǎng)屬于單電源輻射性網(wǎng)絡(luò)，但是分布式光伏電源的入網(wǎng)，實(shí)際上對(duì)低壓配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)造成了影響，本節(jié)通過對(duì)配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，同時(shí)通過數(shù)學(xué)模型分析光伏發(fā)電電源接入配電系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響。

為了方便理論分析，僅僅對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的配電網(wǎng)進(jìn)行建模分析，分析結(jié)果可以推廣到任意光伏并網(wǎng)輻射性配電網(wǎng)中。通用模型如圖4所示。

圖4 低壓配電網(wǎng)線路通用模型

根據(jù)電力系統(tǒng)的基本知識(shí)可以知道，圖4中的電壓降表示為：

第m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓為：

如果沒有分布式電源接入低壓配電網(wǎng)中，在低壓配電網(wǎng)隨能量流動(dòng)的方向上，各節(jié)點(diǎn)的電壓是隨之降低的，但是當(dāng)分布式光伏電源并入到低壓配電網(wǎng)以后，可以把分布式光伏電源看作是一個(gè)負(fù)荷。

2.2 光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)作用機(jī)理

當(dāng)電網(wǎng)下級(jí)或者上級(jí)電源的輸入或輸出功率有所變化，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)或者是閃變。光伏電源投切和光伏電池受外部環(huán)境例如光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等等方面的影響，輸出的功率會(huì)產(chǎn)生變化，最終會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)輸入功率頻繁波動(dòng)，這就是低壓配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的根源。

在通常情況下，分布式光伏電源接入配電網(wǎng)中，對(duì)公共連接點(diǎn)（PCC）處進(jìn)行建模分析是具有建設(shè)性意義的。由前文分析不難看出，光伏電池的電路模型更加接近于一個(gè)直流電流源。為了方便分析，本文將在PCC并網(wǎng)的分布式光伏電源在電路上等效為直流電流源，等效電路如圖5所示。

圖5 光伏電源接入配電網(wǎng)等效電路圖

圖5中左側(cè)分別表示分布式光伏電源的電壓相量和輸出電流相量，Rs表示電網(wǎng)的負(fù)載等效電阻，Xs表示電網(wǎng)的負(fù)載等效電抗，R1表示輸電線路的等效電阻，X1表示輸電線路的等效電抗，PCC表示分布式電源的并網(wǎng)點(diǎn)。

2.3 并網(wǎng)逆變器對(duì)電能質(zhì)量的影響

根據(jù)圖3可知，并網(wǎng)三相逆變器采用的是LC濾波電路，往往逆變器會(huì)使輸出波形具有大量的高次諧波，使用LC濾波器可以極大地衰減高次諧波。LC低通濾波器屬于無(wú)源濾波器，主要是由電容器、電抗器和電感三部分組成，一般情況下可以分為串聯(lián)三相濾波電抗和并聯(lián)三相濾波電容，濾波電容的一端需要連接到接地點(diǎn)。LC濾波器可使電容和電抗的波長(zhǎng)頻率一致，諧振頻率可以用如下公式表示：

式中，L表示電感值；C表示電容值。

畢總說(shuō)：“如今，中國(guó)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，外資品牌占據(jù)大多數(shù)市場(chǎng)份額。面對(duì)這一情況，比亞迪叉車作為民族品牌，希望能夠通過擴(kuò)大市場(chǎng)占有率，讓更多的企業(yè)認(rèn)可國(guó)內(nèi)品牌產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

因此，需要根據(jù)工程實(shí)際，整定輸出側(cè)的電容和電感，盡量減少輸出電壓諧波。并網(wǎng)逆變器處于光伏發(fā)電系統(tǒng)直流和交流相結(jié)合的重要位置，它也是光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電能的最后一個(gè)位置，會(huì)直接影響輸出電能的情況，因此對(duì)并網(wǎng)逆變器的分析具有十分重大的意義。

3 光伏并網(wǎng)對(duì)電能的影響以及解決措施

3.1 光伏并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響

根據(jù)分析結(jié)果，分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生的不利影響主要有以下幾點(diǎn)：

（1）呈輻射性網(wǎng)絡(luò)的低壓配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，配電網(wǎng)在輸電方向上電壓依次降低。

（2）分布式光伏發(fā)電通過高頻通斷的電力電子功率器件連接到配電網(wǎng)，會(huì)帶來(lái)大量諧波，對(duì)配電網(wǎng)造成了諧波污染。

（3）分布式光伏發(fā)電電源與配電網(wǎng)的功率負(fù)荷無(wú)法協(xié)調(diào)控制，甚至在某些情況下，負(fù)荷高峰出現(xiàn)在傍晚以后，此時(shí)分布式電源卻無(wú)法發(fā)出電能。

（4）當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生事故大面積停電時(shí)，各分布式光伏發(fā)電如果依舊在工作，那么各個(gè)分布式電源就處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，這就形成了孤島效應(yīng)。

3.2 改善光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量問題

針對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生的一系列問題和不利影響，本文提出了一系列的解決辦法。為了保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，本節(jié)主要針對(duì)抑制電壓波動(dòng)、降低輸出電壓的高次諧波等方面進(jìn)行研究分析。

（1）儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)在基本上成為了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié)之一。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，直流母線上并聯(lián)儲(chǔ)能電池，儲(chǔ)能電池和光伏電池相互配合，當(dāng)負(fù)荷需求的電能高時(shí)，光伏電池、儲(chǔ)能電池共同為負(fù)載提供電能，如果光伏電池?zé)o法工作，將由儲(chǔ)能電池單獨(dú)供電；當(dāng)負(fù)荷較小時(shí)，光伏電池板同時(shí)給負(fù)荷和儲(chǔ)能電池供電，很大程度上提高了供電可靠性。

（2）無(wú)功補(bǔ)償和諧波補(bǔ)償技術(shù)

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)向電網(wǎng)輸入高效電能的同時(shí)，有源濾波器能夠在動(dòng)態(tài)情況下對(duì)幅值和頻率進(jìn)行補(bǔ)償。目前來(lái)說(shuō)，廣泛被應(yīng)用的主要是并聯(lián)補(bǔ)償器。另外，可以采用無(wú)功功率電源來(lái)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，減小電網(wǎng)電壓波動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著光伏電源裝機(jī)容量的不斷增加，必然會(huì)嚴(yán)重影響電能質(zhì)量，本文對(duì)光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后電壓波動(dòng)進(jìn)行建模以及數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，得出光伏系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的影響以及解決方案，得出以下結(jié)論：

（1）并網(wǎng)逆變器是光伏系統(tǒng)的核心部分，它可以控制輸出電流，進(jìn)行孤島保護(hù)以及最大功率點(diǎn)跟蹤控制，并網(wǎng)逆變器的控制策略和參數(shù)整定都會(huì)嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。

（2）由光伏系統(tǒng)帶來(lái)的電能質(zhì)量問題主要有電壓波動(dòng)、諧波、無(wú)功控制和繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作等。為解決電壓波動(dòng)問題，由于減小光伏電源的裝機(jī)容量不具有發(fā)展性，所以從增大短路容量和改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)出發(fā)；為解決諧波問題，可采用調(diào)諧濾波器，最好采用有源濾波器；為解決無(wú)功不足問題，可采用無(wú)功功率補(bǔ)償裝置；為防止繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，可以提高裝置的靈敏度。