光伏发电站电能质量状况分析

摘要：由于光伏发电站发电功率取决于光照强度，导致发输出功率产生间接性和不稳定性，同时在使用逆变器将直流电转化为交流电的过程中会产生一定量的谐波电流。光伏发电通过大量电子气与电网连接，会对电网的电能质量的谐波含量、三相电压不平衡度以及闪变三项指标产生较大影响。因此，研究光伏发电关于提高电能质量的技术也就成为了新型研究的主导。文章介绍光伏发电的原理接网方式，并解析光伏发电站产生谐波对电能质量的主要影响及采取相应的解决措施。

关键词：光伏发电；电能质量；谐波；三相电压；闪变；直流电；交流电

中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）31-0115-03

近十年来，全球的太阳能光伏产业每年以41.3%的速度在增长，中国成为了世界上光伏发电技术和光伏电池组件的大国，年发电产量约占世界产量的44%，预计到2015年中国的光伏发电的装机总量将达到500万kW。由于在10KV接入、400V接入、220V接入系统中都检测到谐波电流总畸变率偏高的问题。随着容量的增大，谐波电流对电网的影响也将随之增大。于是光伏发电并网逆变器易产生谐波、三相电流相对不平衡、输出功率相对不稳定等问题容易造成电网电压的波动、闪变，因此需要对电网进行相应的电能质量处理。

1 光伏发电站发电原理以及接入电网方法

太阳的光子照射到不均匀的半导体或者金属与半导体结合的不同位置产生了电位差。根据能量之间的转化，其过程就是由光子转化为电子，光能转化为电能的过程；由于电位差形成电压，通过连接形成电流的回路，我们把这个称为光伏效应，同时这也是光伏发电站发电的原理。

根据电压等级可以将光伏发电站分为三类：一是接入电压等级为66KV及以上的电网的光伏发电站称为大型光伏发电站；二是接入电压等级为10～35KV电网的光伏发电站称为中型光伏发电站；三是接入电压等级为0.4kV低压电网的光伏发电站称为小型光伏发电站。光伏发电站由四个部分组成：光伏电池阵列、逆变器、升压变压器、控制保护装置，其发电以及接入电网的过程就是首先通过光伏电池阵列将光能转变为电能，电能以直流电的形式通过逆变器转变为交流电输出，此时的交流电是低压交流电，然后通过升压变压器将交流电的电压升压最终接入电网。一个光伏发电站的发电功率通过此发电站的光照量来衡量。光伏发电受环境的影响造成存在高次谐波含量和发电功率不稳定性，从而影响到光伏发电的电能质量。

2 光伏发电站产生谐波对电网的主要影响

某光伏发电站并网点对电能质量进行连续测量，测试时间为60小时30分钟，其中光伏发电时间为25小时20分钟，如表1所示：

测试结果表明：各项指标均合格，其中三项指标裕度很大，电压总畸变率裕度较小且最大值已超标。不同测试时间段对95%概率值有影响。

C相谐波电流最大值测试结果如下图1所示：

图1表明C相25次谐波电流最大，超过协议容量允许值。且95%概率值也已经超过允许电流，但95%概率值还在合格范围内。

2.1 高次谐波含量

通过测量研究表明，电力系统中的三相交流发电机输出的电压的波形通常情况下为正弦波，所谓的正弦波就是波形中近似无直流及高次谐波的分量。对于基波就是对称分量，三相向量之和为零，这样就对外不会形成电磁场。但是对于谐波电流的分量的三相向量之和不等于零，会形成强大的磁场，对光伏发电站的电能质量产生影响。高次谐波源向整个电网注入了整倍于基波频率的谐波电流。谐波电流在电网上产生谐波降压，必然会导致整个电网电压和电流的波形产生变化，直接导致了光伏发电站电能质量的不断下降。

研究发现，光照强度对于光伏发电站输出的谐波影响显著。光伏发电站中通常采用的脉冲宽度调制技术将直流电转化为交流电的过程中都会产生不同的谐波。由于采用脉冲宽度调制技术的逆变器主要目的就是为了降低低频次谐波含量对电网的电能质量的影响，但同时也丢失了抑制高频次谐波含量的能力，导致谐波中的低频次的含量低。

2.2 发电功率的不稳定性

光照强度对于光伏发电站的输出功率同样存在着巨大的影响。光伏发电的输出功率具有波动性、间歇性、周期性这三个主要特点，这就造成了对电网电压的波动闪变。尤其是光伏发电在如今发电形式的比例越来越重要的情况下，它的三个主要特点对用电电网的调节影响也会越来越明显，最终很有可能造成整个电网频率的上下波动。

3 提高光伏发电电能质量的技术措施

3.1 提高并网点短路容量

通过提高光伏发电站并网电压等级并选择短路容量水平比较高的变电站作为电站接入点，既提高电压的波动与闪变，又能提高电压的不平衡度和谐波等指标的合格率。

3.2 电能控制装置在光伏发电系统中的应用

传统的电网电能质量治理装置在光伏发电系统中依然使用，例如APF、DSTATCCOM和SVC等同样可用于大规模的光伏发电站作为无功补偿和谐波治理装置。同时，光伏微源本身具有功率响应积极、有功无功分别可调等优点，可以担当一定的电能质量调节任务，与电能质量治理装置联合使用，从而改善电能质量。

伴随着光伏发电系统渗透率的提高，电能质量的控制难度也在加大，传统的电能治理点如无功补偿节点、有源滤波器的投入节点、电能质量的检测点等都需要重新确定。传统的电能质量治理方案也需要改进。利用光伏并网逆变主电路的特点，将光伏并网的发电控制与无功补偿、有源滤波相结合，有效地进行光伏并网发电的同时，还可以对电网中的无功和谐波进行补偿或抑制，提高电网电能质量。

3.3 增加一定的调压设备

在配电系统中，传统的谐波抑制和无功补偿方法是将无源电力滤波器与需补偿的非线性负荷并联，为谐波提供一个低阻通路的同时，也提供负载所需的无功功率，这是最常见和实用的方法。该装置利用电感和电容器贮能元件。根据谐振原理，通过滤波电路对需要消除的高次谐波进行调谐，使之发生谐振。以便其在谐振时得到阻抗最小的特性，有效消除指定次数的谐波，并在谐波源附件就地吸收谐波电流，从而不使其注入电网中去。该装置的优点是投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便，运行费用也低，不但起到滤波作用，还能进行无功补偿。因此，无源滤波器是目前广泛采用的抑制谐波及无功补偿的重要手段。但该方法的补偿特性受电网阻抗、频率和运行工况的影响，只能起到对某几次固定频率谐波的抑制效果，而很可能对其他次谐波有放大作用，使滤波器过载甚至烧毁。另外，LC滤波电路会因系统阻抗参数变化而产生与系统并联谐振问题，影响和后果严重。

4 结语

光伏发电技术依旧是一个相对较新的研究领域，人们需要不断地探索总结去提高光伏发电站的电能质量，同时把光伏发电这一绿色环保的新能源作为今后的主要能源。通过本文可以了解光伏发电站接入电网后主要的电能质量问题是谐波。谐波注入是否合格是由接入点的短路容量、接入光伏站的容量以及逆变器注入电网的谐波电流决定的。

参考文献

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作者简介：林松辉（1968-），男，广东揭阳人，广东电网公司河源供电局助理工程师，研究方向：电子工程。

（责任编辑：秦逊玉）