低压配网中光伏发电系统的电能质量分析

凌红星, 沈秀兰, 高金兰, 张页

（1. 长兴县供电局, 浙江长兴313100; 2. 上海市供电设计有限公司, 上海200233）

低压配网中光伏发电系统的电能质量分析

凌红星1, 沈秀兰2, 高金兰2, 张页1

（1. 长兴县供电局, 浙江长兴313100; 2. 上海市供电设计有限公司, 上海200233）

当前光伏发电系统在低压配电网中的应用日益增多。由于光伏系统本身的非线性特性以及出力的随机性，其并网时出力的波动必然会影响电网的电能质量。本文通过建立一个低压配网中的光伏发电模型，研究其并网时所产生的主要电能质量问题。考虑当光伏发电系统采用基于最大功率跟踪（MPPT）的有功无功解耦（PQ）控制方式时，在外部光照强度发生波动的影响下，观察光伏发电系统并网输出功率、电压及电流的波动，分析对低压配网照成的电能质量问题。通过仿真发现，在外部光照发生剧烈变化时，输出波动较大，光伏系统会向电网注入大量谐波,对电网的电能质量产生较大影响。

光伏发电系统 电能质量 谐波电压 谐波电流

0 引言

随着光伏电池的发展，光伏发电实现了通过逆变器等装置并网并对负载供电的技术。采用光伏发电可以减少对不可再生能源的需求同时更具环保特性。然而由于光伏发电系统的非线性特性使得光伏电源在对电网提供电能的同时也给电网带来了大量的电压和电流谐波[1]。

导致光伏发电系统并网时产生谐波的主要原因为：1）光伏发电系统本身由非线性元件组成，以低压配电网中的光伏发电系统为例，主要包括光伏电池、DC/DC变换器、逆变装置、滤波装置等，其中逆变装置为谐波产生的主要原因。2）天气环境的改变也会导致大量的谐波产生。光伏发电系统受天气影响较大，在多云天气，发电功率会出现剧烈的变化，最大变化率会超过10%额定出力，变化频度每小时超过10次。频繁变化的功率输出必然会导致光伏发电系统输出的电压出现波动，并入电网的电流出现谐波。

本文通过建立并网光伏发电系统各部分的数学模型，分析其工作原理、运行特性及控制策略，进而研究光伏发电系统的电能质量影响因素。对体现电能质量的若干参数如电压波动、电流波动、电压畸变率（THDV）等[2]进行分析，总结了低压配网系统中光伏发电系统的主要电能质量影响因素。

1 并网光伏系统的模型

1.1 光伏电池的工程模型

光伏电池的工程数学模型是基于电池本身短路电流Isc，开路电压Uoc，最大功率点电压Ump，最大功率点电流Imp，以及这些参数的温度系数实现的[3]。其对应的U-I特性方程为：

式中C1，C2是利用开路电压Uoc，短路电流Isc，最大功率点电压Ump，最大功率点电流Imp所计算出来的两个修正系数。计算公式为：

当厂商给出光伏电池的上述四个典型参数后，C1，C2便可确定。实际上，光伏电池在运行过程中，上述的四个参数会随着运行条件的变化而变化，例如当光照强度和温度改变时，开路电压Uoc，短路电流Isc，最大功率点电压Ump，最大功率点电流Imp也跟着改变，光照和温度对这四个参数的影响可以用下述公式表述：

式中：△T—实际温度与标准温度的差值；△S—实际光照强度与标准光照强度的差值相对于标准光照强度的值；Isc-new—光照强度和温度改变后新的短路电流值；a—电流受温度影响的修正系数，其典型值为a=0.00055；Uoc-new—光照强度和温度改变后新的开路电压值；c—电压受温度影响的修正系数，其典型值为c=0.00288；b—电压受光照强度影响的修正系数，其典型值为b=0.5；Imp-new—光照强度和温度改变后新的最大功率点电流值；Ump-new—光照强度和温度改变后新的最大功率点电压值。

当光照条件或温度改变时，通过上述更新的参数重新确定C1，C2从而得出这一运行条件下的光伏阵列的输出特性曲线。

本论文采用光伏CHSM-6610P的四个基本参数建立了其对应的光伏电池模型，并对该模型进行仿真验证。图1显示了当光强分别为1200 W/m2、1000 W/m2、800 W/m2、600 W/m2，温度为25°C时，单个光伏电池的I-U特性曲线和P-U特性曲线。

光伏电池输出功率的大小受光照强度、温度等外界环境的影响，并且波动较大。因此功率的波动必然会影响输出电压电流的稳定性。

1.2 MPPT控制和逆变器的模型

光伏电池是一种非线性的直流电源，输出功率在某一环境下总有一个最大值，因此一般采用最大功率点跟踪（MPPT）技术使光伏电池不断调整自身工作点从而获得最大的输出功率。获得最大功率的方法有很多，本模型中采用的为扰动观察法，它通过不断改变工作点并测量输出功率，最终找到真正的最大功率点[4]。

三相并网逆变器的典型拓扑结构如图 2 所示。图中采用的是三相电压型桥式并网逆变器，滤波器为单电感滤波器，三相电感均为L，R是线路电阻，ea、eb和ec是三相交流电源ia、ib和ic是三相并网电流，E为直流电源，N为直流侧虚拟中点，O为交流侧中点。对于其他形式的拓扑结构，其分析只需进行拓扑方面的相应改变。

本文采用电压型全桥逆变器，控制系统选择基于有功无功解耦的控制方式。有功控制方式采用通过MPPT实现的最大功率跟踪。无功功率控制，采用稳定电压控制方式。控制策略如图3所示。

2 光伏系统并网的电能质量分析

为了验证光伏系统对低压配网的谐波、畸变率等相关电能质量问题的影响。将光伏发电系统并入低压配电网系统中。通过对光伏系统在并网节点的电能质量问题进行分析，观察光伏系统对配网的影响。

首先对运行条件为：0—0.5 s：太阳辐照度S=1000 W/m2，电池温度T=25°C；0.5—1 s：太阳辐照度S= 700 W/m2，电池温度T=25°C的光伏并网发电系统进行仿真，分别讨论交流母线处的入网电压、入网电流及注入电网功率的畸变情况。

图4（a）为光伏发电系统输出的功率。由图可知，光伏电源并网后，有功功率变化范围会自动跟踪光伏最大输出功率。图4(b)为光伏电源并网后的电网电压，从图上可以看到电压会由于功率的波动出现波动。

图5为光伏直流系统经逆变器逆变之后并入电网的电压和电流的有效值，由图可知，在0.5 s光伏系统出现光照出现波动时，由于输出功率收到影响，直流侧输出电压易收到波动，因此在波动瞬间电压受控制策略影响，出现波动，随后电压保持稳定输出。而电流同样由于光伏输出功率波动的影响跟随输出波动。

图6（a）为系统电压在0.2 s时的FFT频谱图，即光照强度为稳定1000 W/m2时的电压频谱分析，对应THD（电压畸变率）为0.1%。

图6（b）为系统电压在0.5 s时的FFT频谱图，即光照强度出现波动，从1000 W/m2降至700 W/m2的过程中，输出至电网电压的频谱分析，其对应的THD（电压畸变率）为0.82%，很显然在光伏电源由于光照强度的变化导致输出功率波动的过程中，输出的交流并网电压也会受到波动影响，从而产生比稳定运行时更多的谐波，注入电网。

图6（c）为系统电压在0.8时的FFT频谱图，此时光照强度已经稳定至700 W/m2，故对应光伏电源输出并至电网电压又维持平衡，从而谐波大量减少，THD（电压畸变率）下降至0.08%。

图7为入网电流波形分析，图7（a）系统流在0.2 s时的FFT频谱图，即光照强度为稳定1000 W/m2时的电压频谱分析，对应THD（电压畸变率）为2.17%。

图7（b）为系统电流在0.5 s时的FFT频谱图，即光照强度出现波动，从1000 W/m2降至700 W/m2的过程中，输出至电网电流的频谱分析，其对应的THD（电压畸变率）为36.06%，很显然光伏电源输出的交流并网电流会受到很大影响，从而产生比稳定运行时更多的谐波，注入电网。图7（c）为系统电流在0.8 s时的FFT频谱图，此时光照强度已经稳定至700 W/m2，故对应光伏电源输出并至电网电压又维持平衡，从而谐波大量减少，THD（电压畸变率）下降至2.17%。

3 总结

由于光伏系统的非线性特性，在并网时会对电网产生谐波电控制并网谐波成分，使其稳定输出。但光伏发电系统在由于光照强度变化，温度变换等环境变换导致其输出功率产生改变时，由于采用最大功率跟踪，输出电压电流均会随之波动，在并网过程中会产生比正常工作时多的谐波分量，从而导致并入的电网中在此过渡过程中含有大量谐波，如果光伏发电由于环境多变，则输出功率也会随之多变，从而会导致电网中出现更多谐波含量。

[1] 雷一, 赵争鸣. 大容量光伏发电关键技术与并网影响综述[J]. 电力电子, 2010, (03): 16-23.

[2] 程浩忠. 电能质量讲座 第四讲 谐波的产生和危害[J]. 低压电器, 2007, (08):54-58.

[3] 刘东冉， 陈树勇，马敏等. 光伏发电系统模型综述[J]. 电网技术，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

凌红星(1966-),男，高级工程师。研究方向：电力安全，电力调动自动化。