光伏电站接入对电能质量的影响及其对策措施研究

李自鹏 ，陆 畅 ，沈 攀 ，李 红 ，韩 杨

（1.电子科技大学 机械电子工程学院，成都 611731；2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044；3.电力电子节能技术与装备四川省重点实验室，成都 610039；4.人工智能四川省重点实验室，自贡 643000；5.国家电网平顶山供电公司，平顶山 467001）

引言

近年来，化石燃料消耗形势的日益严峻，光伏能源作为最有潜力的可再生能源正日益得到人们的重视和认同［1］。在未来的电力系统发展模式中，光伏发电在电力系统中的装机容量比例将越来越大［2］。目前，我国的太阳能发电整体呈现“大规模集中开发、中高压接入”与“分散开发、低电压就地接入”并举的发展趋势［1-3］。传统光伏电站有大型电站以及分布式电源两种形式，随着光伏发电技术的日渐成熟，大规模光伏并网运行必然成为主要的发展方向之一［3］。

国家电网发布的光伏发电站接入电力系统技术规定在功率预测、有功/无功调节、低电压穿越、运行适应性、电能质量以及并网检测等方面进行了相应的要求［4］。其明确指出光伏发电站应具备参与电力系统的调频和调峰的能力、功率预测能力以及电压控制的能力等。同时，其对光伏发电站并网点电压跌落时的运行时间和电能质量等方面也提出了相关的规定。因此，研究大型光伏电站并网对电能质量造成的影响，以及相应的对策成为了当前相关光伏电力领域研究人员共同关心的问题［1-5］。

本文分析了光伏发电的特点以及动静态建模，总结了大容量光伏并网系统对电网在电能质量、安全性与可靠性、以及配电网继电保护方面的问题和解决方案，同时考虑了在电网非对称故障、并网电压跌落和孤岛运行情况下的相应措施。

1 大容量光伏并网系统特点及建模

和风能发电相比，光伏电站直接将太阳光转化为电能而不需要任何旋转机械，具有模块化、维护成本低、环境友好等优点［2］。但是大规模的光伏电站需要占用大面积的土地资源，并且和其他可再生能源相比，间歇性的输出和低容量因素也是其发展的制约。光伏发电与风能发电、传统发电的综合比较如表1所示［4-6］。从表1可知，光伏发电输出的间歇性是对电能质量最大的影响之一；光伏发电没有旋转惯性，这使得有功功率呈阶跃性变化，降低了电网短期负荷预测的准确性［3］。

表1 光伏、风电发电和传统发电的综合比较Tab.1 Comprehensive comparison of photovoltaic，wind power and conventional power generation

1.1 大规模PV建模以及稳定性分析

光伏太阳能电池板基于光生伏特效应将太阳能转化为电能。产生的直流电经过逆变器后转化为符合要求的交流电，通过变压器或者直接接入电网。目前，已经有大量的文献讨论了光伏发电模型［7-8］，它们大多数都适用于分布式系统电能质量的研究，包括了光伏系统的电磁瞬态特性等。然而快速响应的PV建模对于系统稳定性的研究并不是必须的，需要的是针对系统机电特性进行分析。因此有学者提出了光伏通用模型［9-10］，即把变流器看作为电网提供所需电流注入的可控电流源，这种模型简单，并且适用于光伏并网系统稳定性的研究。

1.2 用于稳态分析的光伏建模

尽管大量的光伏发电机分布在太阳能发电厂内，大规模光伏电厂产生的电能仍然需要通过单个变电站传输到电网，因此在一个太阳能电厂内的光伏发电机需要汇总到一个单元。光伏电站单机等效单元示意［11］如图1所示，通过独立光伏发电单元功率求和可以达到MVA级别的等效功率。由于每个光伏单元可以提供无功功率，在稳态分析时，光伏电厂模型可以和同步发电机模型等效。

图1 光伏电站单机等效单元示意Fig.1 Sketch map of equivalent of single photovoltaic power station unit

1.3 用于动态分析的光伏建模

大规模光伏发电系统整体结构［10-11］如图2所示，从图2可以看出，PV的基频动态响应是由逆变器及其相关控制决定的。图3为网侧变流器及其控制框图［10-11］，其中变流器和PV控制作为光伏阵列和电网之间的缓冲，以响应来自发电机控制的有功和无功指令，提供注入电网所需的电流。图3中注入系统的有功功率由光伏阵列的功率值Ppv决定，Ppv=IpvVA，其中Ipv为光伏阵列电流，VA为光伏阵列电压；无功功率由无功控制产生的比较信号来决定。

图2 标准大规模光伏电站示意Fig.2 Sketch map of standard large scale photovoltaic power plant

图3 变流器及其控制框图Fig.3 Converter and control block diagram

光伏无功控制模型如图4所示。由图可以看出，根据不同的控制任务要求，控制模式可以在电压控制模式和功率因素控制模式之间切换［10-11］。在电压控制模式中，总线电压和参考电压比较得到误差信号，再通过PI控制器产生QVC送给二次无功补偿器处理。另一方面，在功率因素控制模式中，产生的有功功率和相关的功率因素相乘产生对应的QPFC用于二次控制。光伏整列的电压控制由相应带Tr和Tc时间常数的滤波器模块组成。为了在扰动时拥有更好的电压响应，PI控制器通常设置较高的增益，然而太高的增益也会降低系统的稳定性。在无功控制模型中，Qcomd信号和变流器无功功率Qgen相比较，误差信号和Ki相乘产生Verr信号。在变流器控制中，Verr和端电压比较产生无功电流指令信号Iqcomd。相比于传统光伏并网模型，上述静态或者动态光伏建模都可以用于系统特定稳定性的研究，对于并网系统机电特性的分析有良好的性能。

图4 无功控制模型Fig.4 Reactive power control model

2 大容量光伏并网对电能质量的影响

由于光伏发电的固有特性以及接入电网方式不同，大容量光伏并网必然会对电网的规划、安全稳定运行等方面带来较大的影响。为了保证并网后电网的正常稳定运行，必须深入研究光伏并网对电网造成的影响以及相应的解决对策。

2.1 电能质量的问题

光伏发电通过电力电子逆变器并网，易产生谐波、三相电流不平衡等问题，输出功率随机性易造成电网电压波动、闪变等。因此光伏并网系统对电能质量的影响主要体现在谐波污染和电压质量两个方面［12］。

2.1.1 谐波问题

光伏并网系统通过控制逆变器输出电流的频率、幅值以及跟踪电网电压相位以实现并网。由于使用了大量的非线性负载，因此会产生大量的谐波。配电网中的谐波会导致光伏电站难以并网以及发生锁相困难、功率平衡被破坏、过电压、损耗增加等问题［13］。目前，光伏逆变并网的电压总畸变率在3%～4%左右，已经超过了相关指标的要求。与此同时，在多个光伏电站并网时总谐波畸变会大大增加，因此在保证逆变器可靠运行的同时，必须降低电流的总谐波含量。

将光伏并网系统与有源滤波器APF（active power filter）功能结合，可以有效地抑制谐波和无功［14］，同时可以提高系统的利用率，不增加额外的成本。结合APF功能的光伏并网控制系统结构［16］如图5所示，图中PV经过最大功率跟踪控制得到有功电流指令信号，由指令合成单元得到需要补充的无功与谐波电流信号和控制逆变器工作的驱动信号。

图5 具有有源滤波功能的光伏并网系统结构Fig.5 Photovoltaic grid connected system with active filter

这种方法的关键问题在于无功与谐波电流补偿信号的提取，以及光伏并网有功指令信号与补偿指令信号的合成。补偿信号的提取可以通过基于瞬时无功功率理论来实现［15］，其优点是实现电路简单、延迟少、实时性高等，缺点是计算量大。因此有文献提出了改进的基于瞬时无功功率理论方法［16］，该方法可以实现单相光伏并网系统对谐波和无功的补偿功能，计算量小且没有时延。

并网指令信号的合成方法分为直接合成法与基于负载辨识的合成法。直接合成法是将补偿信号与有功指令信号进行相位及坐标系等信息的统一，直接相加到并网电流指令信号是最常见的方法［16］；基于负载辨识的合成法采用了对负载轻重与类型进行识别并采用对应方法进行指令电流的合成［17］，因此其提高了系统对负载的响应速度，考虑了逆变器的额定余量，有较大的实际意义。

2.1.2 电压质量问题

传统配电网一般呈辐射状，在稳态运行情况下，电压沿馈线潮流方向逐渐降低。由于光伏电站大多在配网负荷侧并网，配网系统运行时电网馈线传输的有功功率会减小。同时，光伏电站的实际输出功率会随着光照强度或者环境温度的变化而变化［12］。因此，除了考虑设备故障切除的因素外，还应考虑光伏电站输出功率的随机性，考虑最严重的情况，光伏电站的输出功率会突然变化为零。根据相关规定，光伏电站接入电网时，应采取必要的措施使得投切时系统电压波动满足国家有关标准，同时进行误差校核［18］。

利用电网电压和变流器输出电压之间相位差与幅值差，分别控制光伏阵列实现最大功率并网与无功调节的系统结构［19］如图6所示。电网电压与变流器之间的相位差通过MPPT算法间接控制有功电流的注入，两者的幅值差决定了无功功率的传递值，接着由重复控制器实现指定次电压谐波的消除。该光伏并网系统可以实现对电压暂降的补偿。除此之外，文献［20］针对光伏发电系统实际容量不断变化的问题，提出了一种实现优先有功并网，并利用逆变器剩余容量补偿非线性负载或电网电压畸变所引起的谐波的控制策略，其谐波部分等效电路［20］如图7所示。该方法在逆变器输出电感中设置一个虚拟点，通过实时检测逆变器当下能够提供的补偿度k实现对负载终端电压谐波的补偿，通过改变k的大小可调节逆变器补偿谐波的程度［20］。

图6 具有电压质量调节功能的光伏并网系统结构Fig.6 Photovoltaic grid connected system with voltage quality adjustment

图7 谐波分量部分的谐波等效电路Fig.7 Harmonic equivalent circuit for harmonic component

2.2 光伏并网安全性与可靠性

光伏发电系统接入电网后会对供电系统的可靠性和稳定性造成一定的影响，而电网的故障运行也会对光伏发电系统的稳定性和安全性造成危害。同时，由于电网的电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电而产生的非计划性孤岛效应也是光伏并网中不可忽视的安全问题之一。

2.2.1 电网非对称故障对光伏系统的影响

在电力系统的各种故障中，非对称故障发生的几率较大，且会对光伏系统的运行造成严重的危害，导致直流母线电压以及光伏输出功率的不稳定等［21］。因此在光伏系统在电网非对称故障情况下的故障穿越能力也需要纳入考虑范围。从原理上来分析，采用大电容可以直接降低直流母线电压的变化率，从而提高提高直流母线电压的稳定性，然而这种方法成本较高。文献［22］提出了一种控制策略，可以在电网非对称故障时保证直流母线电容电压的稳定性。

如图8所示，在电网正常运行情况下，MPPT通过DC/DC单元使得太阳能产生效率最大化。直流母线电容电压控制决定了注入DC/AC环节的有功功率，此时太阳能发电和注入电网的功率保持动态平衡以保证直流母线电压稳定［22］。在电网故障情况下，直流母线电压稳定控制策略如图9所示。控制策略从图8切换为图9，MPPT模块被替换为直流母线电压控制环，此时注入的有功功率由电压降落的深度决定，而DC/AC部分不仅控制有功功率的注入，还控制无功功率的分配［22-23］。

近几年，很多监管机构对大型分布式发电系统提出了相关的要求，规定其在电压骤降时提供电压支持［23］，这通常需要大型光伏电厂根据电压骤降深度按照比例r注入相应的无功功率。上述比例关系可表示为

在电压严重骤降的情况下，即μ≥50%，μ表示电压骤降深度［24］，注入电流甚至可以完全为无功。此时无功和有功电流i*q和i*p可以设置为

因此，有功及无功参考值的计算公式分别为

图8 直流母线电压稳定控制策略（电网正常运行情况）Fig.8 DCbusvoltagestabilitycontrol（gridnormalcondition）

图9 直流母线电压稳定控制策略（电网故障情况）Fig.9 DC bus voltage stability control（grid fault condition）

上述最大功率点跟踪控制到直流母线电压闭环控制的切换方法在光伏电站电网故障穿越时，对直流母线电压的稳定性控制效果较好。

除此之外，电网规范要求光伏并网系统在各种电网扰动的情况下仍然保证较好的电能质量。对于用户端来说，电压暂降以及供电中断是电能质量最大的影响因素。电压暂降是指供电电压有效值快速下降到额定值的90%～10%，然后回升至正常值附近现象，持续时间大多为 0.5～1.5 s。 对于发达国家来说，电压暂降与电压中断故障的发生的比例为10∶1，电压暂降时间过长会导致设备非正常停机，带来巨大的经济损失。

在电网电压暂降时，光伏电站需要通过注入无功电流来对电网电压提供支持。然而这通常会导致电网非故障相的电压过压。通常来说，无功功率注入的同时，不允许电网非故障相的电压超过额定值的110%。因此有学者提出了电网电压暂降故障时的防过压控制策略［24］，如图10所示。其无功电流分别由每相的电压压降决定，这种方法通过独立控制每相的有功/无功参考电流来防止过电压。与此同时，为了保证电网电压跌落时光伏发电站不脱网运行，注入电流值的大小也必须保证在安全范围内，所以电网非对称故障情况下的电流过流问题也需要纳入考虑范围。

如图11所示的电网故障下过电流的保护控制策略［25］通过一个参考信号发生器来限制峰值电流，对于任意一个给定的非对称电压跌落故障，这种控制方法都能通过设置两个控制参数kp与ki（kp=P+/P，kq=Q+/Q，P、Q、P+、Q+分别为有功功率、 无功功率、有功正序分量、无功正序分量）来平衡正序功率与负序功率。这种方法可以根据需求灵活的设置有功与无功功率的参考值，实现了相电流大小的安全限制，提高了设备低电压穿越的能力。

2.2.2 光伏发电孤岛现象

随着大量的光伏发电系统并接到电网，给电网保护带来新的问题，也即孤岛现象［27］。该现象的发生会造成电网电压和频率远远超出允许的范围，这样会给“孤岛”上的用电设备以及维修人员造成较大的安全隐患。为了有效地检测孤岛现象，文献［28］提出了一种实用的组合式光伏并网系统孤岛效应检测法，该方法结合了被动检测法中的过/欠压保护、过/欠频保护进行检测。这种方法克服了传统AFD法或电流幅值干扰法单独使用时存在的缺点，能够快速准确地检测出孤岛效应的发生，可以实现在高速自动重合闸动作之前停止逆变器的并网运行，具有对电网谐波影响小、检测盲区小等优点。文献［27］基于频率微小变化提出了一种功率平衡的孤岛检测方法。相比上一种方法，具有响应速度快，不影响光伏并网发电系统有功输出等特点。

图10 电网故障情况下过电压保护策略控制框图Fig.10 Control blodc diagram of over voltage protection strategy under grid fault condition

图11 电网故障情况下过电流保护策略控制框图Fig.11 Control block diagram of over current protection strategy under grid fault condition

2.2.3 对低电压穿越的要求

光伏发电系统低压穿越（LVRT）技术是指在光伏电站并网电压跌落时，光伏电站能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网电压恢复正常［30］。在电网电压跌落时，并网功率减少，逆变器输出电流瞬时增大。在电网电压跌落深度较大时，若不采取低压穿越措施，则光伏阵列发出功率与并网功率不平衡，则导致逆变器过流、直流侧电压上升和光伏变流器过流保护而停机［31-32］。

图12 各国大中型光伏电站的低电压穿越能力要求Fig.12 LVRT capability requirement of large and medium sized photovoltaic power plants in various contries

各国典型对大中型光伏电站在电网故障时的LVRT能力制定的标准如图12所示。该标准规定当光伏并网点电压在图12中电压轮廓线及以上区域时，光伏电站必须保证不间断并网运行；并网点电压在电压轮廓线以下时，允许光伏电站停止向电网线路送电［32］。在正常运行情况下，光伏逆变器一般采用输出有功、无功解耦控制，无功电流指令给定为零，单位功率因数并网。当电网电压跌落时，光伏并网逆变器运行在静止无功补偿模式，根据电网电压跌落的深度，深度越大，需要向电网补充的无功电流就越大；反之就越小。LVRT控制策略可以在原有控制策略的基础上，对有功电流的参考值重新分配来实现［33］。

3 结语

大规模光伏并网系统需要具有输出有功和无功的能力、电压控制能力，以及在光伏发电站并网特点以及动静态建模，总结了大容量光伏并网系统对电网在电能质量、安全性与可靠性、以及配电网继电保护方面的问题和解决方案。同时给出了在电网非对称故障下过电压/过电流问题、并网电压跌落和孤岛运行情况下的相应解决措施。在保证光伏发电系统电能质量、可靠性和安全性的前提下，最大程度利用太阳能发电具有重要的意义。

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