基于功率区间划分的光伏电能质量测试与分析

倪赛赛， 陈仕彬， 刘科

(1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050；2.中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司，甘肃 兰州 730050)



基于功率区间划分的光伏电能质量测试与分析

倪赛赛1， 陈仕彬1， 刘科2

(1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050；2.中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司，甘肃 兰州 730050)

甘肃是我国太阳能资源最丰富的地区之一，已经建设了一批大型光伏发电站。在高效利用光伏资源的同时，光伏发电站并网点电能质量一直是需要关注的问题。根据光伏发电站输出功率波动的特点，按照输出功率划分测试数据，分析并网点三相不平衡度、闪变、电流谐波、间谐波、高频分量等指标，研究光伏输出的电能质量测试问题。通过对甘肃河西某50 MWp光伏发电站不同输出功率下电能质量实测，对比分析得到输出功率波动对并网电能质量的影响。

光伏发电站；功率区间划分；电能质量；间谐波；电流高频分量

0 引 言

甘肃省太阳能资源丰富，总储量达72万亿千瓦，开发利用潜力巨大[1]。特别是甘肃河西大部分地区日照时间长、强度高，并且有着大面积未利用的沙漠戈壁，具有开发建设大型太阳能发电基地的优良条件[2]。截止2015年12月底甘肃并网光伏总容量达到583万千瓦，装机规模位居全国各省区第一位。

不同于传统火电、水电等能源，光伏发电输出功率与太阳辐照度和环境气象条件直接相关，受夜晚、阴天、灰尘、环境温度和光伏板安装位置及角度等因素的影响。光伏发电的输出功率在全天中具有较大的波动性，导致并网侧电能质量问题突出[3-5]。

本文以甘肃河西某大型光伏发电站电能质量实测为例，按输出功率区间分析光伏发电站三相不平衡度、闪变、谐波等电能质量指标，评估光伏发电并网电能质量水平，研究输出功率波动影响电能质量的因素，为电网电能质量治理提供参考。

1 电能质量测试方案

电能质量测试装置接在被测光伏发电站并网点处，采样频率大于20 kHz，连续监测光伏发电站从正常运行最小功率到所配逆变器总额定功率100%内的电流电压数据，光伏发电站并网电能质量测试如图1所示。

按照光伏发电站逆变器总额定功率PE为基准，每10%PE划分为一个功率测试区间，每个功率区间至少收集2个10 min时间序列瞬时电流电压测量值。为得到电能质量分析需要的测试数据，需要对光伏电站按照输出功率进行筛选。首先按照每3 s计算一次平均功率并标记所在功率区间，比较连续200个3 s平均功率区间标记，确定10 min内数据是否位于同一功率区间。若标记一致则按照所在功率区间储存数据，若标记不一致则重新测试。0～100%额定功率10个功率测试区间分别得到2组测试数据，均满足要求后结束测试，按功率区间开展电能质量指标分析并出具对比分析报告。

图1 光伏发电站并网电能质量测试图

2 电能质量指标分析

光伏发电站电能质量指标包括三相不平衡度、闪变、谐波、间谐波以及高频分量等。

三相不平衡度为电压/电流负序分量相对于正序分量的百分比值。实际测试过程中测试装置每200 ms得到三相不平衡计算值，按3 s时段计算三相不平衡度的方均根值。在10 min功率区间排序得到95%概率大值与测量值中的最大值。

光伏发电站输出功率受天气影响而频繁变动会引起并网点母线电压的波动，若电压峰值变动过快则会引起电压闪变。电压闪变会使照明灯具的灯光发生闪烁，可能会刺激人的视觉神经等[6]。对于长时间闪变的计算在得到两个10 min功率区段下的短时间闪变值后根据《GB/T 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变》的方法进行计算。另外为准确分析光伏发电站单独运行长时间闪变，需要剔除背景长时间闪变值。

为全面了解光伏电站输出电流谐波，对每个功率区间电流进行离散傅里叶变换分析。对于50 Hz电力系统，时间窗TW取10个基波周期，即为200 ms。两条连续的频谱线之间的频率间隔是时间窗的倒数，因此利用离散傅里叶变换得到的两条连续频谱线间的频率间隔是5 Hz。谐波子群有效值通过计算工频整数次谱线及相邻谱线的方和根值得到。间谐波是指非工频频率整数倍的谐波，与整数次谐波频谱共同占有整个傅里叶频谱。间谐波中心子群电流有效值利用相邻谐波间7条未参与谐波计算频谱线的方和根值归算得到。

目前的谐波分析一般分析至50次谐波含量，对于更高的高频分量引入电流的高频分量概念来分析。电流的高频分量是指频率超过2 kHz低于9 kHz的信号分量。对光伏发电站输出电流以100 ms为时间窗进行傅里叶变换，得到以10 Hz为间隔的高频谱线。按照200 Hz宽的频带分组，第一个频带的中心频率为2.1 kHz，按照谐波计算类似的方法得到中心频率从2.1 kHz～8.9 kHz的电流高频分量。

3 电能质量实测分析

3.1 光伏电站概况

河西某大型光伏发电站总装机容量50 MWp，采用模块化设计，电池矩阵分为50个方阵。工程采用二级汇流结构后送至光伏逆变器，逆变后输出三相交流电，再经过一台双分裂绕组箱式变压器至35 kV馈线，汇集后通过主变压器升压至110 kV母线，通过一回线路送出。光伏电站配置一台SVG调节110 kV电压，可在感性10 Mvar-容性10 Mvar的范围内调节。光伏发电站主接线图如图2所示。

图2 某大型光伏发电站主接线图

3.2 三相不平衡度

图3所示给出了负序电压、负序电流不平衡度数据。

图3 负序电压/电流三相不平衡度曲线

从图3得到负序电压不平衡度在较大范围内变化，但均满足公共连接点负序电压不平衡度小于2%的要求。负序电流三相不平衡度除在0～10%功率区间较大外，在其他9个功率区间变化很小，稳定在0.4%左右。在小功率区间内电流容易受外界干扰，导致不平衡度较大。光伏电站输出电流、电压三相不平衡度从整体来看均未超过限值，不随功率的变化而变化。线路三相不平衡将导致无功损耗增加，加快设备老化速度，影响用电设备的正常使用[7]。

3.3 电压闪变

表1所示给出了测试过程中单独引起的长时间闪变Plt数值。

表1 电压长时间闪变

由表1得到电压长时间闪变在功率变化过程中变化不大，长时间闪变最大值为0.224 1，远小于电能质量闪变国标110 kV电压等级1的限值要求。

3.4 电流谐波分析

图4所示给出了各个功率区间的电流谐波2～50次含量有效值。

图4 2～50次谐波电流有效值

从图4上可以看到每个功率区间内电流谐波含量变化趋势基本一致。电流谐波含量较大的为3次、5次、7次谐波，其余稍大含量主要集中在6n±1次。对于3次、4次谐波，随着输出功率的增加，谐波电流含量明显增大。6n±1次谐波含量较高反映出光伏电站谐波电流主要由6脉冲的光伏逆变器电力电子元器件变换产生。电流谐波含量是否合格是由并网接入点的短路容量、光伏电站的装机容量、供电容量等因数决定[8]。光伏电站接入变电站供电容量为360 MVA，110 kV最小短路容量为2 899 MVA，光伏电站用户协议容量为50 MVA，计算得到主要次谐波电流限值如表2所示。各次电流谐波含量均未超过限值。

表2 主要次谐波电流限值

计算各功率区间的总谐波畸变率如表3所示，总谐波畸变率随基波功率增大而逐渐减小，从30%额定功率之后电流谐波总畸变率基本维持在1%左右。

表3 电流总谐波畸变率

3.5 间谐波分析

各功率区间中心频率在2 kHz以下间谐波有效值如图5所示。

图5 电流间谐波有效值

从间谐波变化趋势来看，875 Hz中心频率的间谐波含量较大，最大为0.068 6 A。从电力系统间谐波来源看，一方面是由于计算方法产生的频谱泄漏和栅栏效应造成，另一方面为变频装置、波动负荷、铁磁谐振、同步串级调速装置和感应电动机等因素造成[9]。光伏电站输出负荷波动较大、使用大量逆变器、装设静止无功补偿装置以及铁磁谐振等是产生间谐波的原因。间谐波对于光伏电站的危害主要在于使电器设备过负荷和发热、增加电力电缆的损耗，降低功率因数，可能会引起过电压导致无功补偿装置损坏，影响电力仪表和电能计量等[10]。

3.6 高频分量

图6 电流高频分量有效值

各功率区间的高频分量有效值如图6所示。

每个功率区间内电流高频分量含量变化趋势一致，其中2.3 kHz、2.9 kHz电流高频分量较大，3.3 kHz以后电流高频分量较小，均在0.02 A以下。光伏电站电流高频分量应引起关注，高频分量可能与光伏自振荡频率构成谐振回路，诱发有害的谐振过电压[11]。

4 结束语

甘肃省太阳能资源丰富，已开发建设大量光伏发电站。电能质量问题成为影响光伏发电站并网的重要因素。光伏发电站输出功率波动较大，按照输出功率划分测试区间分析电能质量指标，可以对比分析功率波动因素对电能质量的影响。通过对河西某50 MWp大型光伏发电站电能质量实测得到：

(1)根据提出的输出功率划分方法和测试流程，解决了光伏发电站按照功率区间开展电能质量测试的问题。通过光伏发电站实测表明了测试方案的可行性。

(2)分析了三相不平衡度、闪变、电流谐波、间谐波及高频分量等电能质量指标计算方法。通过分析实测的光伏发电站电能质量数据，各项指标均满足国标要求。

(3)实测分析得到光伏发电站电能质量各项指标在各个功率区间段内变化趋势基本一致。另外从特征谐波来看，光伏发电站使用大量电力电子设备也是影响电能质量的重要因素，应注重逆变器、静止无功补偿装置等设备的实测分析。

(4)为进一步分析光伏电站电能质量问题，需要建立覆盖全省的光伏电站电能质量数据采集系统，持续开展电能质量在线监测，研究大规模光伏发电站接入对地区电网电能质量的影响。

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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

国网甘肃省电力公司科技项目(522722140045)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.022

TM615;TP277

A

1000-3886(2016)04-0068-03

倪赛赛(1984-)，男，江苏启东人，硕士，工程师，研究方向：电力系统故障分析与继电保护技术研究。 陈仕彬(1984-)，男，山东青岛人，硕士，工程师，研究方向：电能质量与新能源并网检测 刘科(1983-)，女，陕西大荔人，硕士，工程师，研究方向：电力系统继电保护技术研究与设计。

定稿日期: 2016-04-19