用户光伏发电电能质量检测与分析

唐瑞，李晓辉，曹英丽，马艺铭

（沈阳农业大学信息与电气工程学院，辽宁沈阳 110866）

用户光伏发电电能质量检测与分析

唐瑞，李晓辉，曹英丽，马艺铭

（沈阳农业大学信息与电气工程学院，辽宁沈阳 110866）

随着光伏发电系统等新能源接入电网，在改变电网的拓扑结构同时，电能输出特性也会影响到电力系统电能质量问题。为了保障电网的安全稳定运行，该光伏发电系统各项电能质量需满足国家标准。以沈阳农业大学0.38 kV电压等级的分布式光伏发电系统为研究对象，主要对光伏系统中的电能质量的谐波、电压偏差、三相不平衡进行分析。理论上分析了傅里叶变换，组、子组算法电能质量的特征。对测试结果进行评估并对比在功率不同时电能质量的差异，分析造成差异的原因。通过测试可知，采用的分析方法能够检测电能质量的各项指标，从而为电能质量的各项参数指标提供可靠数据。

光伏发电；电能质量；功率

在电网中，电能质量不仅影响电力系统的稳定可靠，也关系到用户的安全，特别是近年来新能源的迅速发展，以光伏发电及风力发电为主的分布式电源接入电网给电力系统带来的电能质量问题越来越受到重视，已成为世界的研究热点。同时，当代社会电子技术和其他高端电设备的应用，其运行对电能质量提出了更高要求。光伏发电系统主电路的工作原理是以电力电子开关组件的导通和关断来进行能量转换，因此，发电系统的源头将产生大量谐波，并对电压变化、三相不平衡等连续型电能质量也产生了明显的影响。由于输出功率的随机波动将会造成电压波动、闪变电能质量问题。因此，在新能源接入电网后，将使电能质量近一步恶化。对电能质量的监测、分析评估具有重要意义。

光伏发电作为新时代的清洁能源，有关光伏系统的设计和经济学方面已有大量研究[1-3]。实际上光伏电站与配电网之间相互作用也是光伏系统研究领域的热点[4-7]。电能质量扰动，特别是讨论光伏发电系统所产生的谐波对电网的影响，更好地了解光伏系统并网后短期运行的电能质量问题，有助于光伏系统的改进和对电网注入电能质量问题的缓解[8-11]。

本文针对沈阳农业大学分布式光伏并网发电系统进行应用研究，主要对光伏系统中的电能质量的谐波、电压偏差、三相不平衡的理论分析和测试[12-15]。对测试结果进行评估，并对比在功率不同时电能质量的差异，为北方用户型光伏发电系统提高电能质量提供依据。

1 光伏电力系统电能质量测试

1.1 电能质量评估依据及计算

为保证电力系统的电能质量，在光伏电源并网电能质量方面，目前主要依据的是国家电网公司企业标准Q/GDW617-2011《光伏电站接入电网技术规定》的要求。该规定明确了光伏电站并网在谐波、电压不平衡度、电压波动与闪变、电压偏差、直流分量等各项电能质量指标[16]，电能质量方面主要指标的限制如下。

1）谐波电流限值：按照国家标准GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》，光伏电站向电网注入的谐波电流允许值按此光伏电站的装机容量与公共连接点电器设备容量之比进行分配。将0.38 kV电压等级国标的谐波电流允许值按系统实际的最小短路容量进行换算。其换算公式为

式中：Sk1为公共连接点的最小电路容量，MV·A；Sk2为基准短路容量，MV·A；Ihp为0.38 kV电压等级国标的谐波电流允许值，A；Ih为最小短路容量为Sk1时第h次谐波电流允许值，A。

经过换算可知将最小短路容量为2.694 MV·A，装机容量为40 kW的光伏电站的公共连接点的各次谐波电流允许值如表1所示。

表1 注入公共连接点的谐波电流允许值IhTab.1 Harmonic current value Ihinjected at the common connection point A

表2 谐波电压限值Tab.2 Harmonic voltage limit

2）电压偏差限值：按照GB/T 12325-2008《电能质量供电电压允许偏差》，波动负荷在380 V，三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%。

3）三相电压允许不平衡度限值：按照国家标准GB/T 15543-2008《电能质量三相电压允许不平衡度》，连接于380 V的每个用户，引起该点的正常电压不平衡度允许值应小于1.3%，短时不超过2.6%。

1.2 电能质量测试实验方案

依据国家电网公司企业标准Q/GDW617-2011《光伏电站接入电网技术规定》中对各项电能问题测试限制的要求,以及Q/GDW618-2011《光伏电站接入电网测试规程》中对测试方法的要求，主要针对沈阳农业大学并网光伏系统公共连接点处进行测试[17-18]。

本文结合沈阳农业大学光伏电站并网算例，该分布式光伏发电系统采用0.38 kV电压等级接入电网，装机容量为40 kW，属小型光伏电站。该光伏电站由4个阵列组成，其中包括双玻组件和普通组件，阵列一是10 kW普通多晶组件，接一台10 kW三相并网逆变器并网；阵列二是10 kW组件普通多晶组件，接一台10 kW三相并网逆变器并网；阵列三是10 kW双玻组件，分两部分各5 kW；阵列四是10 kW双玻组件，每块组件接250 W微型逆变器。图1为电能质量测试接线示意图。

图1 电能质量测试接线示意图Fig.1 Power quality test wiring diagram

本实验中应用的测试装置为Fluke F435电能质量测试仪，对光伏发电系统的电能质量进行检测，10 s进行一次数据记录。该测试装置满足GB 19862-2005《电能质量检测设备通用要求》、DL/T1028-2006《电能质量测试分析仪鉴定规程》的要求，并符合IEC 61000-4-30:2003《电能质量测试方法》中A级仪器的电压测量不确定度（不含附件）：标称输入电压的0.1%。不确定度0.1%的量程范围：标称电压的10%～150%。

电能质量测试过程如下：

1）根据光伏系统参数和仪器使用说明书，参照图1连接测试装置，电能质量的测试点设在公共连接点处。

2）通过电能质量测试装置测量测试点的电压、电流，以及电能质量参数。

3）读取测试装置测量的数据、分析，计算出公共连接点并网电流各次谐波含量、电压偏差和电压不平衡；输出统计报表和测试曲线，判别被测公共连接数据是否符合国家标准。并将输出功率较大时电能参数与输出功率较小时电能质量参数进行对比，从而找到输出功率与电能质量之间的关系。

2 电能质量理论分析

2.1 谐波

谐波频率等于基波频率的整数倍，可以通过傅里叶级数对谐波的原始波形进行分析。电能质量分析频域中傅里叶级数具有广泛的应用，关于谐波的任何周期号的周期T可以表示为傅里叶级数，即：

n=1称为基波，n＞1称为谐波。当一个采样信号周期为2π时，系数an、bn为

为了描述信号的谐波畸变，应用了总谐波畸变率，例如电流总谐波畸变率

组、子组算法是电力系统A级谐波测量、计算以及评估的重要方法，组、子组算法的理论如下：

Parseval等式-Rayleigh能量定理时域中波形的能量等于频域中频谱的能量

式中：g（t）为时间函数；G（jw）为该函数的复数傅里叶变换。

功率与电压或电流的平方成正比。因此，信号的平方即为信号的“功率”。周期函数g（t）可用时间窗TN表示，其频谱为间隔fc，1=1/TN的离散谱线。窗口内时间函数的平均“功率”，等于所有谱线的“能量”总和：

频谱分量的幅值Ck=2Ck

2.2 电压不平衡度

三相电压不平衡分析方法是利用对称分量法将三相瞬时不对称电压电压Uab、Ubc、Uac可分解成正序分量（Uab，1Ubc，1Uac，1）、负序分量（Uab，2Ubc，2Uac，2）和零序分量（Uab，3Ubc，3Uac，3）。即：

式（6）为对称分量法公式，如果没有零序电压分量：

3 测试数据对比和分析

3.1 谐波分析

沈阳农业大学并网光伏发电系统的额定功率为40 kW，P/Pn为实际发电功率与额定功率的比值。选取发电功率高低的各个时段以及对应的谐波数据进行分析，谐波电流的总畸变率与功率的关系如图2所示。

图2 电压总谐波畸变率与功率之间的关系Fig.2 Voltage total harmonic distortion rate and its relationship between powers

由图2可看出在功率发生变化时，电压总谐波畸变率波动非常小，THDu保持在1%以下。根据显示数据，THDu与功率无关系。这主要是由于沈阳农业大学光伏系统容量较小，发电时不能调节无功，受系统影响，基波电压趋于平稳，不会发生明显变化，从而导致电压总谐波畸变无明显变化。谐波电压的总畸变率不超过5.0%，符合国家标准。

谐波电流的总畸变与功率之间的关系见图3。由图3可以看出THDI与P/Pn之间有着相当密切的关系。当功率输出较低时，电流总谐波畸变率低于20%，当功率较高时，电流总谐波畸变率达90%以上。从式（4）中可以看出THDI与基波电流的变化有关，当功率升高时，基波电流必然增加，从而引起THDI的升高。

图3 电流总谐波畸变与功率之间的关系Fig.3 The relationship between the total harmonic current distortion and powers

光伏电站注入电网的谐波含量主要是由并网点的短路容量、光伏电站装机容量和逆变器注入电网的谐波大小共同决定的。为了限制该光伏电站谐波源注入电网的谐波电流，及其在电网中产生的谐波电压，防止其对电网发供电设备的干扰，保证电网的安全，需要根据GB/T14549-1993《电能质量、公用电网谐波》国家标准来限制光伏电站的谐波含量。各次谐波电压含有率如图4所示。

图4 各次谐波电压含有率Fig.4 Containing rate of each harmonic voltage

由图4可以看出，各次谐波电压含有率均比较低，各奇次谐波电压含有率均在4%以下，各偶次谐波含有率均在2%以下，符合国家标准。

本例中，电网正常运行下，10 kV变电站0.38 kV侧母线的最小归算阻抗标幺值为0.053 6，得到最小短路容量为2.694 MV·A，取基准短路容量为10 MV·A。根据电能质量相关标准，分别针对并网光伏发电系统输出功率的最高点和最低点进行计算，25次谐波以内的各次谐波电流值如表3所示。

表3 注入公共连接点的谐波电流值Tab.3 Value of the harmonic current injected into the common connection point A

从表3中可以看出，并网光伏系统注入公共连接点的谐波电流值中奇次谐波为主导谐波，偶次谐波中仅有2次谐波含量较高，在奇次谐波中，3、5、11、13次谐波含量均比较高，但注入公共连接点的谐波电流值满足国家标准GB/T14549-1993的要求。通过将输出功率最大点与输出功率最小点的谐波电流值进行对比，我们可以观察到输出功率最大点的谐波电流值均大于输出功率最小点的谐波电流值。

3.2 电压偏差分析

在电力系统中，由于冲击性负荷、非对称性负荷以及系统无功功率不平衡是引起系统电压偏离标称值的原因。提高并网光伏系统运行电压水平，对提高电网的静态稳定，防止发电机组非振荡性失步有很大好处。在对电压偏差测试中选取发电功率高低的各个时段进行测试电压，经过计算得到电压偏差，电压偏差计算公式为

从表4中可以看出不同功率点监测的电压不同，因而电压偏差不同，电压偏差随着发电功率的增加而减小。但电压偏差没有超过额定电压的1%，符合国家标准。而测试实验是在满载情况下进行的，不能完全反映出光伏系统在正常工作中的电压偏差。可见在试验中，应适当增加不同功率点进行测试。

表4 公共连接点处电压偏差Tab.4 Voltage deviation at the common connection point

3.3 电压不平衡度分析

由图5可以看出，在测试电压值时，会受太阳辐照等实际环境因素的影响，随着辐照度的变化，系统电压不平衡度呈现出一个较大变化；同时，在功率变化阶段，电压不平衡度会有较大变化。本例中各个功率点的不平衡度均在0.4%以下，符合国家标准。目前，公共连接点测试仅针对光伏系统满载情况下电压不平衡程度，不能足够反映光伏系统电压不平衡度情况。因此，在实验中，应测试低功率点电压不平衡度，最大程度上反映系统的电压不平衡情况。

图5 负序不平衡度趋势图Fig.5 Trend diagram of the negative sequence imbalance degree

4 结论

电能质量是对电力系统稳定、可靠运行的重要保障，对电能质量各项指标的检测分析，提高电能质量已成为重点工作。本文针对电能质量指标从理论上分析了傅里叶变换，组、子组算电能质量的特征。通过测试数据重点分析了谐波、电压偏差、三相不平衡这三相电能质量指标，均符合国家标准。通过测试可知，本文采用的理论分析方法能够检测各项电能指标。同时，根据实验测试结果，分析不同功率下谐波差异情况，并分析了造成差异的原因。提出测试电压偏差和不平衡度时，应考虑到光伏系统在不同功率下电压偏差和不平衡度的变化。

此外，作为光伏电站接入电网电能质量评估重要指标，还应对频率偏差、电压波动、闪变等电能质量方面的影响进行评估。为了完全反映光伏系统正常工作时电能质量情况，不仅仅需要考虑功率满载情况，还应考虑空载情况各项电能质量方面的影响。

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（编辑 冯露）

User Photovoltaic Power Quality Detection and Analysis

TANG Rui，LI Xiaohui，CAO Yingli，MA Yiming
（College of Information and Electrical Engineering，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110866，Liaoning，China）

With more new energy sources such as photovoltaic power generation systems connected to the power grid，the grid topology is changed and the power quality of the system is affected by the power output characteristics.To ensure the safe and stable operation of the power grid，the power quality of the photovoltaic power generation system should meet the related national standards.With the 0.38 kV class of distributed photovoltaic power generation system of Shenyang Agricultural University as the research object，this paper examines the harmonic，voltage deviation and three-phase imbalance of the system.Theoretical analysis is performed on the Fourier transform and characteristics of the power quality in the group and subgroup algorithms.The result of the test is evaluated and the power quality deviations under different powers are compared and the reasons of the deviations are explored.The test suggests that the analysis method adopted in the paper can detect all indexes of the power quality，thereby providing reliable data for all the parameters of the power quality.

photovoltaic power generation；quality of electric energy；power

2016-01-08。

唐 瑞（1990—），女，硕士研究生，研究方向为农业电气化与自动化；

李晓辉（1973—），女，教授，研究方向为电力信息化。

辽宁省博士启动基金项目（20131098）。

Project Supported by the PhD Start-up Fund of Natural Science Foundation of Liaoning Province（20131098）.

1674-3814（2016）05-0094-06

TM744

A