分布式光伏发电并网系统的电能质量问题研究

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1 引言

能源是人类生存和发展的重要基础，是人类经济及文化活动的动力来源。传统的化石能源正在日趋枯竭，作为一种取之不尽、用之不竭且无公害的自然能源，太阳能开始被重视。太阳能直接利用有三种：光热利用、光伏利用和光化学利用。其中太阳能光伏发电是最具发展前景的一种。

光伏发电是21世纪最重要、最具活力的新能源，到2030年光伏发电在世界总电力供应中的比例将达10%以上，到2040年将达20%以上[1]。根据光伏发电系统与电网的关系，可将其分为两大类，即离网型光伏发电系统和并网型光伏发电系统。

光伏发电进入大规模商业化应用的必由之路，是将光伏系统接入常规电网，实行并网发电。光伏并网系统是目前光伏发电领域科研的热点和主要方向。

但是大量的光伏发电并入电网也会给电网带来一系列的问题，对电网的安全运行、电网调度及电能质量等产生影响，本文主要研究了其对电能质量的影响。

2 分布式光伏发电系统的概念与分类

分布式光伏发电是利用光伏组件将太阳能直接转变为电能的发电方式，并且一定程度保证发电的稳定性、可靠性以及供给给配电网电能质量，是一种新型的、环保型且具有长远发展前景的发电系统。

2.1 分布式光伏发电系统的分类

通常情况下，分布式光伏发并网发电系统主要分为三大类型：逆流型、非逆流型以及切换型。

(1）逆流型分布式光伏发电并网发电系统

如果有充分的太阳光照时，系统发电时所转换成的电能容量不仅能够满足自身的用电需求，与此同时，会有充裕的电能剩余。自身所发电能容量过多时，可向配电网传送；自身所发电能不足时，可从配电网中吸纳的系统称为逆流型系统。由于该系统中未安装具有能量存储的元器件，在发电时需要根据用户的实际用电状况来控制系统是工作在逆变状态还是整流状态。

(2）非逆流型分布式光伏并网发电系统

当太阳光照射不充分时，非逆流型分布式光伏并网与逆流型分布式光伏并网的工作方式相同，从配电网当中吸收部分电能。但是当其所转换的电能容量充足时，非逆流型分布式光伏发电并网系统不将多余的电能输送至配电网中，但由于其自身依然不具备电能存储元件，多余的电能会得不到合理的利用。故进行非逆流型分布式光伏并网发电时，需要对用户用电需求量大小进行准确计算，减少能量浪费。

(3）切换型分布式光伏并网发电系统

切换型分布式光伏发电并网系统进行太阳能向电能转换工作时，具体切换动作主要取决于系统所处外部环境以及自身需求。

上述所提到的三种并网发电系统，其虽然在整体构架以及具体工作方式上存在一定的差异，但是其典型的基本结构以及工作原理大致相同。

2.2 分布式光伏发电系统组成

分布式光伏并网发电系统一般是由光伏电池板、逆变器、负荷和蓄电池等共同组成的一种发电系统。

(1）光伏阵列结构

光伏电池当单个处于工作状态时，其发电量极为有限，其最大可传送的功率约为1W，因此在实际运用过程中，将光伏电池通过电缆以及汇线盒等元件进行电池的串联或者并联，从而形成一个完整的组件系统，则为光伏阵列。

(2）控制器

自动防止蓄电池过充电和过放电的器件。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的控制器是必不可少的设备。

(3）蓄电池组

逆变器是一种实现直流向交流转换的元器件，是蓄电池中的重要器件。根据逆变器所输出电能的去向，可将其分为有源型逆变器以及无源型逆变器。多数情况下，无源逆变器主要被用于开关电路中进行工作，完成交流电向系统的传送。而有源逆变器主要是被应用在进行脉冲宽度调制输出时所产生的电流为正弦形式的开关电路中。在光伏式并网发电中，主要使用有源逆变器。

3 传统集中式发电系统与分布式光伏系统关系

传统的集中式发电系统具有规模大、耗资长等特点。分布式光伏发电系统规模较小，可以根据实际要求进行建设，建设区域选择性较大，在未来能源综合利用发展中有着很大的发展空间。传统集中式发电与分布式光伏发电间的关系主要体现在以下几方面：

（1）分布式光伏发电系统进行发电时，该发电系统可以直接安装在负荷外侧，系统发生故障或者意外灾害时，可以持续为负荷供电，维持负荷的正常运行，是对集中式发电系统不可移动、安装固定这一缺陷的弥补；

（2）在经济欠发达地区，要建设集中规模的且范围较大的输配电网，不仅需要巨额资金和较长的建设周期，而分布式光伏发电系统其规模相对较小、且投资成本低，运行简单，在一定程度上弥补了传统集中式发电的局限性。

4 分布式光伏电网对配电网电能质量的影响

分布式发电系统对配电网的影响可以分为有益影响以及负面影响[5]。下面就两方面影响进行分析。

4.1 有益影响

分布式光伏发电技术的采用，不仅将自然资源转换成人类日常必不可少的资源，对整个社会以及用电用户也带来极大的好处，主要体现在以下几方面：

第一，而分布式光伏电源，其规模较小，且可以分布在靠近终端负荷区域，从而避免了集中式发电的远距离传输中的能源浪费。此外，如果配电网中所带负载过大时，分布式光伏系统还可以为其供给功率，从而使得电网能够正常稳定运行。

第二，在分布式光伏并网发电系统中配置具备存储功能的元器件，不仅可以有效地将发电系统所转换使用剩余能量进行存储，避免能源浪费；另外，该装置还可与发电系统的逆变器之间配合工作，实现分布式光伏发电系统频率、电压以及功率等的有效调节，同时还可以保证配电网电能质量的稳定性。

第三，分布式并网光伏发电系统的使用，有效地减少化石燃料的燃烧，因此，实现了真正的节能减排，进一步实现对全球生态环境的保护。

4.2 负面影响

由于太阳辐射具有随机性、不稳定性以及间歇性等特性，因此光伏发电的输出功率也存在不稳定等特性。同时，输出电能时极易出现电压波动、谐波污染等电能质量问题，不仅给配网电力用户带来损失，也影响了光伏电源的正常稳定运行。具体弊端主要体现在以下几方面：

第一，分布式光伏电源进行电能输出时，具有不稳定性以及间歇性。一旦分布式光伏电源与配电网间的负荷在协调过程中出现问题时，将会使得电网调压的难度进一步增加。

第二，在一个呈放射形链式的低压配电网中，如果分布式光伏系统所发电在电网中所占比例较高，一旦出现因为云层遮挡而发生的光照变化时，则会使得光伏系统出现电压急速下降、闪变现象，甚至会对整个系统的正常发电工作的稳定性产生影响。但由于传统调压工具(变压器以及电容器)不能对所出现的问题进行快速回应，因此，无法实现以上所述的过快频率下的电压变化调节工作。

第三，由于分布式光伏电源中包含许多电子开关，会使得电网中的电压受到谐波污染。另外，如果配电网其电压等级较低，且在配电网中分布式光伏电源所占比例极高，则还可能使得电压出现谐波叠加等现象，从而严重影响配电网的正常工作。

第四，进行电网维修工作时，分布式光伏系统在某种情况下会同其周边部分负载构成一个独自工作的弧网，脱离原配电网。而孤岛效应会使电压及其频率失去控制，一旦当分布式光伏发电系统失去对电压及频率调控能力，则会给维修人员带来生命危险，同时也使系统的供电质量有所下降。

5 分布式光伏并网电能质量相关要求

分布式光伏电网在其工作状态中存在间歇性以及不稳定性，在向配电网进行电力传输时，对配电网电影响主要有电压波动、闪变以及谐波污染等多种，会降低配电网电能质量。电能质量决定了用电用户使用电能时的稳定性、可靠性，因此，进行分布式光伏并网技术应用时，对于电能质量的要求主要体现在以下三方面：

(1）由于太阳辐射具有间歇性、不稳定性等自身特性，因此在进行光伏发电是，系统所输出的功率大小极不稳定，为了对输出功率进行实时监控，及时观察输出功率情况，需要在光伏发电站并网点处安装电能质量检测装置，从而实现对电压偏差、电压波动、电压谐波等方面的实时监测，从而判断注入电网的直流量可否满足要求，当其不满足时，需采取加装滤波装置等措施进行治理。

(2）孤岛效应，即当电网突然出现失压现象时，光伏发电并网系统并未停止向邻近配电网的部分线路的电能输送，从而产生的效应。当发生了非计划性孤岛效应时，不仅会给线路维护人员造成人身伤害，也会导致电网的正常闭合闸门受到影响，从而无法对孤岛效应中的电压及频率进行有效控制。在光伏发电站，为了避免发生孤岛效应的发生，在发电站必须要具备能够快速进行孤岛检测以及断开孤岛和电网连接的处理能力，另外，孤岛保护需要和电网侧路保护两者相配合工作。

(3）为了保证光伏发电站在工作过程中的自身安全以及电网的运行安全，当光伏电站介入配电网中时，还要保证其功率以及电压调节满足相关电能要求，与此同时，还要求其满足电网异常状态下的响应特性要求、安全保护相关要求等。具体要求要参照国家电网公司或南方电网公司光伏电站接入配电站的具体规章制度。