光伏发电并网对电网电能质量影响分析及解决方案

李博

摘要：光伏发电站是近些年来各类发电站中较为清洁的一种，它利用了太阳能转化为电能的原理进行发电，光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能。所以在光伏发电站中光照强度决定了发电站的总功率。但是季节的更替以及地球的自转导致光照在不同的时间点就会不同，外加有遮挡物的影响。光照不一致就导致了输出功率的不稳定。本文从光伏并网项目系统介绍为基础，根据光伏发电并网发电不稳定的特点对电网电能质量影响，并对此加以分析及解决。

关键词：光伏发电、光伏并网、电能质量

引言：

太阳能作为新型的清洁能源，在各个领域人类几乎都对它加以利用，在将近十年的时间，全世界利用了太阳能的光伏产业每年都在增长，我们国家在不断发展与进步中光伏产业在世界上属于领先地位。但是随之而来的问题也越来越多。由于光伏项目受气象影响波动较大，这些问题对电能的质量产生了较大的影响，我们也要积极采取相应的措施去解决电能质量的问题。

一、关于光伏发电并网系统的概述

无论是分布式还是集中式电站，并网电压等级不同，但是组成原理相同，都是由光伏组件、并网逆变器、升压变压器、控制保护装置这四个部分构成（如图1所示）。在光伏发电站接入电网的时候，就意味着能量转化的开始。

由于光能的不均匀吸收导致产生的谐波与发电功率也不稳定，这就是影响了电能质量的其中一种因素，也是较为重要的因素。而谐波与电功率的不稳定性会导致光伏发电站中电网的不稳定。所以提高电能的质量是必须要处理的问题。

二、光伏发电站并网系统中电能质量的影响因素：

（一）电压的不稳定性

光伏电站的不稳定性还在于配电网与光伏电源在结合以后电压受光源忽大忽小的影响，也变得极其不稳定，这种迅速的变化十分损耗光伏发电站的系统，如果出现故障电流的方向发生变化，那么电压暂降的问题就会显现出来。种种因素影响了整个光伏发电站的电能质量。由于受天气、环境温度、光伏板安装位置等因素影响，光伏电站的输出功率会有所变化，最大变化率甚至超过额定量的10%，因此产生了发电量的不稳定问题，会对馈入电网的谐波产生影响。

1. 光伏电站的并网需要应用到逆变器，为最大利用逆变器容量和最大发电量，厂家会将并网逆变器的功率因数设定过大。但随着光伏电站装机容量的增加，由于光伏发电的功率波动性，逆变器的高功率因数运行对电网的稳定性造成威胁，有功不变时，无功几乎不能调节，需要额外的无功来维持电压。另外，逆变器输出轻载时，谐波会明显变大，在10%额定功率以下时，电流的总谐波畸变率则会到15%-20%以上。

2. 光伏发电功率随日照强度变化对电网负荷特性产生影响，它的接入改变了电网潮流方向，将对现有电网的规划、调度运行方式产生影响。虽然逆变器有MPPT最大功率跟踪功能，但光伏发电单位不具有调度自动化功能，加大了电网控制与调度运行的难度。若大量光伏发电系统接入电网终端，将加剧电压波动，可能引起电压/无功调节装置的频繁动作，影响到系统的保护。

（二）电能的损耗

由于输送电压越来越大，电能的损耗在运输过程中也越来越大，大量的损耗也会影响电能质量。输送电压不断增加的情况下，我们光伏发电站还维持原有的设备，就会导致出现的问题无法得到有效的解决，这时候适当增加调压设备就会让整个光伏发电站的电能质量有所提高。

（三）孤岛效应

所谓孤岛现象是指当电网供电因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的分布式并网发电系統未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网络，而形成由分布电站并网发电系统和周围的负载组成的一个自给供电的孤岛。

孤岛一旦产生将会危及电网输电线路上维修人员的安全;影响配电系统上的保护开关的动作程序，冲击电网保护装臵;影响传输电能质量，电力孤岛区域的供电电压与频率将不稳定;当电网供电恢复后会造成的相位不同步;单相分布式发电系统会造成系统三相负载欠相供电。

三、如何解决这些电能质量问题

（一）如何解决电压暂降的问题

电压暂降可以采用模拟系统的建立来进行准确的测试，通过模拟器的测试，我们可以找出电压暂降的根本原因。当并网点出现电容量不够的情况时，就会导致无法兼容并网点的短路问题，适当增加并网点的电容量可以减少故障产生的概率。对于传统的电能量检测我们也可以加以利用。加装SVG和SVC，通过电网的统一调度调节有功和无功的平衡，对于调节电能质量起到了很好的控制作用。

（二）增加调压设备

在光伏发电站中我们也可以适当增设部分效果显著的调压设备，这样可以更好地控制电压带给电能质量的影响，这种设备的原理是根据谐振原理建造的，高次谐波需要通过消除来达到与滤波电路的协调。另外增加逆变器MPPT的数量，这样可以跟踪到光伏组件每个组件的电流电压输出最大功率，但每次调节会导致输出侧产生谐波分量，所以提高优化MPPT算法使得逆变器对光照环境等因素精准快速找到最大功率输出点减少谐波及三相电压不平衡[3]。

（三）增加防孤岛保护设备

逆变器直接并网时应具有基本的保护功能外，还应具备防孤岛效应的特殊功能。孤岛发生时必须快速、准确地切除并网逆变器，由此引出了对于孤岛效应进行检测的控制。 基于逆变器的防孤岛效应保护方案分为主动式防孤岛保护方案和被动式防孤岛保护方案。被动式方案通过检测逆变器交流输出端电压或频率的异常来检测孤岛效应。由于被动式方案的检测范围有限，因此为了满足并网逆变器防孤岛保护安全标准的要求， 应至少设臵各一种主动和被动防孤岛效应保护。主动式方案通过有意地引入扰动信号来监控系统中电压、频率以及阻抗的相应变化，以确定电网的存在与否。

四、结束语

光伏发电作为新型能源，在未来太阳能会与我们的生活密切相关，所以对于光伏电站出现的电能质量问题要加以重视，并且及时采取有效的解决方案，这样可以有效避免我们在使用光伏发电站并入传统发电电网对电网安全稳定性造成影响。及时改善发电中出现的各种问题会让我们的光伏发电站在未来有更好的发展。也会为光能发电作为未来的主要发电趋势打下良好的基础。

参考文献：

[1] 周林， 武剑， 栗秋华， et al. 光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述[J]. 高电压技术， 2008， 34（6）：1145-1154.

[2] 崔昊杨， 李志锋， 马法君， et al. 皮秒脉冲激光照射下碲镉汞光伏红外探测器的负光伏响应新现象[J]. 红外与毫米波学报， 2009（3）：161-164.

[3] 郭芳，邓长虹，廖毅，谭茂强，贺艳芝. 基于改进MPPT算法的微电网电能质量改善作用研究， 南方能源建设，2015 年 第 2 卷 第 1 期