提升光伏电站并网电能质量的研究

宋卿尧

（深能北方（通辽）能源开发有限公司，内蒙古 通辽 028000）

0 引 言

目前，全球气候变暖趋势日益严重，我国已经开始对发电形式进行调整，利用太阳能、风能以及重力势能等减少不可再生资源的损耗，有效缓解了我国用电量大、资源形势紧张、排碳量超标等危机。尤其是在光伏发电过程中，我国已在多个省市开展光伏发电试点，总装机超过2.53×108kW。光伏发电过程中，上述新增光伏电站并网时受气候因素和出力情况等影响，很容易造成电压波动、谐波潮流等，因此在现阶段智能电网建设中需全面重视，以最大限度降低电能质量问题，提升用户用电稳定性[1-3]。

1 光伏电站并网原理及模型分析

1.1 工作原理

光伏电站是在光伏发电技术基础上形成的一种新型发电系统，通过与配电网协调，满足区域用户用电需求。光伏电站运行过程中主要利用光伏组件完成太阳能到电能的转换。在运行过程中，光照射到光伏组件后，入射光子吸引正电子移动到N区，此时负电子移动到P区，形成明显的电势差，达到储能的效果。这种发电形式易获取资源且介质成本低，在我国电网建设中已经开始大规模使用。2020年，我国光伏发电装机总容量达到252.88 GW，同比增长24%，较2019年有了明显提升。2016—2020年的装机总量及同比增长率如表1所示。

表1 近年装机总量及同比增长率

1.2 建模分析

从文献资料来看，我国在对光伏电站并网建模研究主要集中在PV建模和稳态分析两方面。前者主要是将变流器作为电能源进行PV性质分析，而后者则是将光伏发电拟同发电机进行稳态性能分析。本次研究主要从功能模块（图1）出发，分析其运行结构，形成对应PV标称量。

图1 光伏电站功能模块

电压变化情况为系统线路标称电压值Ure和线路实际电压值UN差值与UN的比值，即：

波动率为系统线路中最大电压和最小电压占实际电压的比值，即：

电网谐波可以按照基波电压U1与各次谐波电压Uh明确电压总谐波畸变率计算，即：

2 光伏电站并网对电能质量的影响

2.1 电压情况

2.1.1 电压波动

受光照因素的影响，光伏电站并网过程中很容易出现由光照强度差异引起的出力不均衡问题，造成并网运行过程中电压等级存在明显波动，尤其是在光照强度变化较为显著的区域。发电过程中的有功功率和无功功率差异较大，一旦光伏电站并网很容易产生由电压波动和负荷不匹配等造成的电压失衡[4]。

在不同光照强度下，光伏发电过程中的标称电压值Ure和线路实际电压值UN存在明显差值，此时ΔU与光照强度变化一致。不同时刻光伏电站并网后的母线电压波动情况如图2所示。

图2 不同时刻光伏电站并网后的母线电压波动情况

上述电压波动将直接影响各线路节点电压稳定性，导致用户用电时出现忽明忽暗的现象，降低了用户用电满意度。与此同时，电压波动还会影响各用电装置的使用寿命，在光伏电站并网中需全面重视。

2.1.2 电能损耗

在出力不均衡时也会导致光伏电站并网引起的能量损耗增加，尤其是在无功功率损耗上。光伏电站并网过程中很容易影响原低压配电网母线电压分布情况，致使线路电流发生改变。尤其是在接入点区域，流通电流明显加大，线路有功损耗和无功损耗骤增，造成了不必要的电能损失。

2.2 谐波情况

光伏发电中往往需要使用大量的非线性装置，如逆变器和非线性负载等。这类装置很容易致使电流频率波动，引起振荡、谐波问题。光伏电站并网中的谐波问题主要是由逆变器引起，这类半导体型谐波源会产生多次谐波电流，导致并网后功率不平衡和过电压损耗上升等，已经成为新时期影响光伏电站并网质量的关键[5,6]。

以光伏电站并网等效模型为例，在发电环节使用逆变器致使系统非线性负荷上升，此时频率根据逆变器频率波动情况发生改变，引起无功功率变化和电网谐波。尤其是在多个光伏电站同时并网时，基波电压U1与各次谐波电压Uh差异显著，总谐波畸变加剧，甚至出现死区效应。非线性负载引起的谐波变化如图3所示。

图3 非线性负载引起的谐波变化

上述死区问题往往会集中在开关频次附近，大多是由于逆变器2次、3次、5次以及7次等谐波电流引起。在处理的过程中应注意增加抑制谐波装置，避免死区引起的调控和锁相问题。

3 提升光伏电站并网电能质量的几点建议

为进一步提升光伏电站并网电能质量，在光伏发电接入过程中应根据接入规模选择有效接入方式，并在上述过程中增加电压补偿和谐波保护装置，以提升光伏并网后智能电网的安全性、稳定性以及可靠性。

3.1 调整并网方式

光伏电站并网过程中为了最大限度降低光伏发电对电网电压和电网潮流等的影响，应尽量选用专线并网模式，在光伏电站出线侧将电缆与配电网母线连接，直接利用间隔完成并网接入。这种方式适用于大容量接入，成本较高。而在小规模光伏电站并网过程中，为了降低并网时对电网电压的冲击，可以在线路中采用T接方法增加并网开关，从而将分布式光伏电站顺利接入电网。

3.2 调节电压质量

光伏电站并网的过程中应根据电压波动情况做好电压补偿。上述过程中需要先计算电压变化情况，确定电压值变化状况和潮流变化状况。如可通过电压波动模型分析电压变化趋势，确定光伏电站接入后电压的波动值、波动频次以及波动时间段等。利用半步变量潮流推算法确定分布式光伏电站接入后系统的潮流波动情况，并对可能出现的潮流变向引起的各项问题进行针对性防护和处理，降低由潮流引起的电网故障。

一般电压调节中可选用无功补偿装置实现，如SVC、SVG能够有效补偿分布式光伏电站接入后的无功功率。若无功功率波动，在光伏电站并网过程中可以利用SVC、SVG装置的负反馈调节实现无功功率补偿，从而降低分布式光伏电站接入后的各节点的电压偏差，从根本上提升光伏电站并网后的电能质量，从而提高其可靠性、稳定性以及有效性。

3.3 有效抑制谐波

光伏电站并网过程中应按照《电能质量公用电网谐波》的相关指标严格控制谐波问题，避免造成装置误动或电能质量污染。如可利用有源电力滤波器来消除谐波，通过滤波器补偿有效解决电压波动。也可在逆变器逆变过程中增加虚拟阻抗回路，利用该回路有效抑制谐波，减少其对各装置和线路的影响，从而保证光伏电站顺利并网。

4 结 论

光伏电站并网的过程中需要全面把握非线性装置引起的电压波动和谐波问题，根据接入点电压变化情况及电流频率变化情况做好相应的并网保护，如调整并网接入方式，增加补偿装置和谐波抑制装置等。利用上述方法有效降低光伏发电过程中环境因素、逆变器等引起的电压畸变和谐波畸变，从根本上保证光伏发电出力的稳定性，使用户的用电质量得到全面改善。