分布式光伏并网对电能质量的影响及对策

刘 翀

(山西汾西矿业集团 新能源开发有限责任公司，山西 介休 032000)

0 引言

作为世界工业强国，我国对能源的需求量较高，但化石能源短缺与环境污染等问题限制了科技的发展速度，太阳能作为一种易获得、环保的可再生能源已得到广泛关注。分布式光伏并网发电系统主要由光伏电池组、控制器及直流-交流换流器等部分构成，电池产生的电能通过直流-直流换流器升高电压，再经直流-交流换流器转化为工频交流电的形式，从而并入电网输送电能。

光伏发电并网系统占地面积小且建设成本低，已成为目前最热门的可再生能源发电方式。随着光伏发电机组规模的扩大与发电量的增加，光伏发电对电力系统电能质量的影响也日渐增大，包括谐波和直流注入、电压闪变和孤岛效应等，这些问题会直接影响用户的用电可靠性。因此，本文对光伏发电中谐波注入、直流注入、电压闪变及孤岛效应等问题进行分析与探讨，从而提高光伏发电的电能质量，对电网运行的稳定性与效率具有较大的工程意义。

1 谐波注入

谐波注入现象的产生原因主要有以下几种：①在光伏发电系统将直流变为交流的过程中，通常会产生不需要的高次谐波；②功率开关的频率变化与非线性负载也会产生少量谐波；③光照强度与温度在短时间内不稳定时，谐波的分布范围也会变大；④逆变器的并联结构会使谐波电流分量累加，最终导致并网电能质量低于规定标准。

为改善光伏发电带来的波形畸变问题，可从以下几个方面来降低谐波含量：①改善控制策略，减小开关频率产生的谐波；②通过无源滤波或有源滤波方法滤除一些高次谐波；③在并网系统中加装静止同步补偿器等设备降低谐波含量。

2 直流注入

2.1 直流注入产生的原因与造成的危害

直流-交流换流器输出电流中存在直流分量注入现象的主要原因有：①实际电路中各元件参数并不完全一致，其阻抗特性的差异使各开关元件导通与关断的时刻不等，导致占空比不一致，从而引起直流注入现象；②运放电路的计算误差或电流传感器的测量误差会导致测得的工频正弦电流的正负幅值不等，即存在直流偏置问题；③电流参考值本身就存在直流量，在控制器作用下实际输出电流也包含直流分量。

直流-交流换流器是将光伏发电系统连接到电网的主要电路，若其输出电流中有直流分量，直流量将直接注入电网中，对电网的安全与稳定造成较大危害，其主要表现为：①影响变压器的正常工作，直流电流导致变压器工作点发生平移，从而使波形畸变，导致电能损耗增大和温度升高，使设备故障率升高；②直流偏置也会导致电网中电流幅值变高，电路中设备承受电压应力较大，严重时会使保险丝烧断，引发局域电网停电，带来不必要的经济损失；③直流电流使导线中金属发生腐蚀现象，带来较大的安全隐患；④对电网中各种设备也会带来一定危害，如导致发电机产生脉动转矩与温度升高。

因此，直流注入带来的危害已逐步受到各国学者的关注，如何抑制光伏并网带来的直流分量已成为研究热点。

2.2 直流注入的抑制方法

国内外学者提出了多种方法抑制直流注入，主要是通过改变逆变器的拓扑以抑制直流。图1为三种可抑制直流注入的逆变器拓扑，分别为半桥型逆变器、具有隔直电容的逆变器及带并联变压器检测的逆变器。

半桥型逆变器中无论是上管还是下管导通，输出电流都会经过直流侧电容C1或C2，从而实现直流量与电网的隔离。但相同电压等级下半桥拓扑与全桥拓扑相比，其承受的电压为全桥的两倍，所以半桥逆变器中开关元件承受的电压应力较大，其质量要求较高，开关损耗较大。

与半桥逆变器的原理相似，在全桥拓扑与电网之间串入电容可实现直流电流与电网的隔离，但这种拓扑不应隔离工频电流流入电网，故需串联容值较大的电容，这会导致更大的占地面积，增加了建设成本。

如图1(c)所示，澳洲学者SHARMA提出了一种带并联变压器检测的逆变器的拓扑，检测部分由RC串联电路与变比为1的变压器组成，该电路可通过测量电容电压得到电网中的直流分量，采取相应的控制算法产生直流校正参考值，通过脉宽调制控制开关管，从而抑制直流电流。

图1 可抑制直流注入的逆变器拓扑

3 电压闪变

光伏发电随机与不稳定的特点导致其发出的有功功率会引起电网电压的波动与闪变，光照强度、温度、湿度等外界因素的变化会导致光伏电池的最大功率点随机发生变化，其输出电能的频率与幅值也随之不断变化，引发电网用户负载侧的电压波动与闪变现象。

目前减少电压波动与闪变的主要方法有：①改进换流器的控制方法，从而减小输出电压的波动；②当最大视在功率不变时，提高光伏并网系统的功率因数以充分输出有功功率，减少无功功率，将电压波动范围缩小到电网规定的标准范围内；③增大光伏并网系统的短路容量。

4 孤岛效应

孤岛效应是指由于停电检修或线路故障等问题导致电网停止供电时，光伏并网发电系统并未能快速判断电网处于停电状态，导致光伏系统与连接的负载继续运行的现象。图2为孤岛效应示意图。随着光伏并网系统规模的不断扩大，导致这种现象的发生越发频繁，孤岛效应对电网的电能质量具有较大危害，主要表现为：①发生孤岛效应的光伏并网系统的频率、输出电压及相位变化范围较大，且此时处于不可控状态，严重时会导致设备发生故障甚至损坏，对电网检修专业人员的人身安全造成重大威胁；②恢复供电后，电网与光伏并网系统的电压相位不一致，这将导致浪涌电流与电流的瞬时下降；③若光伏发电方式为单相供电，则配电网可能会出现三相负载不平衡现象，导致电能质量下降；④如果电网系统容量不足或无储能设备，配电网在孤岛效应作用下，极有可能导致用户侧负载出现电压波动与闪变现象。

图2 孤岛效应示意图

为消除孤岛效应带来的负面影响，目前主要采取以下两种策略：①改进光伏并网系统判断停电的检测方法，根据光伏并网系统对电网中故障电流的幅值、相位的影响，缩短故障时的负载切除反应时间；②提高孤岛效应检测方法的准确性，开发效率较高的抑制孤岛效应策略，当故障发生时可准确快速判断孤岛状态，及时将光伏发电系统与电网切断。

5 结束语

随着越来越多的光伏发电站在国内投入运行，电网的电能质量也受到光伏并网系统的较大影响。因此，研究光伏发电对电网电能质量的影响具有重大意义。本文主要介绍了光伏发电引发的谐波注入、直流注入、电压波动及孤岛效应产生的原因与危害，并针对这些问题提出了改善电能质量的方法，可为今后针对光伏发电并网系统的研究提供一定的参考。