光伏并网对电网电能质量影响的分析研究

光伏并网对电网电能质量影响的分析研究

黄海梅

国网四川省电力公司大英县供电分公司，四川 遂宁 629300

摘要：随着全球光伏发电技术的快速发展，越来越多的光伏电源会接入现有的电力系统。但由于光伏发电技术受外界环境的影响较大，输出功率存在间歇性和不确定性，并且会给电网带来很多新的电能质量问题。因此研究和分析光伏发电并网系统的电能质量问题，将会成为光伏发电技术新的研究热点。本文在分析光伏并网对电网电能质量的影响原理，探究了电压波动、共模电流、谐波以及其他影响因素对配电网电能质量的影响规律，并提出了可行性的解决方法。

关键词：光伏；并网；配电网；电能质量；电压波动

1引言

 随着能源危机的加剧及全世界对环境问题的日益重视，不仅能源结构发生了巨大变化，电力的作用越来越突出，而且电力越来越多地来自可再生能源，预计到2030年，其比例将达到50%。其中光伏发电技术的日益成熟及发电成本的逐年降低，光伏发电越来越显现出社会效益和经济效益。

我国的光伏发电产业虽起步晚，但发展很快，尤其是近年来我国及各地方政府纷纷出台了促进光伏产业发展的扶持政策及补贴措施，形成了较为完整的光伏制造产业体系。虽然光伏发电能在一定程度上缓解能源紧张，减少环境污染，但其易受到自然因素的影响，具有一定的随机性和波动性，同时，光伏电站并网后，配电网由原来的单电源系统转变为多电源系统，导致配电网中谐波和直流分量增加，影响配电网的安全运行和电力设备的正常工作。为保证配电网运行的电能质量要求和促进新能源发电的发展，需对新能源并网发电带来的配电网电能质量影响进行深入研究。

2光伏发电并网理论

光伏并网系统一般由太阳能电池阵列、逆变器、蓄电池组、太阳能充电控制器、负载等组成。在发电过程中，充电器将光伏电池板产生的电能连接到蓄电池，同时蓄电池与电容适配器连接，对电能电容进行调控；与核心逆变器连接，确保电能与配电网的适配。光伏发电并网系统是将光伏电池发出的直流电经过逆变器转变为与电网电压同频同相的交流电，可以向负载供电，又可以向电网发电。

图1光伏发电并网原理图

电能质量是指电气设备正常运行所需的电气特性，电力企业向电力用户所提供的电能需满足相关的指标要求。对于配电网而言，衡量电能质量的指标主要有电压偏差ΔU、电压波动d%和电压总谐波畸变率THDu。

式(2.1-2.3)中:UX、UN分别为节点电压的实际值和额定值；Umax、Umin分别为电压方均根值曲线两相邻的电压最大值和最小值；Urms、U1rms分别为谐波电压和基波电压的有效值。配电网的简化等效电路图如图2所示，配电网始端与等效的外接大系统SN相连，配电网始端为U0，线路的节点总数为K，Um表示节点ｍ的电压，配电网节点ｍ的负荷为Pm＋jQm，馈线的线路等值阻抗为Rm+jXm=lm（r+jx）r表示单位长度的线路电阻，x表示单位长度的线路电抗lm为节m-1和节点m之间线路长度。

图2配网简化电路图

光伏发电并网发电后会导致配电网潮流发生改变，进而改变了原有系统的电压分布，假设配电网只有一个新能源并网，并网节点为ｐ,当节点ｍ位于并网点ｐ上游时，则节点ｍ的电压为：

3光伏并网对电能质量的影响

3.1电压波动的影响

光伏发电系统要受到自然环境温度、太阳光辐射强度等因素干扰，其输出的功率具有一定的波动性，接入配电网后，变化的功率输入会导致原有电压水平的波动，难以避免闪变问题，影响供电稳定性。同时光伏电源的容量、安装位置不合适时，不仅不能充分发挥光伏电源系统的正面作用，而且还可能会对配电系统产生一系列负面影响，其中电压波动就是研究较多的影响因素之一。

已有研究表明，当光伏发电力度超过一定程度时，并网节点上游的各节点电压先降低后升高，并网节点上游的各节点电压则逐渐降低。新能源并网节点处的电压波动最大，且并网节点越靠近馈线末端，电压波动越大。目前，针对光伏并网后电压波动问题的结局方案主要有以下几种：增大变电站母线短路容量；当光伏电源为逆变型分布式电源，它可以抑制电压波动，缓解电压暂降问题；在光伏电站容量确定的情况下，提高发电功率，以增加有功功率总量，降低无功功率变化量；优化光伏电站逆变器的布置方案，以提高电压的稳定性。

3.2共模电流的影响

   光伏并网系统根据有无变压器，可以分为隔离型和非隔离型两种。非隔离型的光伏并网逆变器由于省去了笨重的工频变压器，所以具有体积小、质量轻、效率高、成本较低等优点，因而使得非隔离型的光伏并网结构具有很好的发展前景。在非隔离型的光伏并网发电系统中，电网和光伏阵列之间存在直接的电气连接。由于太阳能电池和接地外壳直接存在对地的寄生电容，而这一寄生电容会与逆变器输出侧滤波元件以及电网阻抗组成共模谐振电路。当并网逆变器的功率开关动作时会引起寄生电容上电压的变化，而寄生电容上变化的共模电压能够激励这个谐振电路从而产生共模电流。

共模电流的产生，会增加系统的传导损耗，降低电磁兼容性并产生安全问题。逆变器的开关频率和LCL滤波电路对共模电流有很好的抑制效果。但逆变器的开关频率只在某个范围内对共模电流的抑制效果较好，超出或低于这个范围，效果都会变差。

3.3谐波的影响

电能质量问题中的谐波问题是指输出波形中频率为基波频率整数倍的波形成分，一般需通过对波形进行傅里叶分解后可以看出。谐波的次数Ａ须是基波频率的整数倍。依据电流周期分解得到的傅里叶级数的不同，又将谐波概念可进一步定义为间谐波或者次谐波。

逆变器输出电压的谐波主要有两个来源：逆变器自身和电网频率改变时的影响。并网逆变器内部电力电子元件的大量应用，提升了系统的信息化和智能化处理，但也增加了大量的非线性负载，造成波形失，给系统带来大量谐波。除此之外，天气状况变化较大时，谐波波动的范围也会变大。国标《GB/T19939-2005光伏系统并网技术要求》中指出逆变输出并网电流的总谐波应小于逆变器额定输出电流总谐波的5%。抑制谐波可以通过两种思路来实现，一是通过增加谐波吸收装置，消除逆变输出的谐波电流，如装置有源或无源滤波器；二是抑制逆变过程中谐波电流的产生量，可以通过优化逆变器过程中的控制器，如使用无差拍控制器、滞环控制器等，使其更好的跟踪电网电压波形，抑制谐波电流含量，减少谐波注入。

3.4其他影响因素

光伏并网对电网电能质量的影响除了电压波动、共模电流、谐波等较重要的影响因素外，还有光伏并网发电的位置、光伏发电并网的容量以及光伏并网方式等影响因素。光伏并网发电对配电网电能质量有较大影响，光伏并网节点越靠近配电网线路末端，对节点电压的抬升作用越明显，但引起电压谐波畸变也越严重，而各节点受影响的程度与其离并网节点的距离远近有关，离并网节点越近，受影响的程度越大。光伏发电并网发电的容量对配电网的电能质量有较大影响，并网新能源的额定容量越大，配电网受到的影响也越大：并网后对电压抬升作用越明显，引起电压谐波畸变也越严重。

4小结

本文以光伏发电并网中电能质量问题为研究对象，分析了光伏发电并网的基本原理和结构特点，针对光伏发电并网过程中的电压波动、共模电流、谐波以及其他影响因素深入探究了其具体成因和影响规律，并提出了改善电能质量的可行性方法，对进一步提高光伏发电并网过程中的电能质量具有一定的参考价值。

参考文献：

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