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                  淺談并網光伏發電對電網電能質量的影響及解決方案

                   更新日期:2023-09-26 點擊量:33

                  王蘭

                  安科瑞電氣股份有限公司   上海嘉定  201801

                  摘要:光伏發電作為當今一種新型、無污染的發電方式,對傳統電能的需求起到了很大緩解作用。但對于并網光伏發電系統而言,由于其本身隨機性、波動性、間歇性的特點,且并網光伏發電系統中含有大量的非線性電力電子元器件,相比傳統發電方式,光伏發電對電網電能質量產生了很大影響。本文分析了并網光伏發電對電網產生的諧波、電壓波動和閃變、直流注入、孤島效應等問題,并研究探討了改善電能質量的可行性措施。

                  0引言

                  隨著國際化進程的不斷加快,世界經濟得到飛速發展,能源的消耗也隨之增加,而傳統能源的逐漸枯竭及環境問題日益嚴重,太陽能作為一種清潔、無污染的可再生能源受到人們的密切關注。近年來光伏發電裝機容量不斷擴大,上網電量也逐年增加,但由于其裝機容量規模一般較小、場址布置相對比較分散、輸出功率浮動較大的特點,也給電網電能質量造成了很大的影響。因此研究光伏發電對電能質量的影響,對促進電力生產及電網安全穩定運行具有重要意義。

                  1光伏發電的基本原理

                  光伏發電利用半導體表面存在的光生伏特的效應,通過光照在半導體材料兩端發出直流電流。當太陽光照在半導體P-N節上時,新的電子-空穴對就會形成,光子將電子從共價鍵中激發后,電子流向N區,空穴流向P區,從而半導體兩端產生電勢差。PN結兩端的電路一旦接通,就會形成電流,從P區經外電路流向N區,對負載輸出電功率。

                  2并網光伏發電的結構和分類

                  并網光伏發電系統主要由太陽電池板(組件)、大功率跟蹤(MPPT)控制器、DC-AC逆變器幾部分組成,采用絕緣柵雙極晶體管(IG-BT)作為光伏逆變器的開關元件。太陽能電池輸出的直流電經過DC-DC變換器將電壓等級升高,再通過DC-AC逆變器將直流電變換為與電網電壓幅值、頻率、相位相同的交流電,以實現并入電網或給交流負載供電,光伏發電系統結構如圖1所示。

                  圖1并網光伏發電系統結構

                  依照并網運行方式,光伏發電系統可分為有逆流并網、無逆流并網和切換型并網三種形式。并網光伏發電系統直接與電網連接,不需要儲能電池,節約了占地面積,大大降低了配置成本,負荷功率缺額由電網補充。因此,并網光伏發電系統是太陽能發電主要發展方向,也是現階段具潛力的新能源發電方式。

                  3并網光伏發電對電網電能質量的影響

                  光伏發電作為新興能源發電的一種,光照、溫度等外部條件隨機性、波動性、間歇性的變化是光伏發電對電網產生影響的主要因素。其中DC-AC逆變器是并網光伏發電系統主要的器件之一,光伏逆變器質量的優劣在一定程度上決定光伏發電的電能質量能否達到并網要求。光伏發電并網運行時會產生諧波、電壓波動和閃變、直流注入、孤島效應等問題,使電網電能質量下降,對電網造成不利影響,嚴重時會于擾供用電系統及光伏發電設備自身的安全穩定運行。

                  3.1諧波影響

                  光伏發電是通過光伏組件將太陽能轉化為直流電,再經過并網型逆變器將直流電變換成交流電實現并網。在光伏發電系統中,逆變器是產生諧波的主要設備。并網逆變器內部電力電子元件的大量應用,提升了系統的信息化和智能化處理,但也增加了大量的非線性負載,造成波形失真,給系統帶來大量諧波。逆變器開關切換速度的延遲,也會影響電網系統內部整體動態性能的輸出,產生小范圍的諧波。如果在天氣(輻照度、溫度)變化較大的情況下,諧波的波動范圍也會隨之變大。盡管單臺并網逆變器輸出電流諧波較小,但是多臺并網逆變器并聯后輸出電流的諧波會產生疊加,從而形成輸出電流諧波超標現象。此外,逆變器并聯容易產生并聯諧振,進而導致耦合諧振現象,造成特定次并網諧波電流擴大,產生并網電流諧波含量超標問題。

                  針對光伏接入后的電能質量問題,提出抑制諧波的有效方法:1)從諧波產生的源頭入手,對諧波源進行改造,減少諧波注入。2)裝置有源或無源濾波器,以吸收某些特定次數的諧波電流。3)裝設附加的諧波補償裝置。

                  3.2電壓波動和閃變

                  在傳統配電網中,有功功率、無功功率隨時間變化才會引起系統電壓波動。而對于光伏發電而言,光伏發電系統有功功率的變化是引起接入點電壓波動和閃變的主要因素。光伏發電系統核心部件光伏電池板的大功率點與輻照強度、天氣、季節、溫度等因素密切相關,這些自然因素的隨機變化引起輸出功率變化較大,致使負載功率在一定范圍內變化頻繁,從而引起并網用戶負載端電壓波動和閃變。

                  目前針對光伏電壓波動和閃變問題的解決方法主要有:1)優化光伏并網逆變器控制策略,提高電壓的穩定性;2)加大變電站母線短路容量;3)在光伏電站容量確定的情況下,提高其功率因數,以增加有功功率總量,從而降低無功功率變化量,滿足電壓波動的限值要求。

                  3.3直流注入問題

                  并網光伏發電系統中另一亟待解決的關鍵問題:直流注入。直流注入影響了電網電能質量,同時也給電網中的其他設備帶來不利影響。IEEEStd929-2000與IEEEStd547-2000明確規定,并網發電裝置向電網注入的直流電流分量不能超過裝置額定電流的0.5%。直流注入產生的主要原因有:1)電力電子器件自身分散性及驅動電路不一致不對稱等;2)大功率控制器內部測量器件存在的零點漂移和非線性;3)各開關器件線路阻抗的不對稱,寄生參數和寄生電磁場的影響等。

                  目前抑制直流注入的主要方法包括:1)檢測補償法;2)優化設計逆變器并網結構;3)電容隔直;4)虛擬電容法;5)裝置隔離變壓器等。

                  3.4孤島效應的影響

                  孤島效應是指由于人為因素或自然因素造成電網中斷供電,但各個并網光伏發電系統沒能及時檢測出電網停電狀態,從而光伏發電系統與其相連的負載仍獨立運行的現象。隨著并網光伏發電接入滲透率的不斷擴大,孤島效應發生的幾率也逐漸增加。孤島效應的形成對整個配電網電能質量造成不利影響,主要包括:1)在孤島效應發生位置,其電壓和頻率波動性較大,降低了電能質量,且孤島中的電壓和頻率不受電網控制,可能會造成系統電氣設備損壞和重合閘故障等,同時可能會對電網維修人員造成個人安全隱患。2)在供電恢復過程中,由于電壓相位之間不同步將會產生浪涌電流,有可能導致電網波形瞬間下跌。3)光伏發電系統出現孤島效應之后,如果原供電模式為單相供電模式,有可能使配電網發生三相負荷不對稱的問題,進而降低其余用戶的用電整體質量。4)當配電網切換至孤島方式,僅僅依靠光伏發電系統供應電能,若該供電系統容量太小或未安裝儲能裝置,均有可能造成用戶負荷出現電壓不穩定和閃變問題。

                  針對孤島效應產生的影響,主要有以下解決方法:

                  1. 優化并網光伏發電系統孤島檢測方法,分析光伏發電對配電網故障電流大小、方向及分布的影響,提高故障情況下負荷切除速度和孤島劃分的選擇技術。

                  2)提高孤島檢測技術的可靠性,配置快速有效的反孤島保護功能,在異常情況下準確判斷孤島狀態并迅速有效中斷并網。

                  4安科瑞的解決方案

                  4.1電能質量在線監測

                  APView500 電能質量在線監測裝置采用了高性能多核平臺和嵌入式操作系統,遵照IEC61000-4-30《測試和測量技術-電能質量測量方法》中規定的各電能質量指標的測量方法進行測量,集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測、電壓不平衡度監測、事件記錄、測量控制等功能為一體。裝置在電能質量指標參數測量方法的標準化和指標參數的測量精度以及時鐘同步、事件標記功能等各個方面均達到了 IEC61000-4-30 A 級標準,能夠滿足 110kV 及以下供電系統電能質量監測的要求。

                  4.2防孤島保護裝置

                  防孤島保護裝置檢測到并網點有逆功率、頻率突變、 等異常數據時,即發生孤島現象時,裝置可配合斷路器快速切除并網點,使本站與電網側快速脫離,保證整個電站和相關維護人員的生命安全。

                  4.3產品介紹

                  名稱

                  型號

                  圖片

                  功能

                  電能質量在線監測裝置

                  APView500

                  638035230713572162426

                  16 路交流電壓/電流通道,16 路可編程無源繼電器出口、22 路有源開關量輸入通道,2路 RS485 接口,4 路以太網接口; 1 路 GPS 對時接口,支持 IRIG-B 對時方式;

                  1 路 RS232 接口

                  1 路 USB 接口

                  防孤島保護裝置

                  AM5SE-IS

                  IMG_9948

                  三段式過流保護,低電壓跳閘,零序過壓保護(跳閘/告警) ,逆功率保護,頻率保護(低頻減載/高頻保護) , 后加速過流保護,控制回路斷線告警,FC 回路配合的過流閉鎖功能 , CT 斷線告警

                  多回路匯流箱

                  APV-M4

                  dc3cf91

                  4路光伏匯流監測

                  APV-M8

                  8路光伏匯流監測

                  APV-M10

                  10路光伏匯流監測

                  APV-M12

                  12路光伏匯流監測

                  APV-M16

                  16路光伏匯流監測

                  光伏匯流采集裝置

                  AGF-T

                  IMG_256

                  監測光電池陣列中電池板運行狀態,組串電流測量,匯流箱中防雷器狀態采集、直流斷路器狀態采集

                  逆流檢測儀表

                  AGF-AE

                  IMG_256

                  額定電壓線對N:120V

                  額定電壓線對線:208/240V

                  支持的網絡:L1/L2/N/PE

                  通信:RS485

                   

                  逆流檢測儀表

                  ACR10R

                  IMG_256

                  集成全部電力參數的測量以及電能監測和考核管理,并可實現斷路器開關的“遙信"和“遙控"功能

                  電能質量監測儀表

                  APM830

                  867545242424(1)

                  網絡:三相三線,三相四線

                  功能:全電量測量、電能統計、電能質量分析、錄波功能、事件記錄功能

                  精度:0.5S級

                  5結束語

                  隨著我國光伏發電產業的快速發展,并網光 伏裝機容量和數量的不斷增加,致使電網電能質 量受到很大影響。因此,研究并網光伏發電對電網電能質量的影響非常必要。本文分析了光伏發電的工作基本原理和結構特點,闡述了并網光伏發電中諧波、電壓波動和閃變、直流注入、孤島效應產生的原因,提出了改善電能質量的可行性措施,對于進一步提高光伏發電電能質量具有一定的借鑒意義。

                  參考文獻

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