光伏并网发电对电能质量的影响及解决方案
摘要:光伏发电作为一种新型无污染的发电方式，极大地缓解了对传统电能的需求。但是，对于并网光伏发电系统来说，由于其固有的随机性、波动性和间歇性等特点，并且并网光伏发电系统中含有大量的非线性电力电子元件，与传统发电方式相比，光伏发电对电网的电能质量有很大的影响。本文分析了光伏并网发电对电网造成的谐波、电压波动和闪变、DC注入、孤岛效应等问题，并研究和探讨了改善电能质量的可行措施。
0简介
随着国际化进程的加快，世界经济快速发展，能源消耗也随之增加，传统能源逐渐枯竭，环境问题日益严重，太阳能作为一种清洁、无污染的可再生能源受到人们的密切关注。近年来，光伏发电装机规模不断扩大，上网电量也逐年增加，但由于其装机容量普遍较小、站点布局相对分散、输出功率波动较大的特点，也对电网的电能质量造成了很大影响。因此，研究光伏发电对电能质量的影响对促进电力生产和电网安全稳定运行具有重要意义。
1光伏发电的基本原理
光伏发电利用半导体表面存在的光伏效应，通过半导体材料两端的光发送直流电。当太阳光照射到半导体P-N结上时，形成新的电子-空穴对，光子从共价键激发电子后，电子流向N区，空穴流向P区，导致半导体两端产生电势差。一旦PN结两端的电路连接，就会形成电流，通过外部电路从P区流向N区，电力将输出到负载。
2并网光伏发电的结构和分类
并网光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、大功率跟踪（MPPT）控制器、DC-交流逆变器几部分组成，采用绝缘栅双极晶体管（IG-BT）作为光伏逆变器的开关元件。太阳能电池的DC输出通过DC-DC变换器提升电压水平，然后通过DC-交流逆变器将DC转换成与电网电压同幅、同频、同相的交流电，实现并网或向交流负载供电。光伏发电系统的结构如图1所示。
图1并网光伏发电系统结构
根据并网运行方式，光伏发电系统可分为逆流并网、无逆流并网和切换并网三种形式。并网光伏发电系统直接接入电网，不需要储能电池，节省了占地面积，大大降低了配置成本，负载电力不足由电网补充。因此，并网光伏发电系统是太阳能发电的主要发展方向，也是现阶段极具潜力的新能源发电方式。
3并网光伏发电对电网电能质量的影响
光伏发电作为新能源发电，光照、温度等外部条件的随机性、波动性、间歇性变化是光伏发电对电网冲击的主要因素。其中，DC交流逆变器是光伏发电系统并网的主要设备之一，光伏逆变器的质量在一定程度上决定了光伏发电的电能质量能否满足并网要求。光伏发电并网后，会产生谐波、电压波动和闪变、DC注入和孤岛效应等问题，降低电网的电能质量，对电网造成不利影响。严重时会扰乱供电系统和光伏发电设备本身的安全稳定运行。
3.1谐波影响
光伏发电是将太阳能通过光伏组件转化为直流电，再通过并网逆变器将直流电转化为交流电实现并网。在光伏发电系统中，逆变器是产生谐波的主要设备。电力电子器件在并网逆变器中的大量应用提高了系统的信息化和智能化处理水平，但同时也增加了大量非线性负载，造成波形畸变，给系统带来大量谐波。逆变器开关速度的延迟还会影响电力系统内整体动态性能的输出，从而产生小范围的谐波。如果天气（辐照度、温度）变化较大，谐波的波动范围也会变大。虽然单个并网逆变器的输出电流谐波较小，但多个并网逆变器并联后会叠加输出电流谐波，导致输出电流谐波超标现象。此外，逆变器并联容易产生并联谐振，进而导致耦合谐振现象，造成比谐波电流扩大和并网电流谐波含量超标的问题。
针对光伏接入后的电能质量问题，提出了抑制谐波的有效方法:从谐波产生的源头入手，对谐波源进行改造，减少谐波注入。吸收特定数量谐波电流的有源或无源滤波器。安装额外的谐波补偿装置。
3.2电压波动和闪烁
在传统配电网中，有功功率和无功功率随时间的变化会引起系统电压波动。对于光伏发电来说，光伏发电系统有功功率的变化是引起接入点电压波动和闪变的主要因素。光伏发电系统的核心部件光伏板的高功率点与辐射强度、天气、季节、温度等因素密切相关，而这些自然因素的随机变化导致输出功率变化较大，导致负载功率在一定范围内频繁变化，造成并网用户负载端电压波动和闪变。
目前，光伏电压波动和闪变问题的解决方案如下:
1）优化光伏并网逆变器的控制策略，提高电压稳定性。
2）增加变电站母线的短路容量。
3）当光伏电站的容量确定时，其功率因数增加以增加总有功功率，从而减少无功功率变化量并满足电压波动的限制要求。
3.3直流注入问题
并网光伏发电系统需要解决的另一个关键问题是DC注入。直流注入影响电网的电能质量，也给电网中的其他设备带来不利影响。IEEEStd929-2000和IEEEStd547-2000明确规定并网发电装置注入电网的DC电流分量不能超过装置额定电流的0.5%。注射DC的主要原因是:
1）电力电子器件本身的分散性和驱动电路的不一致性和不对称性；
2）大功率控制器中测量器件的零点漂移和非线性；
3）每个开关器件的线路阻抗的不对称性、寄生参数和寄生电磁场的影响等。
目前，抑制DC注射的主要方法包括:
1）检测补偿方法；
2）优化设计逆变器的并网结构；
3）电容器直线分离；
4）虚拟电容法；
5）装置隔离变压器。
