太阳能发电对电网电能质量的影响分析

赵丹　李雪刚

摘要：在分析太阳能发电基本原理的基础上，从发电量波动问题、电压无功问题、谐波问题和直流偏置问题等四个方面对太阳能发电可能造成电网电能质量的影响进行了分析。

关键词：太阳能发电；电网；电能质量；影响

根据能源局统计数据，截至2014年末，我国并网光伏装机容量达到2805万千瓦，同比2013年增长60%。光伏发电量约250亿千瓦时，同比增长200%。此外，根据国家电网公司《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》，6MW以下光伏电站可以接入10kV及以下电压等级，以实现电能的就地利用。可以预见，随着国家对于分布式电源的重视，并入电网的光伏电站将越来越多。然而，利用电力电子设备实现并网与发电的太阳能电池，存在着谐波等干扰，并且，太阳能发电还存在着间歇性和波动性等固有特征，因此，研究光伏并网对电能质量的影响迫在眉睫。

1 太阳能发电的基本原理

太阳能发电就是利用光伏电池实现太阳辐射能到电能转变的发电形式。从入网方式看，有独立运行和并网运行两种，其中，并网运行是实现太阳能大规模利用的主要形式，通过逆变器将太阳能产生的直流电转变为交流电馈入电网。从并网系统的具体形式看，并网光伏系统主要有三种，即有逆潮流并网、无逆潮流并网和自立运行切换型并网。

光伏电池是整个太阳能发电的核心和关键，其等效电路可如图1所示[1]，由恒流发生器、二极管和负载电阻组成。图1中，Iph为光伏电池发出的光电流，其值与光伏板面积和入射光辐射强度成正比，IVD为经过PN结的电流，IL为输出的负载电流，Uoc为输出的电压，太阳能输出的电流可见式（1）所示。

2 太阳能发电对电网电能质量的影响

2.1 发电量波动问题

光伏发电的稳定输出需要平稳的太阳光照辐射量，由式（1）可以看出，对于某块光伏电池板来说，稳定的光伏出力与太阳辐照度、环境温度等因素直接相关。类似地，光伏电站出力也直接受太阳能辐照度影响，统计数据显示，光伏出力最大值大都集中于正午12点至15点间。

其实，光照受多种因素影响，导致光伏发电出力存在着不确定和不稳定特点。这些因素包括夜晚、阴天、雾霾、尘埃、环境温度等，并且，影响光伏出力的这些因素是人为所不能控制的。研究已表明，太阳能发电输出功率的瞬时最大变化率甚至会超过10%，不稳定的出力将影响电力系统稳定运行，对系统调峰、调频提出严峻挑战。

2.2 电压无功问题

太阳能发电时，为了防止逆变器桥臂上、下开关管直通，需要在控制信号中加入死区时间，由于电感的存在，在死区时间内，逆变器输出电压将由电感电流来决定。正是由于死区使得逆变器输出的实际PMW波形与理想波形有一定偏差，形成方波输出。结合开关元件的特点，在整数次倍数附近将有大量高次谐波，导致输出电流产生畸变，一旦太阳能发电并入配电网，由于配网线路阻抗较大，将使电网中电压出现畸变。

此外，为充分利用逆变器容量，太阳能发电量将主要向电网注入有功电流，通常使得逆变器输出功率因数超过0.95。在旋转dq0坐标系下，理想交流分量所对应的有功和无功电流均为直流，但是，一旦输出电流和电压包含了谐波电流时，输出的有功和无功电流将必然包含交流量，传统的PI控制将无法实现无静差调节[2]。并且，随着光伏装机容量的增大，出力波动性、间歇性和周期性特点将对电网稳定运行带来极大威胁，只有提供足够的无功功率才能维持电压的波动。

另外，不得不提到的是，当包含光伏发电系统的电力网络发生故障时，系统的电压降和发电机功角变化将比没有光伏发电系统的电网更大。其原因在于光伏发电系统不存在旋转机械部件，导致系统总惯量减少并增大电压降，并且，随着光伏装机在系统中比例的增加，会需要更长的时间才能恢复到稳态，为了提高包括光伏电池系统的电力系统电压稳定性，需增加额外的电压控制设备和无功补偿装置。

2.3 谐波问题

由于太阳能电池输出的是直流，为了与交流电网连接，需要加装合适的电力电子设备，将直流电逆变为交流电，但由于电力电子设备会产生一定的谐波，从而影响并入电网的电能质量。研究表明，光伏并网会产生不同比例的奇次和偶次谐波。尤其是在光伏含量较大的电网中，大量的谐波干扰会导致系统中产生并联谐振和串联谐振问题。为了解决这些问题，可在系统中设计控制技术以抑制相应的谐波，例如，最大功率跟踪、直流交流功率转换、无功补偿、谐波消除、隔离保护等。另外，为了防止谐波电流注入电力网络，变流器控制方案中还可加入滤波器。另外，还需指出，当逆变器输出轻载时，谐波会变得更加明显，比如，在10%额定出力以下时，电流总谐波失真率甚至会超过20%。

2.4 直流偏置问题

在太阳能发电系统中，逆变器正弦波中的直流分量、控制回路中运放的零点漂移以及开关元件、驱动回路特性不一致等，将导致逆变器输出电压中存在直流分量。如果此类光伏发电系统并入电网，将导致直流分量注入电网中，对于电网中无隔离的变压器，将导致变压器正常工作点发生偏移，使得变压器发生饱和。如果直流分量流入线路中，由于线路阻抗不一致，将会在光伏并网逆变器间形成一定量的直流环流，由于功率的不均匀，将使得直流环流影响光伏系统的运行。此外，直流偏置问题还会导致绝缘老化，形成较高的电流峰值。

参考文献

[1]吴素农，等.分布式电源控制与运行[M].北京：中国电力出版社，2012.