光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題探析

摘要：光伏發(fā)電是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，其是水利、風(fēng)能發(fā)電之后的又一種潔凈能發(fā)電。因?yàn)楣夥l(fā)電是直流電，需要在光伏陣列、并網(wǎng)逆變器作用下轉(zhuǎn)化為交流電，然后安全地并入電網(wǎng)。故而光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題除了和光伏發(fā)電系統(tǒng)容易受氣候影響之外，主要是受光伏陣列、并網(wǎng)逆變器影響較為顯著。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；并網(wǎng)系統(tǒng)；電能質(zhì)量；問題探析前言：光伏發(fā)電在我國(guó)方興未艾，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到100GW裝機(jī)容量，這意味著若是保持年總發(fā)電量不變，可以將目前的30座大型煤炭發(fā)電廠取締，屆時(shí)會(huì)形成龐大的環(huán)境效應(yīng)。但目前來看光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題是光伏發(fā)電發(fā)展的瓶頸之一，只有消除了這些問題，才能保證光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì)完全發(fā)揮出來。一、光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)存在的電能質(zhì)量問題光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)主要包含了光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、濾波電路、控制電路等部分。這其中光伏陣列的機(jī)理是光電效應(yīng)，其中包含了豐富的組件，例如并聯(lián)電池組件、串聯(lián)電池組件，電池是光伏陣列最小單位，是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能的主要功能組件。而并網(wǎng)逆變器將光伏陣列形成的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，經(jīng)過濾波電路處理后，通過控制電路進(jìn)入國(guó)家電網(wǎng)。這其中光伏陣列、并網(wǎng)逆變器成為光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量最主要影響因素。光伏陣列導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題。主要是光伏陣列材料選擇、方位角傾斜角對(duì)發(fā)電質(zhì)量有影響。另外光伏發(fā)電一般都是處在屋頂，需要協(xié)調(diào)屋頂面積和發(fā)電量問題，即要確保在有限的屋頂面積達(dá)到最大的發(fā)電量。除此之外，光照越強(qiáng)、光照時(shí)間越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化的電能越多，反之電能越少，這就決定了光伏發(fā)電具有晝強(qiáng)夜衰的特點(diǎn)，電能波動(dòng)較大，這樣不同頻率的電能會(huì)對(duì)國(guó)網(wǎng)電壓產(chǎn)生較大的影響，該影響負(fù)載電壓使其發(fā)生劇烈波動(dòng)，對(duì)國(guó)網(wǎng)線纜等設(shè)備也具有一定的破壞性。化為交流電的裝置，是光伏電能并入國(guó)網(wǎng)的關(guān)鍵一步。并網(wǎng)逆變器的質(zhì)量、內(nèi)部拓?fù)?、控制策略、參?shù)的設(shè)定，都是直接影響到并網(wǎng)電能質(zhì)量的關(guān)鍵。質(zhì)量問題方面主要是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是大功率電子元器件，在這些元器件作用下讓并網(wǎng)逆變器發(fā)揮出抗干擾、抗過載、限流能力。一旦這些元器件質(zhì)量不足，必然會(huì)造成這些功能的下降。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上存在隔離型、非隔離型兩種方案，不同方案存在著不同的問題，非隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)楣夥姵睾偷刂g存在寄生電容，若是其和濾波電路發(fā)生諧振，會(huì)形成共模電流，直接沖擊了并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量。在控制策略上容易出現(xiàn)因?yàn)閷I(yè)不足而選擇錯(cuò)誤的情況，導(dǎo)致了環(huán)流現(xiàn)象而且控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，提高了成本。另外并網(wǎng)逆變器大量安裝會(huì)給整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)帶來孤島效應(yīng)，即國(guó)網(wǎng)停電后，光伏電網(wǎng)沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)國(guó)網(wǎng)停電，沒有及時(shí)將自身從網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中切出，這必然讓光伏電網(wǎng)繼續(xù)向國(guó)網(wǎng)當(dāng)中設(shè)備供電，該現(xiàn)象非國(guó)網(wǎng)所能掌控，容易給正在國(guó)網(wǎng)當(dāng)中維修人員帶來安全威脅，而且因?yàn)槠涮峁╇妷翰环€(wěn)定，會(huì)給設(shè)備帶來一定損害。同時(shí)若是國(guó)網(wǎng)故障修復(fù)突然通電，便會(huì)出現(xiàn)明顯浪涌現(xiàn)象，對(duì)光伏系統(tǒng)造成不利影響，或者同時(shí)造成了包括國(guó)網(wǎng)、光伏電網(wǎng)在內(nèi)所有設(shè)備的損壞。這就要求并網(wǎng)逆變器必須具有非常靈敏的孤島效應(yīng)檢測(cè)功能。3.整個(gè)光伏單元對(duì)配電網(wǎng)影響巨大。整個(gè)光伏單元不具有自行調(diào)度能力，所以國(guó)網(wǎng)若是出現(xiàn)電壓、頻率的改變，就會(huì)造成光伏單元和國(guó)網(wǎng)彼此間的沖突。另外，對(duì)于原本穩(wěn)定的國(guó)網(wǎng)來說，并入大量的光伏電網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓出現(xiàn)波動(dòng)，進(jìn)而形成不同程度網(wǎng)損、頻繁的閃變、電路元件過熱等問題。二、提升光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的策略通過前文分析可知，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量多存在閃變、諧波、網(wǎng)損、孤島反應(yīng)等問題。這些問題的根本致因是光伏電網(wǎng)整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)不佳，以及光伏網(wǎng)絡(luò)和國(guó)網(wǎng)二者間存在的頻率差異。對(duì)此給出以下對(duì)策：1.提高光伏陣列質(zhì)量以及安裝精度。這是保證光伏電網(wǎng)能夠產(chǎn)生足夠電能的根本前提。第一，需要選擇國(guó)家推薦的光伏陣列，這樣的產(chǎn)品質(zhì)量過硬，售后有保證。第二，要掌握傾角、方位的精度。首先需要充分地觀察周圍環(huán)境，對(duì)于山脈、森林、風(fēng)向、光照時(shí)長(zhǎng)等進(jìn)行信息采集，務(wù)求場(chǎng)地具有日照時(shí)間長(zhǎng)、少陰影或者無(wú)陰影特點(diǎn)，這是保證發(fā)電量的關(guān)鍵。在方位上，主要以正南±20°為宜，其中以偏西南20°為最佳，因?yàn)檫@樣可以保證電量峰值轉(zhuǎn)移到午后1-2點(diǎn)，這樣的方位設(shè)計(jì)更利于冬季發(fā)電。傾角需要專業(yè)隊(duì)伍采用專用軟件來展開計(jì)算才能最終確定。最佳方位以及傾角，同時(shí)光伏陣列品質(zhì)較高，三者協(xié)同之下，會(huì)有效提高發(fā)電質(zhì)量，降低閃變影響［1］。提高并網(wǎng)逆變器質(zhì)量以及拓?fù)湓O(shè)計(jì)、控制策略水平。第一，在質(zhì)量控制上需要采購(gòu)信譽(yù)廠家產(chǎn)品，這樣廠家的產(chǎn)品在抗干擾、抗過載、限流能力上更勝一籌。第二，提高拓?fù)湓O(shè)計(jì)水平。其中主要明確光伏電網(wǎng)的規(guī)模、隔離以及非隔離型具有的優(yōu)劣勢(shì)，來最終選擇正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如和隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，無(wú)變壓器非隔離型雖然成本低得到了光伏發(fā)電投資主體的關(guān)注，不過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)存在一定的對(duì)地寄生電容，該電容可以產(chǎn)生共模電流，會(huì)影響整個(gè)光伏系統(tǒng)，為消除這一影響可以融入帶有交流旁路的全橋逆變器，這樣的設(shè)計(jì)能夠有效切斷續(xù)流回路和直流側(cè)，消除了共模電流，同時(shí)也因?yàn)檎{(diào)整了交流側(cè)輸出電壓，讓其和單極性調(diào)制相同，這意味著提高了整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。綜合比較隔離型、非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，可以發(fā)現(xiàn)采用兩級(jí)式非隔離型拓?fù)渥顬楹侠?，既能提高發(fā)電效率，又能有效防止諧波導(dǎo)致的閃變⑵。第三，選擇最佳控制策略。目前最佳控制方式是電壓源電流控制，該種控制方案當(dāng)中存在電流滯環(huán)瞬時(shí)控制、固定開光頻率控制，后者具有固定頻率，逆變器形成的諧波也比較穩(wěn)定，如此降低了濾波電路設(shè)計(jì)難度，最主要的是該方法在光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中具有良好的逆變器輸出功率控制功能，有效消除并網(wǎng)環(huán)流，保持了電網(wǎng)穩(wěn)定。第四，為了有效消除光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)和國(guó)網(wǎng)之間存在的孤島效應(yīng)，可以采用主動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)是作用于并網(wǎng)逆變器，使其輸出功率、頻率和國(guó)網(wǎng)存在偏差，國(guó)網(wǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間不能檢測(cè)出這一偏差，但國(guó)網(wǎng)一旦斷電，逆變器形成的偏差逐漸加大到一定程度后，會(huì)觸發(fā)孤島效應(yīng)檢測(cè)電路，能夠?qū)⒐夥娋W(wǎng)切除，從而避免了孤島效應(yīng)帶給整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的損害。積極研發(fā)新技術(shù)，降低光伏電網(wǎng)對(duì)國(guó)網(wǎng)的沖擊。第一，在光伏電網(wǎng)當(dāng)中融入儲(chǔ)能技術(shù)，該技術(shù)能夠有效地調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率，而且抑制電網(wǎng)功率波動(dòng)，讓整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)安全度得以提升起來。第二，進(jìn)行諧波抑制。諧波產(chǎn)生是因?yàn)榇嬖诜蔷€性負(fù)載，具體可以融入諧波抑制器，或者面對(duì)國(guó)網(wǎng)和光伏電網(wǎng)展開統(tǒng)一逆變器操作，讓逆變器得到統(tǒng)一安置，避免了不同逆變器之間的相互影響[3]總結(jié)：光伏電網(wǎng)發(fā)電并網(wǎng)在我國(guó)尚處在初級(jí)階段，還有很多問題有待解決。目前來看主要集中在諧波導(dǎo)致的閃變、電能劇烈變化對(duì)電網(wǎng)的沖擊、孤島效應(yīng)等問題，在應(yīng)對(duì)上首先需要保證光伏發(fā)電網(wǎng)質(zhì)量過硬，其次需要對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，要盡可能保證光伏電網(wǎng)頻率和國(guó)網(wǎng)頻率的統(tǒng)一，并增加光伏電網(wǎng)自我檢測(cè)能力，能夠在國(guó)網(wǎng)出現(xiàn)故障或者檢修時(shí)及時(shí)將自身從網(wǎng)絡(luò)中切除，避免孤島效應(yīng)損害。參考文獻(xiàn)：蔡曉榆，許清壇.提升光伏發(fā)電并網(wǎng)效率的措施[