屋顶光伏电站并网运行特性分析

胡文堂，童杭伟

（浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

浙江电网60 kW屋顶光伏示范电站并网运行一年多以来，整体运行情况良好，组成电站的2类单晶硅光伏组件及3种逆变器工作性能稳定，无设备故障，能实现自动连续工作。通过对电站运行特性的总结及设备性能的试验研究，为进一步完善光伏电站安全、有序地接入公用电网的技术要求提供依据。本文在国家电网公司科研项目《分布式光伏电源接入配电网的规划设计和运行控制技术研究》（国家电网发展[2009]970号《关于下达2009年国内公司总部第二批科技项目计划的通知》文件）的研究成果基础上总结而成。

1 发电量统计

光伏电站的发电量受多种因素（如地区、季节、气候等）的影响，波动性较大，但具有一定的规律性。

1.1 年发电量情况

杭州处于Ш类光辐射能地区，历史统计典型年太阳辐射能参数约4 400 MJ/m2·a。受气候条件影响，2009年实测太阳辐射能约4 000 MJ/m2·a（约 1 111 kWh/m2·a）， 按月统计的太阳辐射能情况如图1所示。60 kW光伏电站年发电量约53 000 kWh，年发电利用小时数约为883 h。

图1 2009年60 kW光伏电站月累积太阳辐射能

1.2 月发电量情况

60 kW光伏电站的月发电量统计如图2所示，其中5月份发电量最多，11月份最少，春夏季的发电量多于秋冬季的发电量。

1.3 典型日发电量曲线

有3类典型的发电功率曲线：阴雨天、有云天及晴天，光照强度和发电功率对应曲线见图3－图5，从图中可以看出发电功率与光照强度成正相关性。

图2 60 kW光伏电站月发电量统计

图3 60 kW光伏电站典型晴天发电功率

图4 60 kW光伏电站典型有云天发电功率

图5 60 kW光伏电站典型阴雨天发电功率

晴天日照充足，日发电量大，中午时段发电量最大，功率变动规律较稳定，全天功率曲线为馒头波形；阴雨天光照量小，发电量很少；少云或多云天，太阳经常在短时间内被云遮挡，功率变化较大，统计得到功率变化最大值为15 kW/min，为光伏电站总装机容量的25%。因此，有云的天气条件下，光伏电站发电功率波动对配电网的功率调节有一定的影响。

2 光伏电站谐波特性

将光伏组件产生的直流电转化为工频交流电时需采用大量的电力电子变换器件，由此产生的电流谐波将对电能质量参数产生一定影响。为了消除或减小光伏电站并网对电网电能质量造成的影响，需要检测和规范其谐波指标。

（1）晴到多云天气，在60 kW光伏电站输出功率为35.75 kW（59.5%）工况下，测得电站谐波电流总畸变率为2.32%。

（2）在相同日照和气候条件、较大发电功率工况下，同时对3台不同容量的逆变器谐波电流指标进行检测，结果为：30 kW国产三相逆变器的畸变率为3.42%，6 kW国产单相逆变器的畸变率为2.51%，5 kW进口单相逆变器的畸变率为1.73%。

其中，Yit表示 i地区在 t年的产业集聚水平，利用区位商来衡量我国水利产业集聚水平。 X1it、X2it、X3it、X4it、X5it分别表示i地区在t年律师、会计师等市场中介组织服务条件，行业协会对企业的帮助程度，对生产者、消费者合法权益的保护程度，对知识产权保护的程度。X6it为可能影响水利产业集聚水平的控制变量的向量，其中包括经济规模、城市化水平、政府干预、收入差距、FDI、交通基础设施、劳动力素质与市场化程度；εit为误差项。

3类逆变器的谐波指标测试结果均小于GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》中5%的要求[1]。

3 光伏电站对电网异常的响应特性

3.1 电压异常响应特性

为保证光伏电站接入点的交流负载正常工作，光伏电站输出电压应与电网相匹配。正常运行时，光伏电站在并网点处的电压偏差应符合国家电网《光伏电站接入电网技术规定》[2]相关要求。

按规定要求进行了并网点电压响应特性试验，实测结果见表1。以下2种工况下的电压特性未达到规定的要求。

（1）在电网电压异常跌落至85.8%UN时，3台5 kW单相逆变器和1台30 kW三相逆变器均工作正常，但3台6 kW单相逆变器停机，不符合规定中应连续工作的要求。

（2）在电网电压异常高于135%UN时，光伏电站分断时间为0.69 s，大于规定中应在0.05 s内快速分断的要求。

表1 光伏电站在电网电压异常时的响应

3.2 频率异常响应特性

光伏电站并网时应与电网同步运行。国家电网《光伏电站接入电网技术规定》要求：当小型光伏电站并网点频率超过 49.5～50.2 Hz时，应在0.2 s内停止向电网线路送电。

4 光伏电站防孤岛保护特性

孤岛效应是指分布式能源并网发电系统中，当电网因人为切断或出现故障而停止向负载供电时，分布式能源系统继续并网工作，从而使电网局部负载仍处于供电状态的现象。孤岛效应形成了电力公司无法掌控的自给供电孤岛，可能会导致并网逆变系统和用电设备的损坏，还会对电力检修人员造成危险。因此准确、及时地检测出孤岛效应是光伏并网电站设计中的关键问题。

技术规定要求光伏电站必须具备快速监测孤岛且立即断开与电网连接的能力。若逆变器并入的电网供电中断，逆变器应在2 s内停止向电网供电。

现场实际选择了4类典型工况开展了防孤岛效应保护试验，试验接线如图6所示。在光伏电站不同的发电功率下，可对各种负载类型进行调节，控制并网开关的分断来进行试验。

图6 60 kW光伏电站防孤岛效应保护试验接线图

（1）电阻性负载工况下，以光伏发电功率为24.9 kW进行试验。试验结果为：光伏电站与电网断开连接后的孤岛时间为0.17 s，频率、电压均有波动，频率变化为50～52 Hz，电压最大波动值为20 V。

（2）光伏电站30 kW三相逆变器投入运行，平衡负载工况下，光伏发电功率为18.9 kW，调节电阻、电感及电容阻抗，使品质因数Q约为1，并网点电流为1～2 A进行试验。试验结果是：光伏电站孤岛时间为0.79 s，频率较稳定，电压最大波动值为20 V。

（3）平衡负载工况下，光伏发电功率为29.2 kW，调节电阻、电感及电容阻抗，使品质因数Q约为1，并网点电流为2～3 A进行试验。试验结果是：光伏电站孤岛动作过渡时间为1.77 s，频率较稳定，电压最大波动值为20 V。

（4）平衡负载工况下，光伏发电功率为20.6 kW，调节电阻、电感及电容阻抗，使品质因数Q约为1，并网点电流为1～2 A进行试验。试验结果是：光伏电站并网开关分断后，孤岛动作过渡时间达29.52 s，不能在2 s内停止向电网供电，在孤岛过程中，频率变化范围48～51 Hz，电压值前后无变化。

从试验结果分析，光伏电站在并网点内部的发电功率与阻性、感性和容性负载形成品质因数Q约为1的特殊工况下，若电网断电或断开并网开关，并网点内仍可能维持电压、频率等参数稳定，从而使电站设备不易检测出孤岛的发生。

5 结论

（1）60 kW光伏电站经一年半的实际运行，光伏组件及逆变器设备工作性能良好。实测光伏电站的太阳能辐射能约4 000 MJ/m2·a，电站年发电量53 000 kWh，年利用小时数883 h。

（2）实测60 kW光伏电站各设备的谐波参数均满足GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的要求。

（3）60 kW光伏电站在电压异常、频率异常时的动作时间不满足国家电网公司技术规定要求。

（4）在电阻性负载工况下，60 kW光伏电站未发生孤岛现象；在平衡负载、品质因数约为1的特殊工况下，由多种逆变器组合的60 kW光伏电站发生了延续时间达29.52 s的孤岛现象。

（5）为有效考核光伏电站的运行特性，应对光伏电站的整体特性进行检测试验。

[1]GB/T 14549-1993电能质量 公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1994.

[2]国家电网发展[2009]747号.国家电网公司光伏电站接入电网技术规定（试行）[S].北京：国家电网公司，2009.