含高密度居民光伏的低压电网电能质量分析及治理

含高密度居民光伏的低压电网电能质量分析及治理

国网嘉兴供电公司 唐昕 韩中杰 范明

随着居民光伏系统的发展，研究居民光伏发电并网的相关问题，对区域电网安全可靠经济的运行具有重大意义。文中从电网电能质量方法分析了居民光伏系统的接入对地区电网造成的影响，并给出了有源电力滤波（APF）动态补偿装置降低电压波动对电网的影响、抑制谐波等治理措施。

居民光伏；电能质量分析；电能质量治理；谐波

1 引言

随着石化能源日益紧缺，以及电力系统对供电安全性、可靠性和灵活性等要求越来越高，供电模式从传统的高电压、大机组为主的集中式供电模式向含分布式电源的多样化模式发展。分布式光伏，尤其是居民屋顶光伏发电具有安装简单、受区域影响较小等特点，越来越受到政府和用户的青睐，以浙江省为例，2016年制定了“百万家庭屋顶光伏计划”，力推家庭光伏发展。研究居民光伏发电并网的电能质量问题，对提升区域电网的安全稳定和供电可靠具有重要意义。

2 居民屋顶光伏发电系统并网的影响

2.1 居民光伏系统

屋顶光伏发电系统主要由太阳能电池阵列、直流接线箱、DC/AC逆变器、交流配电箱及计量检测系统组成。光伏并网系统将太阳能转换成直流电能后，再通过逆变器将直流电逆变为50 Hz、220 V/380 V的交流电，配电箱输出的电能分成两路，一路通过接入本地负荷以供自用，另外一路接入电网。当光伏发电量大于等于本地负荷时，将多余的电能输送至电网，而当光伏发电量不足以满足居民用户负荷时，负荷电能由电网供给。

2.2 并网的影响

光伏电源并网对电能质量方面的影响主要体现在电压波动与谐波这两方面[1]。

(1)输出不稳定

光伏发电的能源来源是太阳能，除发电装置的故障、检修等原因外，所发电量很大程度上受日照、温度、季节等因素的影响，导致输出功率波动频繁。由于电力系统调度对有功功率的短期负荷精度要求较高，当光伏发电的容量超过一定比率时，将对系统的电压、频率造成影响，不利于电力系统的安全稳定运行，这就需要对光伏系统安装点的多种气象因素进行长期的考察，在大量数据支持的基础上会尽可能提高输出功率预测的准确性，降低对电网的影响。此外，还应在相应的位置配备应对发电量下降的补偿装置，以保证系统的稳定。

(2)对电网冲击问题

居民太阳能光伏发电并网实际上是两个交流电源的并联,只有当两个交流电源的电压同幅度、同相位时才能并联。如果在逆变器交流侧电压与电网电压不同步的情况下并网,将产生冲击性电流,会对电网产生冲击,严重时可能损坏附近居民的电器设备或引起保护动作造成停电事故,并网设备本身也会因冲击而损坏。因此居民太阳能光伏发电并网时采用的并网逆变器必须有很可靠的同步控制装置,并网时要严格按规范操作。

图1马桥新城24号公变台区居民光伏发电系统

图2 姚庄桃源二邨26号箱变台区电能质量测试点

(3) 谐波问题

居民太阳能光伏发电并网设备的逆变器是一个谐波源,其产生的谐波分量与其拓扑结构和控制方式有关,这导致了太阳能光伏发电并网系统在将直流电能逆变转换为交流电能的过程中会产生大量谐波。由于太阳能光伏发电并网系统安装位置的不确定性,实际注入公共连接点的谐波电流需在发电装置并网时按规定方法测量后才能得知。因此,太阳能光伏发电并网系统实际并网时需现场检测其谐波电压、电流是否满足国家标准,如不满足则需采取加装滤波装置等相应措施。

3 居民光伏发电系统并网的电能质量分析

为研究居民光伏并网发电系统对于配电网电能质量的影响[2]，依据《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定的要求》对姚庄桃源二邨26号箱变台区开展电能质量测试与分析。

3.1 现场情况

姚庄桃源二邨26号箱变台区容量630 kVA，配置接触器式无功补偿装置，负载为桃源二邨住宅区居民，21户住户屋顶安装光伏发电系统，每户3 kW，采用220 V单相接入，光伏功率渗透率10%。由于白天小区内居民用电量低，光伏系统发电量大，某些时段出现光伏电能向公变高压侧倒送的情况。

3.2 电能质量测试

2016年8月25日，测试点如图2所示，测试结果如图3所示。

从测试结果可以看出，电流畸变率较大，其中A相电流畸变率平均为19.3%左右；B相电流畸变率平均为13.9%左右；C相电流畸变率平均为10.2%左右。谐波电流在允许值范围内，但其中3次、5次、7次谐波电流较明显。频率在允许值范围内。

4 治理方案

采用有源电力滤波（APF）动态补偿装置，通过外部电流互感器，实时检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后输出PWM信号给内部IGBT，使得逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，相位相反的谐波电流注入电网中，使得流入电网的电流为纯净的正弦波电流，从而达到滤波的目的。

5 治理结果分析

为了验证上述APF动态补偿装置的有效性，本文选择天气较为晴朗，光伏出力满足大部分运行工况的条件下进行测试。测试过程中多次切除、重投APF，反复对比治理效益，测试结果如图5所示。

图3-1 电压波形图

图3-2 电流波形图

图3-3 3次电流谐波畸变量

图3-4 5次电流谐波畸变量

图3-5 7次电流谐波畸变量

图3-6 频率趋势图

图3-7 电流趋势图

图3-8 谐波电流趋势图

图4 APF动态补偿装置接线图

(1)电流测试

从图5可以看出，APF开启时负载侧电流大约在6A左右波动，此时谐波电流大约在3A左右波动，APF补偿值也在3A左右，满足这种小电流系统对于谐波治理的精度要求，补偿效果明显。

(2)谐波治理

1)3次谐波电流畸变率测试

测试时，15∶04-15∶12APF正常工作，15∶12-15∶20手动切除APF。从表1可以看到，在15∶04-15∶12这一段时间内，APF正常工作，此时3次谐波得到很好抑制，谐波畸变率在10%以内，且畸变率相对平稳，尖刺和波动很小。15∶12-15∶20这一段时间内，APF切除，3次谐波明显抬升，畸变率最高可达47,4%，且畸变率频繁波动，系统稳定性受到极大冲击。从投切前后数据对比可以看出，APF的治理效果十分明显。

2)5次谐波电流畸变率测试

测试时，15∶04-15∶12APF正常工作，15∶12-15∶20手动切除APF。从图5可以看到，在15∶04-15∶12这一段时间内，APF正常工作，此时5次谐波得到很好抑制，谐波畸变率在10%以内，且保持平稳，尖刺和波动很小。15∶12-15∶20这一段时间内，APF切除，5次谐波明显抬升，畸变率最高可达42,8%，且畸变率频繁波动，很不稳定。投切前后对比，可见APF的治理效果明显。

测试时，15∶04-15∶12APF正常工作，15∶12-15∶20手动切除APF。从图7可以看到，在15∶04-15∶12这一段时间内，APF正常工作，此时7次谐波得到很好抑制，谐波畸变率在5%左右，且保持平稳，尖刺和波动较小。15∶12-15∶20这一段时间内，APF切除，7次谐波明显抬升，畸变率最高可达26,6%，且畸变率频繁波动，很不稳定。投切前后对比，可见APF的治理效果明显。

3)总谐波电流畸变率测试

以上分析了各典型次数谐波的治理情况，图6为测试期间总谐波电流畸变率趋势图。从图6可以看出，在15∶04-15∶12这一段时间内，APF正常工作，此时系统中总谐波畸变率得到很好抑制，谐波畸变率在15%左右，15∶12-15∶20这一段时间内，APF切除，系统中谐波含量明显抬升，畸变率最高可达65,0%，系统总谐波畸变率波动非常大，系统的稳定性受到了极大冲击，对其他用电负荷和上级配电网络造成了极大危害。从投切前后数据对比可以看出，APF的治理效果明显，系统的谐波情况得到了极大的抑制。

表1 APF电流测试结果

从图5～图8对比可以看出，该治理点在APF投入以后电能质量明显改善，电流畸变率明显减小。APF未投入前，系统中各次谐波电流畸变率普遍在25%以上，且波动十分剧烈，对系统造成很大冲击。APF投入后谐波电流得到了明显的抑制，各次谐波畸变率基本控制在10%以内。其中列出了主要的3，5、7次谐波电流的治理情况，从图中可以看出APF投入后这几次谐波均得到了有效的抑制，系统的稳定性得到了很大提升。综上分析，通过APF针对居民光伏系统的谐波情况可以达到很好的治理效果，并能大大提升该配电区的电能质量。

图5 APF3次谐波电流畸变率测试结果（3次谐波电流畸变率变化波形图）3)7次谐波电流畸变率测试

图6 APF5次谐波电流畸变率测试结果（5次谐波电流畸变率变化波形图）

图7 APF7次谐波电流畸变率测试结果（7次谐波电流畸变率变化波形图）

图8 APF总谐波电流畸变率测试结果（总谐波电流畸变率变化波形图）

6 结论

随着居民光伏发电系统不断接入电网，对电网运行可靠性影响会日趋明显。文中通过分析居民光伏系统的并网谐波电流，提出基于动态补偿装置的治理措施，开展居民光伏系统典型运行状态下试验测试。测试结果表明APF针对居民光伏系统的谐波情况可以达到较好的治理效果，并能提升该配电区域的电能质量。

[1]王博等.并网光伏发电系统电能质量测试与分析[J].低压电器，2013，55（2）：33-37.

[2]吕志盛等.新能源发电并网对电网电能质量的影响研究[J].华东电力，2012，40（2）：0251-0256.

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《电力设备管理》杂志社编辑部2017.7.15