并网光伏发电对电网电能质量的影响

摘要：全球化石能源日益消耗，能源供给状况日趋紧张，世界各国不得不加紧寻找替代能源和大力开发节能技术。而储量丰富、清洁的太阳能，无疑是化石能源理想的可持续替代能源;光伏发电作为太阳能的主要利用途径，能够有效缓解化石能源供给紧张的现状。光伏发电系统并入常规电网，与之共同承担发供电任务，即形成并网光伏发电系统。相对于独立光伏发电，拥有诸多优点的并网光伏发电，受到了各国极力地推崇和大力地发展。

关键词：光伏发电;并网;电能质量

一、并网光伏发电的结构和分类

并网光伏发电系统S爵由太阳电池板（组件）、最大功率跟踪（MPFT）控制器、DC-AC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。太阳能电池输出的直流电经过DC-DC变换器将电压辱级升高再通过DC-AC逆变器将重流电变换为与电网电压幅値、频率、相像相同的交流电，以实现并入电网或给交流负载供电，光伏发电系统结构如图1所示。

依照并网运行方式，光伏发电系统可分为有逆流并网、无逆流并网和切换型并网三种形式a并网光伏发电系统直接与电网连接，不需要储能电池，节约了占地面积，太大降低了配置成本，负荷功率、缺额由电网补充P因此，并网光伏发电系统是太阳能发电主要发展方向，也是现阶段最具潜力的新能源发电方式。

二、最大功率点跟踪技术对电能质量的影响（MPPT）

光伏阵列的输出具有高度非线性特征，并且受到光照强度、温度以及负载状况的影响。在一定的光照强度和环境温度下，只有唯一的电压值对应着光伏阵列的最大输出功率。因此，不断地根据光照强度、温度等外部环境因素的变化来调整光伏阵列的工作点，使之始终处于最大功率点的技术称为最大功率点跟踪技术，就是把太阳能光伏阵列输出功率稳定在其可输出的最大值Pm处。

两级式并网光伏发电的拓扑结构，第一级即变换器和最大功率跟踪算法一起接入到光伏发电控制系统中实现整个并网光伏发电系统的最大功率点跟踪。DC-DC变换器通过控制电力电子功率开关器件的通断，改变功率开关的占空比来调整输出电压平均值的方式改变直流电的幅值。应用在太阳能光伏发电系统中的电压-电压型DC-DC变换电路主要有：降压式（Buck）、升压式（Boost）、升降压式（Buck-Boost）、库克式（Cuk）。无论采用哪种方式都要通过采用改变功率开关管的占空比的方法来实现光伏阵列最大功率点的跟踪。所以电路的参数与控制占空比的算法都会对系统输出电能质量产生影响。滤波电感主要是影响并网光伏发电系统环节的输出电压。电容取值不变时，随着电感的取值减小，光伏阵列输出电压则由振荡启动转变为非振荡启动，减小了电压跟随设定值的速度，增加了达到稳态的时间，且振荡峰值也随着电感的减小而增大。但当电感值小于理论上的最小值时，就会产生使输出电压引起输出纹波电流过大、并网谐波增加等等问题。电容的取值则主要影响光伏阵列输出电压启动过程的调节时间以及稳态电压波动的幅度，不影响输出电压的幅值。电容取值越大，输出电压波动幅度就越小，这样，有利于并网光伏发电系统逆变电路直流母线电压的稳定;但电容取值增大会使得启动的振荡过程变久而降低电压的跟随速度，同样当电容值小于理论上的最小值时，稳态输出电压就会出现高频率、大幅度的波动，这将会严重影响电能质量。

最常见的最大功率跟踪算法主要有三种：恒电压跟踪法、扰动观察法以及电导增量法。恒电压跟踪法是把光伏阵列输出电压始终控制在某一设定值来达到最大功率跟踪。可以保证比较好的电能质量输出。但在外界环境变化的时候，恒电压法适应性很差，会造成光伏阵列输出功率的损失，甚至光伏阵列输出电压低于设定值，使输出功率为零，严重降低光伏电池的利用率，引起整个电网功率缺额，从而影响并网的电能质量。

三、并网逆变器对电能质量影响因素分析

并网光伏发电系统的主要功能为将太阳能光伏阵列所产生的直流电直接转换成与电网电压同频、同相的交流电，其控制方式如同一个与电网电压同步的电流控制型PWM逆变器。为了降低送入电网的电流对电网产生的电流谐波，因此送入电网的电流波形总谐波畸变率应越低越好。控制目标为输出功率因数为1。

逆变器按输出控制方式也分为电压控制与电流控制两种。若采用L型并网逆变器，则逆变电路对并网电能质量产生影响的元件参数主要有直流侧电容、滤波电感。电容取值若太小则会增大电压波动，降低并网电流跟踪效果;电容取值若过大又会降低动态响应速度，而且会增加电容造价和物理体积。从滤波电感决定逆变电路低频输出阻抗来说，取值应尽量小，但这样会增大电路谐波电流。滤波电感越大，THD值越小，即并网的谐波电流越小。另外，光伏并网控制环节也是影响并网光伏发电系统电能质量的重要因素，不同的电流跟踪控制方式直接关系到逆变器输出电流的波形质量。以滞环电流比较控制为例，其中的滞环宽度与开关频率都直接影响并网输出电流的电能质量。环宽太大会降低并网电流的跟踪精度，电流THD值增大;环宽取值太小又会使开关频率过高，而开关频率的波动性过大会造成并网电流频谱较宽，这样会加大滤波电路的设计难度，同时增加并网电流谐波。

四、结束语

随着我国光伏发电产业的快速发展，并网光伏装机容量和数量的不断增加，致使电网电能质量受到很大影响。因此，研究并网光伏发电对电网电能质量的影响非常必要。本文分析了光伏发电的工作基本原理和结构特点，阐述了并网光伏发电中谐波、电压波动和闪变、直流注人、孤岛效应产生的原因，提出了改善电能质量的可行性措施，对于进一步提尚光伏发电电能质量具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]查晓明，刘飞光伏发电系统并网控制技术的现状与发展[J]变频器世界2010（02）

[2]王长贵并网光伏发电系统综述（上）[J]太阳能，2008（2）

[3]杨鲁发光伏并网发电系统和孤岛检测技术的研究与实现[D]华北电力大学硕士学位论文2009

作者介绍：

刘文平（1991.2.22-）;性别：男;籍贯：湖北荆州;民族：汉;学历：硕士研究生; 研究方向： 新能源與电能质量控制;单位名称：广东电网有限责任公司中山供电局。