光伏发电功率短期预测方法研究

潘晨玥

（国网江苏省电力有限公司宝应县供电分公司）

0 引言

大量开采化石能源对环境造成了非常大的影响，可持续发展的理念逐渐深入人心，因此对于太阳能的开发和利用尤为重要。世界上的能源来自于太阳系中的恒星，太阳能是一种可以再生、没有污染的能源，据不完全统计，现如今我国太阳能发电量年均增加57.1%，光伏发电已经成为了我国的一个新产业［1］。光伏发电的应用不但可以实现直流微电网的功能，还可以实现光伏发电并网，所谓光伏发电并网是指光伏电池板发出电以后通过逆变器对电能进行转换，然后并入交流电力网络，供用户使用；直流微电网简单来说就是不对电能进行逆变，直接对直流电进行控制和利用［2-3］。

1 光伏并网发电系统及电能质量概述

1.1 光伏发电系统的组成

光伏并网系统一般包含光伏阵列、并网逆变器等组成部分。对于双级并网逆变器，还包含DC-DC变换器；分布式光伏发电系统一般情况下还会包含有储能电池。

光伏阵列就是光伏电池板，它是最基础也是最核心的部分，通过光伏电池板可以把光照转化为电能；DC-DC变换器的主要功能是把宽电压范围的低电压转化为恒定的高电压，同时DC-DC变换器还具备最大功率点追踪（MPPT）控制功能；光伏阵列发出的直流电需要经过逆变器逆变成交流电再并网。包含储能电池的光伏发电系统结构如图1所示。

图1 可调度光伏并网系统结构

1.2 光伏发电系统关键技术和原理

（1）光伏电池

光伏电池能够把光能转换成电能主要是利用了P-N结的光生伏打效应。理想情况下，光伏电池板在电路结构上可以等效为一个电流源和二极管的并联，但实际情况下的光伏电池板等效电路如图2所示。其中，ID是P-N结能够发出的总电流，Rsh是电阻损耗，Rs是漏电流的损耗。

图2 光伏电池等效电路模型

（2）最大功率点跟踪控制

光伏电池板在输出电压小于35V的范围内，输出电流基本不变，但是当输出电压大于35V的时候，输出电流开始下降，直到变为0。对伏安特性曲线进行积分，可以得到光伏电池板的输出功率曲线，该曲线必定存在一个功率最大的点，如果光伏电池能够工作在这一点，是最理想的情况。在实际的应用过程中，该功率最大点并不是一成不变的，随着周围环境如光照强度、温度、障碍物遮挡等偶然因素的影响，最大功率点必定发生改变。

（3）光伏并网逆变器

光伏逆变器是直流系统和交流系统连接的桥梁，三相逆变器谐波含量少，通常采用并网三相逆变器［4-5］。图3给出了常见的非隔离电压型三相逆变器的拓扑结构。三相逆变器通常采用双闭环控制策略，电压外环和电流内环共同反馈控制，提高了控制的动态速度。一般情况采用脉冲宽度调制（PWM）方法，有利于功率器件的稳定运行，同时，谐波含量相对稳定，有利于主电路参数的设计。

图3 非隔离型三相逆变器拓扑结构

图3是一个典型的电压型桥式三相逆变器的拓扑结构，直流采用一个直流稳压电源等效，后级用两个相同的电容表示，这种表示方法主要是为了引出电容的中点N，N点的电位被分裂，电容钳位在E／2点。Ua、Ub、Uc分别表示三相交流电压源。

1.3 电能质量概述

电能质量主要是指电压、频率和电流波形的质量。常见的电能质量不好往往是电压不稳定，与额定值偏差较大；频率不固定，频率抖动现象严重；电流波形失真严重，谐波含量大，无法保证正弦波。

根据国家规定，在380V供电系统中，电压偏差的极限值不得大于7%额定电压，频率的偏差应该小于±0.2Hz。谐波畸变率的定义如下：

常见的电能质量不高的情况还有电压波动、三相电压失衡等。电压波动是指电压在某段时间内出现剧烈的升高或降低而偏离额定电压的情况，通常以百分数形式表示，公式如下：

式中，各电压均为有效值。

通常情况下，电压波动可以定义为在急剧变化的过程中，电压波动的最高值和最低值差值。电压波动一般是由较大容量的负荷投切造成。

2 光伏发电对配电网电能的作用机理

2.1 分布式光伏并网模型构建与分析

低压配电网属于单电源辐射性网络，但是分布式光伏电源的入网，实际上对低压配电网的拓扑结构造成了影响，本节通过对配电网的拓扑结构进行构建，同时通过数学模型分析光伏发电电源接入配电系统对配电网电压的影响。

为了方便理论分析，仅仅对两个节点之间的配电网进行建模分析，分析结果可以推广到任意光伏并网辐射性配电网中。通用模型如图4所示。

图4 低压配电网线路通用模型

根据电力系统的基本知识可以知道，图4中的电压降表示为：

第m个节点的电压为：

如果没有分布式电源接入低压配电网中，在低压配电网随能量流动的方向上，各节点的电压是随之降低的，但是当分布式光伏电源并入到低压配电网以后，可以把分布式光伏电源看作是一个负荷。

2.2 光伏并网对配电网电压波动作用机理

当电网下级或者上级电源的输入或输出功率有所变化，会导致电网电压发生波动或者是闪变。光伏电源投切和光伏电池受外部环境例如光照强度、环境温度等等方面的影响，输出的功率会产生变化，最终会导致配电网输入功率频繁波动，这就是低压配电网电压波动的根源。

在通常情况下，分布式光伏电源接入配电网中，对公共连接点（PCC）处进行建模分析是具有建设性意义的。由前文分析不难看出，光伏电池的电路模型更加接近于一个直流电流源。为了方便分析，本文将在PCC并网的分布式光伏电源在电路上等效为直流电流源，等效电路如图5所示。

图5 光伏电源接入配电网等效电路图

图5中左侧分别表示分布式光伏电源的电压相量和输出电流相量，Rs表示电网的负载等效电阻，Xs表示电网的负载等效电抗，R1表示输电线路的等效电阻，X1表示输电线路的等效电抗，PCC表示分布式电源的并网点。

2.3 并网逆变器对电能质量的影响

根据图3可知，并网三相逆变器采用的是LC滤波电路，往往逆变器会使输出波形具有大量的高次谐波，使用LC滤波器可以极大地衰减高次谐波。LC低通滤波器属于无源滤波器，主要是由电容器、电抗器和电感三部分组成，一般情况下可以分为串联三相滤波电抗和并联三相滤波电容，滤波电容的一端需要连接到接地点。LC滤波器可使电容和电抗的波长频率一致，谐振频率可以用如下公式表示：

式中，L表示电感值；C表示电容值。

毕总说：“如今，中国市场竞争激烈，外资品牌占据大多数市场份额。面对这一情况，比亚迪叉车作为民族品牌，希望能够通过扩大市场占有率，让更多的企业认可国内品牌产品的优势。”

因此，需要根据工程实际，整定输出侧的电容和电感，尽量减少输出电压谐波。并网逆变器处于光伏发电系统直流和交流相结合的重要位置，它也是光伏发电系统输出电能的最后一个位置，会直接影响输出电能的情况，因此对并网逆变器的分析具有十分重大的意义。

3 光伏并网对电能的影响以及解决措施

3.1 光伏并网对电能质量的影响

根据分析结果，分布式光伏发电并网对电能质量产生的不利影响主要有以下几点：

（1）呈辐射性网络的低压配电网稳态运行时，配电网在输电方向上电压依次降低。

（2）分布式光伏发电通过高频通断的电力电子功率器件连接到配电网，会带来大量谐波，对配电网造成了谐波污染。

（3）分布式光伏发电电源与配电网的功率负荷无法协调控制，甚至在某些情况下，负荷高峰出现在傍晚以后，此时分布式电源却无法发出电能。

（4）当电力系统发生事故大面积停电时，各分布式光伏发电如果依旧在工作，那么各个分布式电源就处于孤岛运行状态，这就形成了孤岛效应。

3.2 改善光伏并网电能质量问题

针对光伏并网系统对电网电能质量产生的一系列问题和不利影响，本文提出了一系列的解决办法。为了保证电网的稳定运行，本节主要针对抑制电压波动、降低输出电压的高次谐波等方面进行研究分析。

（1）储能技术

储能技术现在基本上成为了分布式光伏发电系统的必要环节之一。在分布式光伏发电系统中，直流母线上并联储能电池，储能电池和光伏电池相互配合，当负荷需求的电能高时，光伏电池、储能电池共同为负载提供电能，如果光伏电池无法工作，将由储能电池单独供电；当负荷较小时，光伏电池板同时给负荷和储能电池供电，很大程度上提高了供电可靠性。

（2）无功补偿和谐波补偿技术

在光伏并网系统向电网输入高效电能的同时，有源滤波器能够在动态情况下对幅值和频率进行补偿。目前来说，广泛被应用的主要是并联补偿器。另外，可以采用无功功率电源来进行无功功率补偿，减小电网电压波动。

4 结束语

随着光伏电源装机容量的不断增加，必然会严重影响电能质量，本文对光伏系统并网后电压波动进行建模以及数学公式推导，得出光伏系统对电能质量的影响以及解决方案，得出以下结论：

（1）并网逆变器是光伏系统的核心部分，它可以控制输出电流，进行孤岛保护以及最大功率点跟踪控制，并网逆变器的控制策略和参数整定都会严重影响电能质量。

（2）由光伏系统带来的电能质量问题主要有电压波动、谐波、无功控制和继电保护装置误动作等。为解决电压波动问题，由于减小光伏电源的装机容量不具有发展性，所以从增大短路容量和改变电网结构出发；为解决谐波问题，可采用调谐滤波器，最好采用有源滤波器；为解决无功不足问题，可采用无功功率补偿装置；为防止继电保护装置误动作，可以提高装置的灵敏度。