并网光伏发电系统对电网电能质量的影响分析

钟新熙

（国能大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 雅安 625399）

0 引 言

随着清洁能源的不断发展，光伏发电作为一种重要的可再生能源形式，逐渐成为电力系统中的重要组成部分。然而，并网光伏发电系统与传统电网的连接会对电网电能质量产生一定的影响，可能引起电压波动、频率偏差和谐波等问题。文章将深入研究并分析并网光伏发电系统对电网电能质量的影响，寻找有效的改进方法，从而提高电网电能质量，促进清洁能源稳定接入电网。

1 并网光伏发电系统介绍

并网光伏发电系统基于光伏效应将太阳辐射能转化为电能。在实际应用中，有效控制光伏电池的电流和电压，可以实现电能的稳定输出，为电力系统注入清洁能源。

并网光伏发电系统主要由太阳能电池阵列、电压与充电控制系统、蓄电池、并网逆变器、计量与切换控制装置以及220 V 电网组成。太阳能电池阵列负责将太阳辐射能转化为电能，电压与充电控制系统则确保电池组的稳定充电状态。蓄电池在系统中起到充放电的作用，能够储存多余的电能以备不时之需。并网逆变器将直流电能转换为交流电能，实现系统与220 V 电网的连接，为家庭用电提供清洁能源。计量与切换控制装置负责监测系统运行状态，并在需要时切换电源，确保系统的可靠性和安全性[1]。整个系统构成一个完整的并网光伏发电网络，能够为家庭提供稳定的220 V 交流电源。

2 并网光伏发电系统与电网电能质量的关联

并网光伏发电系统与电网电能质量的关联紧密且复杂，主要表现在直流注入和逆变器运行2 个方面。太阳能电池阵列通过光电效应将太阳辐射转化为直流电，并注入电网。这一直流电注入过程会对电网电能质量造成一定影响，其波动可能导致电网电压出现变动，且天气条件的变化和系统容量的波动在一定程度上影响着直流电的注入，对电网稳定性提出挑战。通过并网逆变器将直流电转化为交流电是光伏发电系统关联电网电能质量的关键环节。逆变器的运行会引入谐波和电压波动，直接影响电网的稳定性和性能。

3 影响并网光伏发电系统电能质量的因素分析

3.1 天气条件

天气条件是影响并网光伏发电系统性能的重要因素。太阳辐射的强度和照射时间直接影响光伏电池阵列的发电量。光照充足时，光伏系统产生的电能相对较高；光照不足时，发电效果减弱，导致系统性能下降。

温度是天气条件的重要组成部分。温度升高会导致光伏电池的工作效率下降，从而减少发电量。这是因为太阳能电池的发电效率与温度呈负相关关系。因此，在高温天气下，系统的发电性能也会受到一定的制约。

异象条件的变化也会引起电网电能质量的波动。例如，突发的风暴、大雨等极端天气会对电网造成冲击，进而影响光伏发电系统的正常运行。这些天气突变会导致系统的瞬时功率变动，对电网电能质量产生一定的瞬时影响。

3.2 光伏发电系统容量

光伏发电系统的容量是影响系统性能的因素之一，直接关系到系统的发电效率和电能产量。光伏发电系统的容量大小直接影响其在充足光照条件下的最大发电功率。具体而言，系统容量越大，其最大发电功率也越大。此外，系统容量决定安装的光伏电池数量，光伏电池数量的增加将提高系统整体的发电效率。例如，在相同光照条件下，1 个容量为100 kW 与1 个容量为50 kW 的系统相比，前者具有更高的发电功率。光伏发电系统容量的合理匹配也关系到系统与电网的连接和功率稳定性。容量不足会导致系统无法充分利用光照，从而限制系统的发电潜力；而容量过大会导致电网无法有效吸纳系统产生的电能，引发功率波动[2]。因此，容量的选择需要兼顾系统的实际需求和电网的接收能力。

3.3 电网结构

电网结构是影响并网光伏发电系统运行的因素之一，其可靠性与稳定性对光伏发电系统的并网运行至关重要。不同电网结构在面对突发电力波动和负荷波动时的稳定性存在差异，直接影响着光伏发电系统的接入和电能质量。例如，强调分布式能源接入的微电网结构更易适应光伏发电系统的波动性，提供更高的接纳能力。电网结构的灵活性与智能化程度对光伏系统的影响不可忽视。智能化的电网结构能够更快速、精准地响应光伏系统的变化，通过智能调度和控制手段提高电能质量。例如，采用智能感知和响应技术的智能电网结构能够更好地处理光伏发电系统的功率波动，减小对电网的冲击。

3.4 并网控制策略

并网控制策略作为光伏发电系统与电网协同运行的关键因素，直接影响着系统的稳定性和电能质量。并网控制策略的合理性与灵活性对于减小光伏系统对电网的冲击、提高电能质量至关重要，采用适当的并网控制策略能够有效减小光伏系统功率波动对电网的影响。通过合理的功率调节和响应机制，可以降低电能质量波动幅度，减小电网频率的波动。例如，采用先进的功率调节算法和电能储存技术，能够在短时间内平滑处理光伏功率波动，有助于维持电网的稳定性[3]。并网控制策略的选择对于光伏系统与电网之间的功率匹配具有重要影响，合理的控制策略能够实现光伏系统输出功率与电网负荷需求的动态匹配，提高能源利用率，减小电网调度压力。例如，采用智能化的最大功率点追踪技术和实时功率调整策略，能够更精准地控制光伏系统的输出功率，适应电网负荷的变化。

4 并网光伏发电系统电能质量的改进方法

4.1 光伏发电系统并网控制技术的优化

光伏发电系统并网控制技术的优化是提高电能质量的重要手段。一方面，可以采用高级电流控制算法，如基于模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）的电流控制策略，以减小对电网的谐波注入，降低电流畸变。MPC 算法基于对系统动态特性的准确建模，能够预测未来一定时段内的电流波形，实时调整逆变器输出，减少电流谐波成分。另一方面，可以通过引入电压控制策略，如基于无感知电压调整的控制方法，实现对电网电压的精准调节[4]。该策略通过在逆变器输出端引入无感知电压检测技术，实时监测电网电压波形，并在逆变器输出中进行相应调整，使其与电网电压同步，有助于降低电压波动，提高系统与电网的匹配度。

4.2 电能质量补偿装置的应用

在优化并网光伏发电系统的电能质量方面，电能质量补偿装置发挥着关键作用。通过应用智能集成式谐波抑制电力电容补偿装置，能够提高功率因数并降低谐波含量，从而改善电能质量。该装置串联不同电抗器，具备灵活性，可根据电气环境的特征调整配置。配置串接7%电抗器的方案主要针对谐波为5 次、7 次及以上的情境，而串接14%电抗器的配置适用于谐波为3 次及以上的情境。这种巧妙的设计能够有效抑制不同谐波的频率，使系统更具适应性。为实现电能质量的全面改进，装置配备功率因数自动补偿控制器，通过RS-485 通信接口与外部设备通信。该控制器能够采集电压、电流、频率、有功功率、无功功率、谐波含量、功率因数及温度等参数，并将数据传送到外部设备。这一智能化的监测和控制手段使系统能够动态适应电力系统的运行状态，实时监测和优化电能质量。此外，电能质量补偿装置采用晶闸管动态投切开关，具备过电压、欠电压、欠流锁定、断相、过畸变以及温度保护功能，响应时间快，能够频繁投切，从而提高系统的稳定性和可靠性。

4.3 高效逆变器设计与改进

为提高并网光伏发电系统的电能质量，高效逆变器的设计与改进必不可少。光伏并网逆变器采用一种创新的构造，通过巧妙设计电路结构和智能控制模块，实现对非隔离光伏并网逆变器共模电流的抑制，改善电能质量。在电路方面，精心配置逆变电路中的开关管与相应的电容、电阻等元件，通过细致的电路连接，有效抑制共模电流的产生。特别是引入不同的续流回路，电路在续流阶段成功实现光伏阵列与电网的断开连接，确保共模电压的恒定，显著降低共模漏电流，提升系统的安全性。在控制模块方面，采用数字信号处理（Digital Signal Process，DSP）模块与逆变电路的紧密结合。DSP 模块通过精准的控制算法，实现对开关管的精准控制，从而提高系统的稳定性和响应速度。同时，引入驱动电路，利用TLP250 芯片等元件，实现对开关管的快速驱动和过电流保护，提高系统的可靠性和抗干扰能力[5]。此外，为更全面地监测系统运行状态，光伏并网逆变器配备了直流电压检测电路、直流电流检测电路和过零检测电路等辅助模块，使系统能够实时获取电池输出端的电压、电流和功率因数等参数，更好地适应电力系统的运行变化。

5 结 论

并网光伏发电系统作为清洁能源的代表，为电网注入更多可再生能源，但也引发一系列电网电能质量的挑战。因此，文章提出一系列改进方法，包括光伏发电系统并网控制技术的优化、电能质量补偿装置的应用、高效逆变器的设计与改进。通过应用这些方法，可以有效提高并网光伏发电系统的电能质量，优化其在电力系统中的性能表现。这些技术手段不仅可以降低系统对电网的负面影响，而且能够提高电力系统的可靠性、稳定性和可持续性。