摘要:光伏發(fā)電作為當今一種新型、無*染的發(fā)電方式,對傳統(tǒng)電能的需求起到了很大作用。但對于并網光伏發(fā)電系統(tǒng)而言,由于其本身隨機性、波動性、間歇性的特點,且并網光伏發(fā)電系統(tǒng)中含有大量的非線性電力電子元器件,相比傳統(tǒng)發(fā)電方式,光伏發(fā)電對電網電能質量產生了很大影響。本文分析了并網光伏發(fā)電對電網產生的諧波、電壓波動和閃變、直流注入、孤島效應等問題,并研究探討了改*電能質量的可行性措施。
0引言
隨著國際化進程的不斷*快,世界經濟得到飛速發(fā)展,能源的消耗也隨之增加,而傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭及環(huán)境問題日益嚴重,太陽能作為一種清潔、無*染的可再**能源受到人們的密切關注。近年來光伏發(fā)電裝機容量不斷擴大,上網電量也逐年增加,但由于其裝機容量規(guī)模一般較小、場址布置相對比較分散、輸出功率浮動較大的特點,也給電網電能質量造成了很大的影響。因此研究光伏發(fā)電對電能質量的影響,對促*電力生產及電網安全穩(wěn)定運行具有重要意義。
1光伏發(fā)電的基本原理
光伏發(fā)電利用半導體表面存在的光生伏效應,通過光照在半導體材料兩端發(fā)出直流電流。當太陽光照在半導體P-N節(jié)上時,新的電子-空穴對就會形成,光子將電子從共價鍵中激發(fā)后,電子流向N區(qū),空穴流向P區(qū),從而半導體兩端產生電勢差。PN結兩端的電路一旦接通,就會形成電流,從P區(qū)經外電路流向N區(qū),對負載輸出電功率。
2并網光伏發(fā)電的結構和分類
并網光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板(組件)、大功率跟蹤(MPPT)控制器、DC-AC逆變器幾部分組成,采用絕緣柵雙極晶體管(IG-BT)作為光伏逆變器的開關元件。太陽能電池輸出的直流電經過DC-DC變換器將電壓等級升高,再通過DC-AC逆變器將直流電變換為與電網電壓幅值、頻率、相位相同的交流電,以實現(xiàn)并入電網或給交流負載供電,光伏發(fā)電系統(tǒng)結構如圖1所示。
圖1并網光伏發(fā)電系統(tǒng)結構
依照并網運行方式,光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為有逆流并網、無逆流并網和切換型并網三種形式。并網光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與電網連接,不需要儲能電池,節(jié)約了占地面積,大大降低了配置成本,負荷功率缺額由電網補充。因此,并網光伏發(fā)電系統(tǒng)是太陽能發(fā)電主要發(fā)展方向,也是現(xiàn)階段具潛力的新能源發(fā)電方式。
3并網光伏發(fā)電對電網電能質量的影響
光伏發(fā)電作為新興能源發(fā)電的一種,光照、溫度等外部條件隨機性、波動性、間歇性的變化是光伏發(fā)電對電網產生影響的主要因素。其中DC-AC逆變器是并網光伏發(fā)電系統(tǒng)主要的器件之一,光伏逆變器質量的優(yōu)劣在一定程度上決定光伏發(fā)電的電能質量能否達到并網要求。光伏發(fā)電并網運行時會產生諧波、電壓波動和閃變、直流注入、孤島效應等問題,使電網電能質量下降,對電網造成不利影響,嚴重時會于擾供用電系統(tǒng)及光伏發(fā)電設備自身的安全穩(wěn)定運行。
3.1諧波影響
光伏發(fā)電是通過光伏組件將太陽能轉化為直流電,再經過并網型逆變器將直流電變換交流電實現(xiàn)并網。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,逆變器是產生諧波的主要設備。并網逆變器內部電力電子元件的大量應用,提升了系統(tǒng)的信息化和智能化處理,但也增加了大量的非線性負載,造成波形失真,給系統(tǒng)帶來大量諧波。逆變器開關切換速度的延遲,也會影響電網系統(tǒng)內部整體動態(tài)性能的輸出,產生小范圍的諧波。如果在天氣(輻照度、溫度)變化較大的情況下,諧波的波動范圍也會隨之變大。盡管單臺并網逆變器輸出電流諧波較小,但是多臺并網逆變器并聯(lián)后輸出電流的諧波會產生疊加,從而形成輸出電流諧波超標現(xiàn)象。此外,逆變器并聯(lián)容易產生并聯(lián)諧振,進而導致耦合諧振現(xiàn)象,造成特定次并網諧波電流擴大,產生并網電流諧波含量超標問題。
針對光伏接入后的電能質量問題,提出抑*諧波的有效方法:1)從諧波產生的源頭入手,對諧波源進行改造,減少諧波注入。2)裝置有源或無源濾波器,以吸收某些特定次數(shù)的諧波電流。3)裝設附加的諧波補償裝置。
3.2電壓波動和閃變
在傳統(tǒng)配電網中,有功功率、無功功率隨時間變化才會引起系統(tǒng)電壓波動。而對于光伏發(fā)電而言,光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率的變化是引起接入點電壓波動和閃變的主要因素。光伏發(fā)電系統(tǒng)核心部件光伏電池板的大功率點與輻照強度、天氣、季節(jié)、溫度等因素密切相關,這些自然因素的隨機變化引起輸出功率變化較大,致使負載功率在一定范圍內變化頻繁,從而引起并網用戶負載端電壓波動和閃變。
目前針對光伏電壓波動和閃變問題的解決方法主要有:1)優(yōu)化光伏并網逆變器控制策略,提高電壓的穩(wěn)定性;2)加大變電站母線短路容量;3)在光伏電站容量確定的情況下,提高其功率因數(shù),以增加有功功率總量,從而降低無功功率變化量,滿足電壓波動的限值要求。
3.3直流注入問題
并網光伏發(fā)電系統(tǒng)中另一亟待解決的關鍵問題:直流注入。直流注入影響了電網電能質量,同時也給電網中的其他設備帶來不利影響。IEEEStd929-2000與IEEEStd547-2000明確規(guī)定,并網發(fā)電裝置向電網注入的直流電流分量不能超過裝置額定電流的0.5%。直流注入產生的主要原因有:1)電力電子器件自身分散性及驅動電路不一致不對稱等;2)大功率控制器內部測量器件存在的零點漂移和非線性;3)各開關器件線路阻抗的不對稱,寄生參數(shù)和寄生電磁場的影響等。
目前抑*直流注入的主要方法包括:1)檢測補償法;2)優(yōu)化設計逆變器并網結構;3)電容隔直;4)虛擬電容法;5)裝置隔離變壓器等。
3.4孤島效應的影響
孤島效應是指由于人為因素或自然因素造成電網中斷供電,但各個并網光伏發(fā)電系統(tǒng)沒能及時檢測出電網停電狀態(tài),從而光伏發(fā)電系統(tǒng)與其相連的負載仍獨立運行的現(xiàn)象。隨著并網光伏發(fā)電接入滲*率的不斷擴大,孤島效應發(fā)生的幾率也逐漸增加。孤島效應的形成對整個配電網電能質量造成不利影響,主要包括:1)在孤島效應發(fā)生位置,其電壓和頻率波動性較大,降低了電能質量,且孤島中的電壓和頻率不受電網控制,可能會造成系統(tǒng)電氣設備損壞和重合閘故障等,同時可能會對電網維修人員造成個人安全隱患。
2)在供電恢復過程中,由于電壓相位之間不同步將會產生浪涌電流,有可能導致電網波形瞬間下跌。
3)光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)孤島效應之后,如果原供電模式為單相供電模式,有可能使配電網發(fā)生三相負荷不對稱的問題,進而降低其余用戶的用電整體質量。
4)當配電網切換至孤島方式,僅僅依靠光伏發(fā)電系統(tǒng)供應電能,若該供電系統(tǒng)容量太小或未安裝儲能裝置,均有可能造成用戶負荷出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定和閃變問題。
針對孤島效應產生的影響,主要有以下解決方法:
1)優(yōu)化并網光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測方法,分析光伏發(fā)電對配電網故障電流大小、方向及分布的影響,提高故障情況下負荷切除速度和孤島劃分的選擇技術。
2) 提高孤島檢測技術的可靠性,配置快速有*的反孤島保護功能,在異常情況下準確判斷孤島狀態(tài)并迅速有*中斷并網。
4安科瑞的解決方案
4.1電能質量在線監(jiān)測
APView500 電能質量在線監(jiān)測裝置采用了高性能多核平臺和嵌入式操作系統(tǒng),遵照IEC61000-4-30《測試和測量技術-電能質量測量方法》中規(guī)定的各電能質量指標的測量方法進行測量,集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測、電壓不平衡度監(jiān)測、事件記錄、測量控制等功能為一體。裝置在電能質量指標參數(shù)測量方法的標準化和指標參數(shù)的測量精度以及時鐘同步、事件標記功能等各個方面均達到了 IEC61000-4-30 A 級標準,能夠滿足 110kV 及以下供電系統(tǒng)電能質量監(jiān)測的要求。
4.2防孤島保護裝置
防孤島保護裝置檢測到并網點有逆功率、頻率突變、 等異常數(shù)據時,即發(fā)生孤島現(xiàn)象時,裝置可配合斷路器快速切除并網點,使本站與電網側快速脫離,保證整個電站和相關維護人員的生命安全。
4.3產品介紹
5結束語
隨著我國光伏發(fā)電產業(yè)的快速發(fā)展,并網光 伏裝機容量和數(shù)量的不斷增加,致使電網電能質 量受到很大影響。因此,研究并網光伏發(fā)電對電網電能質量的影響非常必要。本文分析了光伏發(fā)電的工作基本原理和結構特點,闡述了并網光伏發(fā)電中諧波、電壓波動和閃變、直流注入、孤島效應產生的原因,提出了改*電能質量的可行性措施,對于進一步提高光伏發(fā)電電能質量具有一定的借鑒意義。
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