光伏发电并网系统的电能质量问题探析

摘要：光伏发电是将太阳能转化为电能的技术，其是水利、风能发电之后的又一种洁净能发电。因为光伏发电是直流电，需要在光伏阵列、并网逆变器作用下转化为交流电，然后安全地并入电网。故而光伏发电并网系统的电能质量问题除了和光伏发电系统容易受气候影响之外，主要是受光伏阵列、并网逆变器影响较为显著。关键词：光伏发电；并网系统；电能质量；问题探析前言：光伏发电在我国方兴未艾，预计到2030年将达到100GW装机容量，这意味着若是保持年总发电量不变，可以将目前的30座大型煤炭发电厂取缔，届时会形成庞大的环境效应。但目前来看光伏发电并网系统的电能质量问题是光伏发电发展的瓶颈之一，只有消除了这些问题，才能保证光伏发电的优势完全发挥出来。一、光伏发电并网系统存在的电能质量问题光伏发电并网系统主要包含了光伏阵列、并网逆变器、滤波电路、控制电路等部分。这其中光伏阵列的机理是光电效应，其中包含了丰富的组件，例如并联电池组件、串联电池组件，电池是光伏阵列最小单位，是将太阳能直接转化为电能的主要功能组件。而并网逆变器将光伏阵列形成的直流电转化为交流电，经过滤波电路处理后，通过控制电路进入国家电网。这其中光伏阵列、并网逆变器成为光伏发电并网系统电能质量最主要影响因素。光伏阵列导致的电能质量问题。主要是光伏阵列材料选择、方位角倾斜角对发电质量有影响。另外光伏发电一般都是处在屋顶，需要协调屋顶面积和发电量问题，即要确保在有限的屋顶面积达到最大的发电量。除此之外，光照越强、光照时间越长，转化的电能越多，反之电能越少，这就决定了光伏发电具有昼强夜衰的特点，电能波动较大，这样不同频率的电能会对国网电压产生较大的影响，该影响负载电压使其发生剧烈波动，对国网线缆等设备也具有一定的破坏性。化为交流电的装置，是光伏电能并入国网的关键一步。并网逆变器的质量、内部拓扑、控制策略、参数的设定，都是直接影响到并网电能质量的关键。质量问题方面主要是其内部结构都是大功率电子元器件，在这些元器件作用下让并网逆变器发挥出抗干扰、抗过载、限流能力。一旦这些元器件质量不足，必然会造成这些功能的下降。拓扑结构上存在隔离型、非隔离型两种方案，不同方案存在着不同的问题，非隔离型拓扑结构会因为光伏电池和地之间存在寄生电容，若是其和滤波电路发生谐振，会形成共模电流，直接冲击了并网系统的电能质量。在控制策略上容易出现因为专业不足而选择错误的情况，导致了环流现象而且控制系统十分复杂，提高了成本。另外并网逆变器大量安装会给整个电网系统带来孤岛效应，即国网停电后，光伏电网没有及时发现国网停电，没有及时将自身从网络当中切出，这必然让光伏电网继续向国网当中设备供电，该现象非国网所能掌控，容易给正在国网当中维修人员带来安全威胁，而且因为其提供电压不稳定，会给设备带来一定损害。同时若是国网故障修复突然通电，便会出现明显浪涌现象，对光伏系统造成不利影响，或者同时造成了包括国网、光伏电网在内所有设备的损坏。这就要求并网逆变器必须具有非常灵敏的孤岛效应检测功能。3.整个光伏单元对配电网影响巨大。整个光伏单元不具有自行调度能力，所以国网若是出现电压、频率的改变，就会造成光伏单元和国网彼此间的冲突。另外，对于原本稳定的国网来说，并入大量的光伏电网会导致整个电网系统的电压出现波动，进而形成不同程度网损、频繁的闪变、电路元件过热等问题。二、提升光伏发电并网系统电能质量的策略通过前文分析可知，光伏发电并网系统电能质量多存在闪变、谐波、网损、孤岛反应等问题。这些问题的根本致因是光伏电网整个系统质量以及内部结构不佳，以及光伏网络和国网二者间存在的频率差异。对此给出以下对策：1.提高光伏阵列质量以及安装精度。这是保证光伏电网能够产生足够电能的根本前提。第一，需要选择国家推荐的光伏阵列，这样的产品质量过硬，售后有保证。第二，要掌握倾角、方位的精度。首先需要充分地观察周围环境，对于山脉、森林、风向、光照时长等进行信息采集，务求场地具有日照时间长、少阴影或者无阴影特点，这是保证发电量的关键。在方位上，主要以正南±20°为宜，其中以偏西南20°为最佳，因为这样可以保证电量峰值转移到午后1-2点，这样的方位设计更利于冬季发电。倾角需要专业队伍采用专用软件来展开计算才能最终确定。最佳方位以及倾角，同时光伏阵列品质较高，三者协同之下，会有效提高发电质量，降低闪变影响［1］。提高并网逆变器质量以及拓扑设计、控制策略水平。第一，在质量控制上需要采购信誉厂家产品，这样厂家的产品在抗干扰、抗过载、限流能力上更胜一筹。第二，提高拓扑设计水平。其中主要明确光伏电网的规模、隔离以及非隔离型具有的优劣势，来最终选择正确的拓扑结构。例如和隔离型拓扑结构相比，无变压器非隔离型虽然成本低得到了光伏发电投资主体的关注，不过拓扑结构会存在一定的对地寄生电容，该电容可以产生共模电流，会影响整个光伏系统，为消除这一影响可以融入带有交流旁路的全桥逆变器，这样的设计能够有效切断续流回路和直流侧，消除了共模电流，同时也因为调整了交流侧输出电压，让其和单极性调制相同，这意味着提高了整个发电系统的发电效率。综合比较隔离型、非隔离型光伏并网逆变器，可以发现采用两级式非隔离型拓扑最为合理，既能提高发电效率，又能有效防止谐波导致的闪变⑵。第三，选择最佳控制策略。目前最佳控制方式是电压源电流控制，该种控制方案当中存在电流滞环瞬时控制、固定开光频率控制，后者具有固定频率，逆变器形成的谐波也比较稳定，如此降低了滤波电路设计难度，最主要的是该方法在光伏发电并网系统当中具有良好的逆变器输出功率控制功能，有效消除并网环流，保持了电网稳定。第四，为了有效消除光伏发电并网系统和国网之间存在的孤岛效应，可以采用主动检测技术，该技术是作用于并网逆变器，使其输出功率、频率和国网存在偏差，国网正常运转期间不能检测出这一偏差，但国网一旦断电，逆变器形成的偏差逐渐加大到一定程度后，会触发孤岛效应检测电路，能够将光伏电网切除，从而避免了孤岛效应带给整个电网系统的损害。积极研发新技术，降低光伏电网对国网的冲击。第一，在光伏电网当中融入储能技术，该技术能够有效地调节电网频率，而且抑制电网功率波动，让整个电网系统安全度得以提升起来。第二，进行谐波抑制。谐波产生是因为存在非线性负载，具体可以融入谐波抑制器，或者面对国网和光伏电网展开统一逆变器操作，让逆变器得到统一安置，避免了不同逆变器之间的相互影响[3]总结：光伏电网发电并网在我国尚处在初级阶段，还有很多问题有待解决。目前来看主要集中在谐波导致的闪变、电能剧烈变化对电网的冲击、孤岛效应等问题，在应对上首先需要保证光伏发电网质量过硬，其次需要对拓扑结构进行改造，要尽可能保证光伏电网频率和国网频率的统一，并增加光伏电网自我检测能力，能够在国网出现故障或者检修时及时将自身从网络中切除，避免孤岛效应损害。参考文献：蔡晓榆，许清坛.提升光伏发电并网效率的措施[