隨著國際化進(jìn)程的不斷加快,世界經(jīng)濟(jì)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(yán)重,太陽能作為一種清潔、無污染的可再生能源受到人們的密切關(guān)注。近年來光伏發(fā)電裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大,上網(wǎng)電量也逐年增加,但由于其裝機(jī)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(dòng)較大的特點(diǎn),也給電網(wǎng)電能質(zhì)量造成了很大的影響。因此研究光伏發(fā)電對電能質(zhì)量的影響,對促進(jìn)電力生產(chǎn)及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(dǎo)體表面存在的光生伏特反應(yīng),通過光照在半導(dǎo)體材料兩端發(fā)出直流電流。當(dāng)太陽光照在半導(dǎo)體P-N節(jié)上時(shí),新的電子-空穴對就會(huì)形成,光子將電子從共價(jià)鍵中激發(fā)后,電子流向N區(qū),空穴流向P區(qū),從而半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢差。PN結(jié)兩端的電路一旦接通,就會(huì)形成電流,從P區(qū)經(jīng)外電路流向N區(qū),對負(fù)載輸出電功率。
2并網(wǎng)光伏發(fā)電的結(jié)構(gòu)和分類
并網(wǎng)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(guān)元件。太陽能電池輸出的直流電經(jīng)過DC-DC變換器將電壓等級(jí)升高,再通過DC-AC逆變器將直流電變換為與電網(wǎng)電壓幅值、頻率、相位相同的交流電,以實(shí)現(xiàn)并入電網(wǎng)或給交流負(fù)載供電,光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
依照并網(wǎng)運(yùn)行方式,光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為有逆流并網(wǎng)、無逆流并網(wǎng)和切換型并網(wǎng)三種形式。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)連接,不需要儲(chǔ)能電池,節(jié)約了占地面積,大大降低了配置成本,負(fù)荷功率缺額由電網(wǎng)補(bǔ)充。因此,并網(wǎng)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(wǎng)光伏發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)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(jī)性、波動(dòng)性、間歇性的變化是光伏發(fā)電對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的主要因素。其中DC-AC逆變器是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要的器件之一,光伏逆變器質(zhì)量的優(yōu)劣在一定程度上決定光伏發(fā)電的電能質(zhì)量能否達(dá)到并網(wǎng)要求。光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波、電壓波動(dòng)和閃變、直流注入、孤島效應(yīng)等問題,使電網(wǎng)電能質(zhì)量下降,對電網(wǎng)造成不利影響,嚴(yán)重時(shí)會(huì)于擾供用電系統(tǒng)及光伏發(fā)電設(shè)備自身的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
3.1諧波影響
光伏發(fā)電是通過光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電,再經(jīng)過并網(wǎng)型逆變器將直流電變換成交流電實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,逆變器是產(chǎn)生諧波的主要設(shè)備。并網(wǎng)逆變器內(nèi)部電力電子元件的大量應(yīng)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(fù)載,造成波形失真,給系統(tǒng)帶來大量諧波。逆變器開關(guān)切換速度的延遲,也會(huì)影響電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部整體動(dòng)態(tài)性能的輸出,產(chǎn)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(dòng)范圍也會(huì)隨之變大。盡管單臺(tái)并網(wǎng)逆變器輸出電流諧波較小,但是多臺(tái)并網(wǎng)逆變器并聯(lián)后輸出電流的諧波會(huì)產(chǎn)生疊加,從而形成輸出電流諧波超標(biāo)現(xiàn)象。此外,逆變器并聯(lián)容易產(chǎn)生并聯(lián)諧振,進(jìn)而導(dǎo)致耦合諧振現(xiàn)象,造成特定次并網(wǎng)諧波電流擴(kuò)大,產(chǎn)生并網(wǎng)電流諧波含量超標(biāo)問題。
針對光伏接入后的電能質(zhì)量問題,提出抑制諧波的有效方法:1)從諧波產(chǎn)生的源頭入手,對諧波源進(jìn)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(shè)附加的諧波補(bǔ)償裝置。
3.2電壓波動(dòng)和閃變
在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中,有功功率、無功功率隨時(shí)間變化才會(huì)引起系統(tǒng)電壓波動(dòng)。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(diǎn)電壓波動(dòng)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(diǎn)與輻照強(qiáng)度、天氣、季節(jié)、溫度等因素密切相關(guān),這些自然因素的隨機(jī)變化引起輸出功率變化較大,致使負(fù)載功率在一定范圍內(nèi)變化頻繁,從而引起并網(wǎng)用戶負(fù)載端電壓波動(dòng)和閃變。
目前針對光伏電壓波動(dòng)和閃變問題的解決方法主要有:1)優(yōu)化光伏并網(wǎng)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(dòng)的限值要求。
3.3直流注入問題
并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中另一亟待解決的關(guān)鍵問題:直流注入。直流注入影響了電網(wǎng)電能質(zhì)量,同時(shí)也給電網(wǎng)中的其他設(shè)備帶來不利影響。IEEEStd929-2000與IEEEStd547-2000明確規(guī)定,并網(wǎng)發(fā)電裝置向電網(wǎng)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(chǎn)生的主要原因有:1)電力電子器件自身分散性及驅(qū)動(dòng)電路不一致不對稱等;2)大功率控制器內(nèi)部測量器件存在的零點(diǎn)漂移和非線性;3)各開關(guān)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。
目前抑制直流注入的主要方法包括:1)檢測補(bǔ)償法;2)優(yōu)化設(shè)計(jì)逆變器并網(wǎng)結(jié)構(gòu);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(yīng)的影響
孤島效應(yīng)是指由于人為因素或自然因素造成電網(wǎng)中斷供電,但各個(gè)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)沒能及時(shí)檢測出電網(wǎng)停電狀態(tài),從而光伏發(fā)電系統(tǒng)與其相連的負(fù)載仍獨(dú)立運(yùn)行的現(xiàn)象。隨著并網(wǎng)光伏發(fā)電接入滲透率的不斷擴(kuò)大,孤島效應(yīng)發(fā)生的幾率也逐漸增加。孤島效應(yīng)的形成對整個(gè)配電網(wǎng)電能質(zhì)量造成不利影響,主要包括:1)在孤島效應(yīng)發(fā)生位置,其電壓和頻率波動(dòng)性較大,降低了電能質(zhì)量,且孤島中的電壓和頻率不受電網(wǎng)控制,可能會(huì)造成系統(tǒng)電氣設(shè)備損壞和重合閘故障等,同時(shí)可能會(huì)對電網(wǎng)維修人員造成個(gè)人安全隱患。2)在供電恢復(fù)過程中,由于電壓相位之間不同步將會(huì)產(chǎn)生浪涌電流,有可能導(dǎo)致電網(wǎng)波形瞬間下跌。3)光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)孤島效應(yīng)之后,如果原供電模式為單相供電模式,有可能使配電網(wǎng)發(fā)生三相負(fù)荷不對稱的問題,進(jìn)而降低其余用戶的用電整體質(zhì)量。4)當(dāng)配電網(wǎng)切換至孤島方式,僅僅依靠光伏發(fā)電系統(tǒng)供應(yīng)電能,若該供電系統(tǒng)容量太小或未安裝儲(chǔ)能裝置,均有可能造成用戶負(fù)荷出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定和閃變問題。
針對孤島效應(yīng)產(chǎn)生的影響,主要有以下解決方法:
. 優(yōu)化并網(wǎng)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(wǎng)故障電流大小、方向及分布的影響,提高故障情況下負(fù)荷切除速度和孤島劃分的選擇技術(shù)。
2)提高孤島檢測技術(shù)的可靠性,配置快速有效的反孤島保護(hù)功能,在異常情況下準(zhǔn)確判斷孤島狀態(tài)并迅速有效中斷并網(wǎng)。
4安科瑞的解決方案
4.1電能質(zhì)量在線監(jiān)測
APView500 電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置采用了高性能多核平臺(tái)和嵌入式操作系統(tǒng),遵照IEC61000-4-30《測試和測量技術(shù)-電能質(zhì)量測量方法》中規(guī)定的各電能質(zhì)量指標(biāo)的測量方法進(jìn)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(zhì)量指標(biāo)參數(shù)測量方法的標(biāo)準(zhǔn)化和指標(biāo)參數(shù)的測量精度以及時(shí)鐘同步、事件標(biāo)記功能等各個(gè)方面均達(dá)到了 IEC61000-4-30 標(biāo)準(zhǔn),能夠滿足 110kV 及以下供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測的要求。
4.2防孤島保護(hù)裝置
防孤島保護(hù)裝置檢測到并網(wǎng)點(diǎn)有逆功率、頻率突變、 等異常數(shù)據(jù)時(shí),即發(fā)生孤島現(xiàn)象時(shí),裝置可配合斷路器快速切除并網(wǎng)點(diǎn),使本站與電網(wǎng)側(cè)快速脫離,保證整個(gè)電站和相關(guān)維護(hù)人員的生命安全。
4.3產(chǎn)品介紹
名稱 | 型號(hào) | 圖片 | 功能 |
電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置 | APView500 |
| 16 路交流電壓/電流通道,16 路可編程無源繼電器出口、22 路有源開關(guān)量輸入通道,2路 RS485 接口,4 路以太網(wǎng)接口; 1 路 GPS 對時(shí)接口,支持 IRIG-B 對時(shí)方式; 1 路 RS232 接口 1 路 USB 接口 |
防孤島保護(hù)裝置 | AM5SE-IS |
| 三段式過流保護(hù),低電壓跳閘,零序過壓保護(hù)(跳閘/告警) ,逆功率保護(hù),頻率保護(hù)(低頻減載/高頻保護(hù)) , 后加速過流保護(hù),控制回路斷線告警,FC 回路配合的過流閉鎖功能 , CT 斷線告警 |
多回路匯流箱 | APV-M4 |
| 4路光伏匯流監(jiān)測 |
APV-M8 | 8路光伏匯流監(jiān)測 | ||
APV-M10 | 10路光伏匯流監(jiān)測 | ||
APV-M12 | 12路光伏匯流監(jiān)測 | ||
APV-M16 | 16路光伏匯流監(jiān)測 | ||
光伏匯流采集裝置 | AGF-T |
| 監(jiān)測光電池陣列中電池板運(yùn)行狀態(tài),組串電流測量,匯流箱中防雷器狀態(tài)采集、直流斷路器狀態(tài)采集 |
逆流檢測儀表 | AGF-AE |
| 額定電壓線對N:120V 額定電壓線對線:208/240V 支持的網(wǎng)絡(luò):L1/L2/N/PE 通信:RS485
|
逆流檢測儀表 | ACR10R |
| 集成全部電力參數(shù)的測量以及電能監(jiān)測和考核管理,并可實(shí)現(xiàn)斷路器開關(guān)的“遙信"和“遙控"功能 |
電能質(zhì)量監(jiān)測儀表 | APM830 |
| 網(wǎng)絡(luò):三相三線,三相四線 功能:全電量測量、電能統(tǒng)計(jì)、電能質(zhì)量分析、錄波功能、事件記錄功能 精度:0.5S級(jí) |
5結(jié)束語
隨著我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,并網(wǎng)光 伏裝機(jī)容量和數(shù)量的不斷增加,致使電網(wǎng)電能質(zhì) 量受到很大影響。因此,研究并網(wǎng)光伏發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)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(jié)構(gòu)特點(diǎn),闡述了并網(wǎng)光伏發(fā)電中諧波、電壓波動(dòng)和閃變、直流注入、孤島效應(yīng)產(chǎn)生的原因,提出了改善電能質(zhì)量的可行性措施,對于進(jìn)一步提高光伏發(fā)電電能質(zhì)量具有一定的借鑒意義。
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