【文章內容簡介】 會造成嚴重的諧波問題。逆變器根據所采用的電力電力技術的不同而產生不同水平的諧波，在高滲透率的環(huán)境下，系統的諧波水平也會上升，可能導致電力系統設備的損毀。然而，考慮逆變器的有益作用，也可以為電能質量治理提供良好的條件。由于并網逆變器和有源濾波器具有相同的主電路結構，文獻[13]提出在并網逆變器的控制算法中加入濾波環(huán)節(jié)，使其在供能的同時具備濾波的功能。文獻[14]提出一種光伏并網功率調節(jié)系統，將并網指令電流與無功指令電流合成，系統跟蹤合成指令電流即可實現光伏發(fā)電和無功補償的統一控制。該系統將光伏并網發(fā)電控制與無功補償、有源濾波控制相結合在進行光伏發(fā)電的同時有效地提高了供電質量。改變逆變器的控制策略，可以提高逆變器輸出電能質量。文獻[15]介紹了一種分布式發(fā)電逆變器控制技術，在非線性負荷或者網絡失真的情況下，可以使輸出電壓低諧波失真，從而改善諧波問題。文獻[16]提出基于同步發(fā)電機模型的逆變器控制策略，適用于所有使用逆變器的場合，并且尤其適合微網逆變器的控制，這只是對控制方法一個替換，并不帶來額外的硬件開銷，這種控制策略應用于微網逆變器控制，采用頻率/電壓下垂特性調節(jié)有功/無功輸出，仿真得出此種控制策略具備積極的功率追蹤性能。文獻[17]設計了采用電流脈寬調制調節(jié)方法的電壓型逆變控制器，其核心采用含有電流電壓波動前饋補償的雙環(huán)串級PI結構，有功、無功可以分開獨立調節(jié)。仿真表明，該控制系統響應速度快、設計靈活，可以提高系統電能質量。文獻[18]提出了一種逆變電源無線并聯控制方案，有效的實現了逆變電源的并聯同步運行，該控制技術通過檢測逆變電源本身的輸出功率來對輸出電壓幅值和頻率進行下垂控制，均分負載電流的效果很好，逆變電源之間的環(huán)流很小。（5）運行模式對電能質量問題的影響研究光伏并網發(fā)電系統存在兩種運行模式：正常情況下，光伏模塊并聯接入配電網運行，稱為聯網模式；當配電網故障或者電能質量不滿足要求時，光伏模塊斷開獨立運行，稱為孤島模式。聯網模式下，光伏模塊服從配電網的調度，輸送電能。孤島運行時，光伏模塊單獨運行供電。儲能裝置及必要的用戶電力裝置是維持微網無功和電壓平衡、實現模式平滑切換、降低并退沖擊的重要措施。 論文的主要研究內容及組織架構本文對含大比例光伏并網發(fā)電的配電網電能質量問題及其交互影響進行了研究。揭示了高滲透率下光伏并網發(fā)電系統特殊電能質量問題，提出一種電能質量評估方法，深入研究了光伏發(fā)電與電能質量治理裝置的交互影響以及多逆變器并網控制方法，關注系統整體電能質量，以保障高滲透率光伏分布式發(fā)電供能系統運行的安全性、經濟性和可靠性。第2章，本章分析了高滲透率下光伏發(fā)電并網對配電網電能質量的影響。伴隨著分布式光伏電源接入，各種擾動同時引入配電網，從而對系統的電能質量產生嚴重影響，主要會造成供電電壓不穩(wěn)定、諧波污染、三相電壓不平衡以及無功功率不平衡等方面的問題。給出了一種可供評判大規(guī)模光伏發(fā)電系統電能質量的指標體系。該指標體系包含了電壓偏差指標、頻率偏差指標、三相不平衡指標、諧波畸變指標、電壓波動指標和電壓閃變指標六大穩(wěn)態(tài)指標。在指標體系的基礎上，本文提出了一種基于雷達圖法的電能質量綜合評估方法。第3章，本章首先對電能質量治理裝置與光伏發(fā)電裝置的交互影響進行了研究。然后對配置典型的電能治理裝置如SVC，DSTATCOM的光伏發(fā)電系統進行了控制方法的研究和仿真分析。SVC和增加濾波功能的并網逆變器設計可同時抑制并網節(jié)點處的電壓波動和補償負載和TCR產生的諧波，提高了光伏并網電能質量，實現高品質供能。由DSTATCOM和光伏微源組成的聯合控制系統可通過調度使光伏微源在供能的同時提供較大容量的無功功率，降低了電能質量裝置的成本，改善了電能質量，提高了系統的穩(wěn)定性。第4章，本章研究了抑制微網環(huán)流的控制方法和多逆變器并聯運行的控制策略，使光伏發(fā)電系統中各模塊輸出電壓的幅值、相位盡量一致。提出了一種解決功率耦合問題的辦法，采用基于旋轉坐標的虛擬V/f控制策略，把電阻和電抗均考慮在內，能實現有功功率和無功功率的解耦。在不同光伏微源之間或光伏微源與電網之間實現并聯運行控制和負載均分控制。項目組根據并網運行的條件和功能要求，自主研制了2kW的單相光伏并網逆變器。本章詳細介紹了逆變器的軟硬件設計，系統調試和實驗結果。逆變器的實際穩(wěn)定運行表明逆變器設計合理。總結和展望，介紹了本論文研究的特點和創(chuàng)新之處，對本文進行了總結和展望，指出進一步研究工作的重點和方向。 第2章 光伏發(fā)電配電網系統電能質量分析和評估方法 高滲透率下光伏并網發(fā)電對配電網電能質量的影響分析當多個分布式光伏電源接入電力系統后，電力系統將由單電源放射型網絡結構轉換成了多光伏微源的弱環(huán)網絡結構。一般而言，在電網中引入少量的分布式光伏電源對整個電網不會構成太大的影響。但是,當電網中存在著較多的光伏電源或存在著大容量光伏電源時，此時這些光伏電源將會對系統特性[19],例如：電壓形態(tài)、短路電流、有功及無功潮流等，有較大的影響，其影響程度和光伏電源與系統連接的具體位置、光伏電源容量大小以及網絡拓撲結構有著密切關系。伴隨著大比例分布式光伏電源接入，各種擾動也同時引入配電網，從而對系統的電能質量產生嚴重影響，主要會造成供電電壓不穩(wěn)定、諧波污染、三相電壓不平衡以及無功功率不平衡等方面的問題[20]。 大功率光伏并網對配電網電能質量的影響（1）對電網電壓的影響 太陽能發(fā)電受外界環(huán)境如日光照射的影響較大，具有間歇性，發(fā)電量也有波動。如果配電網系統中含有大比例的光伏發(fā)電時，會使得線路上的負荷潮流發(fā)生波動且變化較大。而電網中很少具有動態(tài)無功調節(jié)設備，僅靠投切電容電抗器進行電壓調節(jié)。從而，電網電壓的調整難度加大，調節(jié)不好會導致電壓偏差、電壓波動和閃變等問題的發(fā)生[21]。光伏發(fā)電系統的容量大小和安裝位置決定了對供電系統電壓的影響程度。分布式光伏電源的不穩(wěn)定性對并網接入點的影響是最大的，因此，以此點來評估電壓變化。 含分布式光伏電源的系統在其接入點上的戴維南等效電路當光伏電源注入系統的功率發(fā)生改變時，線路上的電流變化值。當發(fā)電量波動時，接入點的電壓變化值為。由圖估算如下： （）在上式中，并網接入點短路容量為，光伏電源注入的功率變化為，光伏微源功率因數角，電網等效阻抗為， 接入點電壓U，從接入點看入的電網阻抗角為。一般情況下，線路兩端的相位移不大，近似于其水平分量，其垂直分量可忽略，由此可得電壓的相對變化率為： （）從上式可以看出，電壓相對變化率取決于，，即為對系統供電電壓造成沖擊的三個要素。以來表示光伏電源并網接入點的短路比。 （）由式（）可得， （）考慮單個光伏電源的情況，當分布式光伏電源未全容量運行時，電壓變化率最大。分布式光伏電源本身具有不穩(wěn)定性，會對電網內的其他用戶的供電電壓造成沖擊。但是隨著供電電網中分布式光伏電源的滲透率增加，提高了系統的整體短路容量。系統的短路容量是電網電壓強度的標志，短路容量越大，系統電壓強度也越強。配電網內部沖擊性負荷投切、外部故障等使得電壓閃變、跌落，對配電網電壓造成較大沖擊的情況，其程度與普通配電網相比，將會得到抑制削弱。由此可知，系統短路容量的變化可以用來表征電壓強度的變化。選擇光伏電源并網接入點作為評估點，以表示負荷無功增量，電壓波動可表示為： （）同樣，當光伏電源并網后，配電網出現擾動時，以表示并網后接入點的短路容量，則并網后接入點的電壓波動可表示為 （）（2）對電網諧波的影響 光伏發(fā)電系統直流電逆變成交流電并網時，會產生諧波，造成諧波污染[22]。當配電網內光伏電源規(guī)模不大時，設計良好的逆變器將直流電轉換成交流電，產生的諧波污染一般在可控范圍內。但是，隨著光伏發(fā)電在配電網系統的滲透率增加，多個諧波源疊加造成的諧波含量會嚴重影響電能質量，不僅如此，多個諧振源還有可能在系統內激發(fā)高次諧波的功率諧振。高滲透率下光伏電源的接入位置不同和出力的大小對電網的諧波會有不利的影響。將光伏電源等效為一個內阻無窮大的諧波電流源進行分析，考慮電源出力變化的影響時，在接入位置不變的情況下，饋線上的電壓諧波總畸變率VTHD由分布式光伏電源的總出力決定，總出力占總負荷的比例越高，則同一饋線沿線各負荷節(jié)點VTHD越大?？紤]光伏電源接入位置變化的影響時，在出力不變的情況下，接入位置越接近線路末端，饋線沿線各負荷節(jié)點的電壓畸變越嚴重；反之，接入點越接近系統母線，對系統的諧波分布影響越小。因此，從減小諧波畸變率的角度來看，分布式光伏電源并不適宜在饋線末端接入系統，可以選擇線路接近系統母線處或饋線中間位置。目前并網型逆變器配置有高性能濾波電路，使得逆變器交流輸出的電能質量較高，對電網質量不會造成大的污染。在輸出功率≥50%額定功率，電網波動5%情況下，如SG100K3型逆變器的交流輸出電流總諧波分量（THD）3%。另外，由于變電所使用的變壓器是─Y接線，400V產生的諧波大部分不會傳至10kV，減少了對電網的污染。但若疊加背景諧波后，并網點的諧波分量有可能接近或超過相關規(guī)定。因此在光伏電站并網時，需對其進行實際檢測，并根據實際接入容量比例分攤諧波限值。如果經檢測無法滿足國家標準，需要采取加裝濾波裝置等相應措施。（3）對電網電壓三相不平衡的影響分布式光伏電源具有極強間歇性，使得光伏電源對各相的出力不均勻。分布式光伏電源并網所造成的電壓不平衡度主要由兩個方面的因素構成：一方面是由于三相并網逆變器自身輸出的不平衡造成的，另一方面是由于大量單相分布式光伏電源并網造成的。由此可見，逆變器自身的輸出不平衡和大比例的單相光伏電源對各相出力不均勻導致了電網的三相不平衡。不對稱的負荷經分解成為正序、負序和零序三組分量，由于負序分量的存在，對系統電氣設備將產生不良影響，諸如電力變壓器效率降低，繼電器保護裝置誤動作等。因此，在光伏電源并網系統中應添加鎖相環(huán)節(jié)，保證系統電流與電壓同步。發(fā)展三相逆變器技術，降低對電網三相不平衡度的影響。也可以有效投切單相光伏電源，保證其對三相出力保持平衡。目前，對于三相不平衡的治理，更多的是使用靜止無功補償器（SVC）的補償方法，與以往使用變壓器、投切固定電容器及電抗器的方法相比，具有調節(jié)范圍寬、動態(tài)性能好、可靠性高、阻抗連續(xù)可調等優(yōu)點，特別適合于可變的不平衡負載。（4）對無功平衡的影響，有部分小型分布式光伏電源功率因數是 ，基本上為有功輸出。為滿足無功補償按分層分區(qū)和就地平衡的原則，太陽能光伏電站應配置適當的無功補償裝置，以滿足電網對無功的要求，提高電源質量，降低網損。（5）光伏并網注入的直流分量對電網的影響光伏并網發(fā)電系統是由直流電經逆變之后轉換為交流電并入電網的，尤其是當無隔離變壓器而與電網直接相連時，會向電網注入直流分量。注入的直流電流分量會對電網中的變壓器等許多電氣設備造成致命的傷害。 儲能環(huán)節(jié)對電網電能質量的影響分析由于光伏直流輸出的波動，無論其是直接帶直流負載，或者是經逆變系統逆變后帶交流負載，其供電都是不穩(wěn)定的。必須存在一個緩沖的儲能單元，在光伏輸出不足時候，補償其功率缺額；而光伏出力大于負荷需求時，又可以盡可能的儲存這部分超額的能量，提高光伏發(fā)電的效率。 光伏電池的IV特性 （） （） （） （） （），可以看出，光伏電池短路電流與光照強度成正比，同時也受到溫度變化的影響；二極管飽和電流主要受溫度的影響，與溫度成非線性關系；光伏電池輸出電流與輸出電壓之間呈非線性關系，同時與光照強度、溫度有很大關系。由于光照強度、溫度等因素具有極強的不穩(wěn)定性，光伏發(fā)電的輸出電流和電壓也具有間歇性與不穩(wěn)定性。會對系統電能質量產生影響，在高滲透率的光伏發(fā)電系統中，對電能質量的影響尤其嚴重。在光伏發(fā)電系統中添加儲能裝置，無論是以光伏發(fā)電組成的微網獨立運行，或者是并網運行，儲能環(huán)節(jié)是支持光伏發(fā)電系統穩(wěn)定運行的重要組成部分，起到平抑系統擾動、維持發(fā)電及負荷動態(tài)平衡、保持電壓及頻率穩(wěn)定的重要作用，從而，提高了系統的電能質量。 并網離網模式切換帶來的電能質量問題 逆變器在并網工作時采用電流型控制模式，控制進網電流的大?。欢讵毩⒐ぷ鲿r則是電壓型控制模式，控制輸出電壓的大小。為了給敏感和重要的負載提供不間斷的交流電，需要在這兩者之間進行切換。當電網發(fā)生故障時，并網開關關斷，電壓基準切換為DSP發(fā)出的正弦波，控制方式由電流控制切換到電壓控制。逆變器從并網模式向獨立模式切換。從獨立模式向并網模式切換時，首先檢測電網電壓的幅值和頻率是否正常，在正常的情況下，調節(jié)逆變器輸出電壓的直流分量，并且調節(jié)逆變器輸出電壓幅值、頻率、相位與電網一致，再對電網電壓進行采樣作為電壓基準。逆變器的控制模式從電壓型切換成電流型。同時，合上并網開關，增大輸出電流基準幅值，同時使其與電網電壓同頻同相。由上述分析可知，并網時要使得輸出基準不斷跟蹤電網電壓的頻率和相位，需要使用鎖相環(huán)。而鎖相技術不可避免的存在延遲。因此，在光伏并網離網模式切換的過程中，不同步或者能量缺額會造成較大的電壓波動，出現較大的電壓電流沖擊，這對逆變器和系統電能質量都是不利的。 光伏并網發(fā)電系統弧島效應孤島效應是光伏并網發(fā)電系統特有的現象，就是當電網由于某種原因中斷供電時，光伏發(fā)電系統形成一個自給供電、不受電力公司控制的孤島，持續(xù)給負載供電的電氣現象。孤島狀態(tài)下的光伏發(fā)電系統具有很大的危害性，會產生嚴重的后果[23]。當光伏發(fā)電系統處于孤島狀態(tài)時，孤島中的電壓和頻率不受控制，若電壓和頻率超出允許的范圍，可能會對用電設備造成損害；孤島中的線路仍然帶電，會威脅輸電線路維修人員的生命安全，電網的安全性降低；當電網恢復正常時有可能造成非同相合閘，導致線路再次跳閘，對光伏并網逆變器和其