【文章內容簡介】 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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)存在兩種運行模式：正常情況下，光伏模塊并聯(lián)接入配電網(wǎng)運行，稱為聯(lián)網(wǎng)模式；當配電網(wǎng)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(lián)網(wǎng)模式下，光伏模塊服從配電網(wǎng)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(wǎng)無功和電壓平衡、實現(xiàn)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(wǎng)發(fā)電的配電網(wǎng)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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)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(wǎng)控制方法，關注系統(tǒng)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(tǒng)運行的安全性、經(jīng)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(wǎng)對配電網(wǎng)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(wǎng)，從而對系統(tǒng)的電能質量產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)逆變器設計可同時抑制并網(wǎng)節(jié)點處的電壓波動和補償負載和TCR產(chǎn)生的諧波，提高了光伏并網(wǎng)電能質量，實現(xiàn)高品質供能。由DSTATCOM和光伏微源組成的聯(lián)合控制系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定性。第4章，本章研究了抑制微網(wǎng)環(huán)流的控制方法和多逆變器并聯(lián)運行的控制策略，使光伏發(fā)電系統(tǒng)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(xiàn)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(wǎng)之間實現(xiàn)并聯(lián)運行控制和負載均分控制。項目組根據(jù)并網(wǎng)運行的條件和功能要求，自主研制了2kW的單相光伏并網(wǎng)逆變器。本章詳細介紹了逆變器的軟硬件設計，系統(tǒng)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(wǎng)系統(tǒng)電能質量分析和評估方法 高滲透率下光伏并網(wǎng)發(fā)電對配電網(wǎng)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(tǒng)后，電力系統(tǒng)將由單電源放射型網(wǎng)絡結構轉換成了多光伏微源的弱環(huán)網(wǎng)絡結構。一般而言，在電網(wǎng)中引入少量的分布式光伏電源對整個電網(wǎng)不會構成太大的影響。但是,當電網(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)連接的具體位置、光伏電源容量大小以及網(wǎng)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(wǎng)，從而對系統(tǒng)的電能質量產(chǎn)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(wǎng)對配電網(wǎng)電能質量的影響（1）對電網(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)的容量大小和安裝位置決定了對供電系統(tǒng)電壓的影響程度。分布式光伏電源的不穩(wěn)定性對并網(wǎng)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(tǒng)在其接入點上的戴維南等效電路當光伏電源注入系統(tǒng)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(wǎng)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(shù)角，電網(wǎng)等效阻抗為， 接入點電壓U，從接入點看入的電網(wǎng)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(tǒng)供電電壓造成沖擊的三個要素。以來表示光伏電源并網(wǎng)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(wǎng)內的其他用戶的供電電壓造成沖擊。但是隨著供電電網(wǎng)中分布式光伏電源的滲透率增加，提高了系統(tǒng)的整體短路容量。系統(tǒng)的短路容量是電網(wǎng)電壓強度的標志，短路容量越大，系統(tǒng)電壓強度也越強。配電網(wǎng)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(wǎng)電壓造成較大沖擊的情況，其程度與普通配電網(wǎng)相比，將會得到抑制削弱。由此可知，系統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)后，配電網(wǎng)出現(xiàn)擾動時，以表示并網(wǎng)后接入點的短路容量，則并網(wǎng)后接入點的電壓波動可表示為 （）（2）對電網(wǎng)諧波的影響 光伏發(fā)電系統(tǒng)直流電逆變成交流電并網(wǎng)時，會產(chǎn)生諧波，造成諧波污染[22]。當配電網(wǎng)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(chǎn)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(wǎng)系統(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)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(tǒng)母線，對系統(tǒng)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(tǒng)，可以選擇線路接近系統(tǒng)母線處或饋線中間位置。目前并網(wǎng)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(wǎng)質量不會造成大的污染。在輸出功率≥50%額定功率，電網(wǎng)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(chǎn)生的諧波大部分不會傳至10kV，減少了對電網(wǎng)的污染。但若疊加背景諧波后，并網(wǎng)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(wǎng)時，需對其進行實際檢測，并根據(jù)實際接入容量比例分攤諧波限值。如果經(jīng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)的三相不平衡。不對稱的負荷經(jīng)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(tǒng)電氣設備將產(chǎn)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(wǎng)系統(tǒng)中應添加鎖相環(huán)節(jié)，保證系統(tǒng)電流與電壓同步。發(fā)展三相逆變器技術，降低對電網(wǎng)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(shù)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?shù)臒o功補償裝置，以滿足電網(wǎng)對無功的要求，提高電源質量，降低網(wǎng)損。（5）光伏并網(wǎng)注入的直流分量對電網(wǎng)的影響光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是由直流電經(jīng)逆變之后轉換為交流電并入電網(wǎng)的，尤其是當無隔離變壓器而與電網(wǎng)直接相連時，會向電網(wǎng)注入直流分量。注入的直流電流分量會對電網(wǎng)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(wǎng)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(jīng)逆變系統(tǒng)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(tǒng)電能質量產(chǎn)生影響，在高滲透率的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，對電能質量的影響尤其嚴重。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中添加儲能裝置，無論是以光伏發(fā)電組成的微網(wǎng)獨立運行，或者是并網(wǎng)運行，儲能環(huán)節(jié)是支持光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要組成部分，起到平抑系統(tǒng)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(tǒng)的電能質量。 并網(wǎng)離網(wǎng)模式切換帶來的電能質量問題 逆變器在并網(wǎng)工作時采用電流型控制模式，控制進網(wǎng)電流的大??；而在獨立工作時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(wǎng)發(fā)生故障時，并網(wǎng)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(wǎng)模式向獨立模式切換。從獨立模式向并網(wǎng)模式切換時，首先檢測電網(wǎng)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(wǎng)一致，再對電網(wǎng)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(wǎng)開關，增大輸出電流基準幅值，同時使其與電網(wǎng)電壓同頻同相。由上述分析可知，并網(wǎng)時要使得輸出基準不斷跟蹤電網(wǎng)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(wǎng)離網(wǎng)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(xiàn)較大的電壓電流沖擊，這對逆變器和系統(tǒng)電能質量都是不利的。 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)弧島效應孤島效應是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)特有的現(xiàn)象，就是當電網(wǎng)由于某種原因中斷供電時，光伏發(fā)電系統(tǒng)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(xiàn)象。孤島狀態(tài)下的光伏發(fā)電系統(tǒng)具有很大的危害性，會產(chǎn)生嚴重的后果[23]。當光伏發(fā)電系統(tǒng)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(wǎng)的安全性降低；當電網(wǎng)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(wǎng)逆變器和其他用電設備造成損壞；孤島效應時，若負載容量與光伏并網(wǎng)器容量不匹配，會造成對逆變器的損壞[24]。從用電安全與電能質量考慮，孤島效應是不允許出現(xiàn)的。隨著光伏發(fā)電在配電網(wǎng)系統(tǒng)的滲透率增加，當有許多光伏并網(wǎng)系統(tǒng)同時向公共電網(wǎng)供電時，發(fā)生孤島效應的機率也隨之增加，由于孤島效應的危害性，一旦發(fā)生，必須準確、快速地斷開并網(wǎng)逆變器，因此，解決孤島問題尤為重要，要做到快速對孤島效應作出發(fā)應，對其檢測控制的要求相應地提高[25]。電網(wǎng)斷電的檢測是解決孤島問題的關鍵，其時間越短越好。 逆變器與電網(wǎng)斷開的最大時間限制表 狀態(tài)斷電后電壓幅值斷電后電壓頻率允許的最大檢測時間Afnom6 cyclesBVfnom2 secondsC≤V≤fnom2 secondsDVfnom2 secondsE≤Vfnom2 cyclesFVnomf 6 cyclesGVnomf fnom+6 cyclesfnom指電網(wǎng)電壓頻率的標準值，對于我國的市電，其值為50Hz；Vnom指電網(wǎng)電壓幅值的標準值，對于我國的單相市電，其值為交流220V (有效值)。主動式檢測和被動式檢測為目前檢測孤島效應的兩種方法。主動式檢測方法相對復雜，而且對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出電能質量有影響，不利于工程實現(xiàn)；被動式檢測方法對電能質量無影響、原理簡單、容易實現(xiàn)，但由于當逆變器和負載的輸出功率匹配時，會有較大的檢測盲區(qū)，因此采取被動式檢測方法與主動式檢測方法相結合來檢測孤島效應，效果最好。并網(wǎng)