【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 頻率進(jìn)行下垂控制，均分負(fù)載電流的效果很好，逆變電源之間的環(huán)流很小。（5）運(yùn)行模式對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題的影響研究光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)存在兩種運(yùn)行模式：正常情況下，光伏模塊并聯(lián)接入配電網(wǎng)運(yùn)行，稱為聯(lián)網(wǎng)模式；當(dāng)配電網(wǎng)故障或者電能質(zhì)量不滿足要求時(shí)，光伏模塊斷開(kāi)獨(dú)立運(yùn)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(diào)度，輸送電能。孤島運(yùn)行時(shí)，光伏模塊單獨(dú)運(yùn)行供電。儲(chǔ)能裝置及必要的用戶電力裝置是維持微網(wǎng)無(wú)功和電壓平衡、實(shí)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?jī)?nèi)容及組織架構(gòu)本文對(duì)含大比例光伏并網(wǎng)發(fā)電的配電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題及其交互影響進(jìn)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(zhì)量問(wèn)題，提出一種電能質(zhì)量評(píng)估方法，深入研究了光伏發(fā)電與電能質(zhì)量治理裝置的交互影響以及多逆變器并網(wǎng)控制方法，關(guān)注系統(tǒng)整體電能質(zhì)量，以保障高滲透率光伏分布式發(fā)電供能系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)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(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。伴隨著分布式光伏電源接入，各種擾動(dòng)同時(shí)引入配電網(wǎng)，從而對(duì)系統(tǒng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，主要會(huì)造成供電電壓不穩(wěn)定、諧波污染、三相電壓不平衡以及無(wú)功功率不平衡等方面的問(wèn)題。給出了一種可供評(píng)判大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量的指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系包含了電壓偏差指標(biāo)、頻率偏差指標(biāo)、三相不平衡指標(biāo)、諧波畸變指標(biāo)、電壓波動(dòng)指標(biāo)和電壓閃變指標(biāo)六大穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。在指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于雷達(dá)圖法的電能質(zhì)量綜合評(píng)估方法。第3章，本章首先對(duì)電能質(zhì)量治理裝置與光伏發(fā)電裝置的交互影響進(jìn)行了研究。然后對(duì)配置典型的電能治理裝置如SVC，DSTATCOM的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)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(shè)計(jì)可同時(shí)抑制并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的電壓波動(dòng)和補(bǔ)償負(fù)載和TCR產(chǎn)生的諧波，提高了光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)供能。由DSTATCOM和光伏微源組成的聯(lián)合控制系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)度使光伏微源在供能的同時(shí)提供較大容量的無(wú)功功率，降低了電能質(zhì)量裝置的成本，改善了電能質(zhì)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(yùn)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(wèn)題的辦法，采用基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的虛擬V/f控制策略，把電阻和電抗均考慮在內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)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(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行控制和負(fù)載均分控制。項(xiàng)目組根據(jù)并網(wǎng)運(yùn)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(xì)介紹了逆變器的軟硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。逆變器的實(shí)際穩(wěn)定運(yùn)行表明逆變器設(shè)計(jì)合理?？偨Y(jié)和展望，介紹了本論文研究的特點(diǎn)和創(chuàng)新之處，對(duì)本文進(jìn)行了總結(jié)和展望，指出進(jìn)一步研究工作的重點(diǎn)和方向。 第2章 光伏發(fā)電配電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量分析和評(píng)估方法 高滲透率下光伏并網(wǎng)發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析當(dāng)多個(gè)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(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成了多光伏微源的弱環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一般而言，在電網(wǎng)中引入少量的分布式光伏電源對(duì)整個(gè)電網(wǎng)不會(huì)構(gòu)成太大的影響。但是,當(dāng)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(shí)，此時(shí)這些光伏電源將會(huì)對(duì)系統(tǒng)特性[19],例如：電壓形態(tài)、短路電流、有功及無(wú)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。伴隨著大比例分布式光伏電源接入，各種擾動(dòng)也同時(shí)引入配電網(wǎng)，從而對(duì)系統(tǒng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，主要會(huì)造成供電電壓不穩(wěn)定、諧波污染、三相電壓不平衡以及無(wú)功功率不平衡等方面的問(wèn)題[20]。 大功率光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響（1）對(duì)電網(wǎng)電壓的影響 太陽(yáng)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(dòng)。如果配電網(wǎng)系統(tǒng)中含有大比例的光伏發(fā)電時(shí)，會(huì)使得線路上的負(fù)荷潮流發(fā)生波動(dòng)且變化較大。而電網(wǎng)中很少具有動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備，僅靠投切電容電抗器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。從而，電網(wǎng)電壓的調(diào)整難度加大，調(diào)節(jié)不好會(huì)導(dǎo)致電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變等問(wèn)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(duì)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(duì)并網(wǎng)接入點(diǎn)的影響是最大的，因此，以此點(diǎn)來(lái)評(píng)估電壓變化。 含分布式光伏電源的系統(tǒng)在其接入點(diǎn)上的戴維南等效電路當(dāng)光伏電源注入系統(tǒng)的功率發(fā)生改變時(shí)，線路上的電流變化值。當(dāng)發(fā)電量波動(dòng)時(shí)，接入點(diǎn)的電壓變化值為。由圖估算如下： （）在上式中，并網(wǎng)接入點(diǎn)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(diǎn)電壓U，從接入點(diǎn)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(duì)變化率為： （）從上式可以看出，電壓相對(duì)變化率取決于，，即為對(duì)系統(tǒng)供電電壓造成沖擊的三個(gè)要素。以來(lái)表示光伏電源并網(wǎng)接入點(diǎn)的短路比。 （）由式（）可得， （）考慮單個(gè)光伏電源的情況，當(dāng)分布式光伏電源未全容量運(yùn)行時(shí)，電壓變化率最大。分布式光伏電源本身具有不穩(wěn)定性，會(huì)對(duì)電網(wǎng)內(nèi)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(qiáng)度的標(biāo)志，短路容量越大，系統(tǒng)電壓強(qiáng)度也越強(qiáng)。配電網(wǎng)內(nèi)部沖擊性負(fù)荷投切、外部故障等使得電壓閃變、跌落，對(duì)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(huì)得到抑制削弱。由此可知，系統(tǒng)短路容量的變化可以用來(lái)表征電壓強(qiáng)度的變化。選擇光伏電源并網(wǎng)接入點(diǎn)作為評(píng)估點(diǎn)，以表示負(fù)荷無(wú)功增量，電壓波動(dòng)可表示為： （）同樣，當(dāng)光伏電源并網(wǎng)后，配電網(wǎng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，以表示并網(wǎng)后接入點(diǎn)的短路容量，則并網(wǎng)后接入點(diǎn)的電壓波動(dòng)可表示為 （）（2）對(duì)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生諧波，造成諧波污染[22]。當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)光伏電源規(guī)模不大時(shí)，設(shè)計(jì)良好的逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，產(chǎn)生的諧波污染一般在可控范圍內(nèi)。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(gè)諧波源疊加造成的諧波含量會(huì)嚴(yán)重影響電能質(zhì)量，不僅如此，多個(gè)諧振源還有可能在系統(tǒng)內(nèi)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(duì)電網(wǎng)的諧波會(huì)有不利的影響。將光伏電源等效為一個(gè)內(nèi)阻無(wú)窮大的諧波電流源進(jìn)行分析，考慮電源出力變化的影響時(shí)，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(fù)荷的比例越高，則同一饋線沿線各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)VTHD越大。考慮光伏電源接入位置變化的影響時(shí)，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(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓畸變?cè)絿?yán)重；反之，接入點(diǎn)越接近系統(tǒng)母線，對(duì)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(lái)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(zhì)量較高，對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量不會(huì)造成大的污染。在輸出功率≥50%額定功率，電網(wǎng)波動(dòng)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(huì)傳至10kV，減少了對(duì)電網(wǎng)的污染。但若疊加背景諧波后，并網(wǎng)點(diǎn)的諧波分量有可能接近或超過(guò)相關(guān)規(guī)定。因此在光伏電站并網(wǎng)時(shí)，需對(duì)其進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，并根據(jù)實(shí)際接入容量比例分?jǐn)傊C波限值。如果經(jīng)檢測(cè)無(wú)法滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，需要采取加裝濾波裝置等相應(yīng)措施。（3）對(duì)電網(wǎng)電壓三相不平衡的影響分布式光伏電源具有極強(qiáng)間歇性，使得光伏電源對(duì)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(gè)方面的因素構(gòu)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(jiàn)，逆變器自身的輸出不平衡和大比例的單相光伏電源對(duì)各相出力不均勻?qū)е铝穗娋W(wǎng)的三相不平衡。不對(duì)稱的負(fù)荷經(jīng)分解成為正序、負(fù)序和零序三組分量，由于負(fù)序分量的存在，對(duì)系統(tǒng)電氣設(shè)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(hù)裝置誤動(dòng)作等。因此，在光伏電源并網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)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(shù)，降低對(duì)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(duì)三相出力保持平衡。目前，對(duì)于三相不平衡的治理，更多的是使用靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）的補(bǔ)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(diào)節(jié)范圍寬、動(dòng)態(tài)性能好、可靠性高、阻抗連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于可變的不平衡負(fù)載。（4）對(duì)無(wú)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(wú)功補(bǔ)償按分層分區(qū)和就地平衡的原則，太陽(yáng)能光伏電站應(yīng)配置適當(dāng)?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償裝置，以滿足電網(wǎng)對(duì)無(wú)功的要求，提高電源質(zhì)量，降低網(wǎng)損。（5）光伏并網(wǎng)注入的直流分量對(duì)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(zhuǎn)換為交流電并入電網(wǎng)的，尤其是當(dāng)無(wú)隔離變壓器而與電網(wǎng)直接相連時(shí)，會(huì)向電網(wǎng)注入直流分量。注入的直流電流分量會(huì)對(duì)電網(wǎng)中的變壓器等許多電氣設(shè)備造成致命的傷害。 儲(chǔ)能環(huán)節(jié)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析由于光伏直流輸出的波動(dòng)，無(wú)論其是直接帶直流負(fù)載，或者是經(jīng)逆變系統(tǒng)逆變后帶交流負(fù)載，其供電都是不穩(wěn)定的。必須存在一個(gè)緩沖的儲(chǔ)能單元，在光伏輸出不足時(shí)候，補(bǔ)償其功率缺額；而光伏出力大于負(fù)荷需求時(shí)，又可以盡可能的儲(chǔ)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(qiáng)度成正比，同時(shí)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(guān)系；光伏電池輸出電流與輸出電壓之間呈非線性關(guān)系，同時(shí)與光照強(qiáng)度、溫度有很大關(guān)系。由于光照強(qiáng)度、溫度等因素具有極強(qiáng)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(huì)對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，在高滲透率的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，對(duì)電能質(zhì)量的影響尤其嚴(yán)重。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中添加儲(chǔ)能裝置，無(wú)論是以光伏發(fā)電組成的微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，或者是并網(wǎng)運(yùn)行，儲(chǔ)能環(huán)節(jié)是支持光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分，起到平抑系統(tǒng)擾動(dòng)、維持發(fā)電及負(fù)荷動(dòng)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(zhì)量。 并網(wǎng)離網(wǎng)模式切換帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題 逆變器在并網(wǎng)工作時(shí)采用電流型控制模式，控制進(jìn)網(wǎng)電流的大?。欢讵?dú)立工作時(shí)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(fù)載提供不間斷的交流電，需要在這兩者之間進(jìn)行切換。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷，電壓基準(zhǔn)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(dú)立模式切換。從獨(dú)立模式向并網(wǎng)模式切換時(shí)，首先檢測(cè)電網(wǎng)電壓的幅值和頻率是否正常，在正常的情況下，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的直流分量，并且調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓幅值、頻率、相位與電網(wǎng)一致，再對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣作為電壓基準(zhǔn)。逆變器的控制模式從電壓型切換成電流型。同時(shí)，合上并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，增大輸出電流基準(zhǔn)幅值，同時(shí)使其與電網(wǎng)電壓同頻同相。由上述分析可知，并網(wǎng)時(shí)要使得輸出基準(zhǔn)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(shù)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(guò)程中，不同步或者能量缺額會(huì)造成較大的電壓波動(dòng)，出現(xiàn)較大的電壓電流沖擊，這對(duì)逆變器和系統(tǒng)電能質(zhì)量都是不利的。 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)弧島效應(yīng)孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)特有的現(xiàn)象，就是當(dāng)電網(wǎng)由于某種原因中斷供電時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)形成一個(gè)自給供電、不受電力公司控制的孤島，持續(xù)給負(fù)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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果[23]。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)時(shí)，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(huì)對(duì)用電設(shè)備造成損害；孤島中的線路仍然帶電，會(huì)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(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)有可能造成非同相合閘，導(dǎo)致線路再次跳閘，對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器和其他用電設(shè)備造成損壞；孤島效應(yīng)時(shí)，若負(fù)載容量與光伏并網(wǎng)器容量不匹配，會(huì)造成對(duì)逆變器的損壞[24]。從用電安全與電能質(zhì)量考慮，孤島效應(yīng)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(dāng)有許多光伏并網(wǎng)系統(tǒng)同時(shí)向公共電網(wǎng)供電時(shí)，發(fā)生孤島效應(yīng)的機(jī)率也隨之增加，由于孤島效應(yīng)的危害性，一旦發(fā)生，必須準(zhǔn)確、快速地?cái)嚅_(kāi)并網(wǎng)逆變器，因此，解決孤島問(wèn)題尤為重要，要做到快速對(duì)孤島效應(yīng)作出發(fā)應(yīng)，對(duì)其檢測(cè)控制的要求相應(yīng)地提高[25]。電網(wǎng)斷電的檢測(cè)是解決孤島問(wèn)題的關(guān)鍵，其時(shí)間越短越好。 逆變器與電網(wǎng)斷開(kāi)的最大時(shí)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(cè)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)于我國(guó)的市電，其值為50Hz；Vnom指電網(wǎng)電壓幅值的標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)于我國(guó)的單相市電，其值為交流220V (有效值)。主動(dòng)式檢測(cè)和被動(dòng)式檢測(cè)為目前檢測(cè)孤島效應(yīng)的兩種方法。主動(dòng)式檢測(cè)方法相對(duì)復(fù)雜，而且對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量有影響，不利于工程實(shí)現(xiàn)；被動(dòng)式檢測(cè)方法對(duì)電能質(zhì)量無(wú)影響、原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，但由于當(dāng)逆變器和負(fù)載的輸出功率匹配時(shí)，會(huì)有較大的檢測(cè)盲區(qū)，因此采取被動(dòng)式檢測(cè)方法與主動(dòng)式檢測(cè)方法相結(jié)合來(lái)檢測(cè)孤島效應(yīng)，效果最好。并網(wǎng)