安科瑞小贴士——电网电能质量并网光伏发电解决方案

引言

在全球能源格局面临深刻变革的当下，能源危机如高悬之剑，时刻警示着传统能源的有限性。与此同时，环保理念已深入人心，成为全球共识。在这样的大背景下，光伏发电凭借其清洁、无污染、可再生等显著优势，犹如一颗璀璨新星，在能源领域中迅速崛起，逐渐成为推动能源结构转型的核心力量。然而，并网光伏发电系统在实际运行过程中，其固有的随机性、波动性以及间歇性特点，如同隐藏在暗处的 “荆棘”，对电网电能质量造成了不容忽视的影响。这些影响不仅关乎电网的稳定运行，更对电力用户的用电体验和各类电气设备的正常运转有着直接关联。因此，深入剖析并网光伏发电对电网电能质量的影响，并探寻切实可行的治理措施，已成为当前电力行业亟待解决的重要课题。本文将围绕这一关键问题展开全面且深入的探讨。

并网光伏发电对电网电能质量的影响

谐波问题

在光伏发电系统中，逆变器扮演着极为关键的角色，然而，它也是产生谐波的主要源头。逆变器内部广泛应用了大量的电力电子元件，这些元件在提升系统信息化和智能化处理能力的同时，也带来了新的问题。由于它们的工作特性，使得逆变器成为了大量非线性负载的集合体。当电流通过这些非线性负载时，原本规则的正弦波电流波形发生严重失真，进而产生大量谐波注入到系统中。

特别值得关注的是，天气因素，诸如辐照度的剧烈变化以及温度的大幅波动，会对光伏发电系统的运行状态产生显著影响。在这种情况下，逆变器输出的谐波含量也会随之大幅波动。当多台并网逆变器并联运行时，情况变得更为复杂。每台逆变器输出电流的谐波会相互叠加，若不加以控制，极有可能导致输出电流谐波严重超标。更为严重的是，这种谐波叠加现象可能引发并联谐振，使得特定次并网谐波电流呈几何倍数扩大。一旦发生这种情况，不仅会对电网中的其他电气设备造成严重的损害，如变压器过热、电机振动加剧等，还可能导致电网局部停电，给电力供应带来极大的不稳定因素。在某些大规模光伏电站中，就曾因谐波问题引发了一系列设备故障，导致电站长时间无法正常运行，造成了巨大的经济损失。

电压波动和闪变

光伏发电系统的输出功率犹如一个 “善变的精灵”，受到日照强度、天气状况、季节更替以及温度变化等诸多自然因素的综合影响，呈现出显著的不稳定性。这种不稳定性直接反映在光伏发电系统接入点的电压上，导致电压出现频繁的波动和闪变现象。

当日照强度突然减弱，或者遇到阴天、雨天等恶劣天气时，光伏发电系统的输出功率会迅速下降。反之，当天气转晴，日照强度增强时，输出功率又会急剧上升。这种输出功率的大幅变化，会使得接入点的电压在短时间内发生明显的波动。而当负载功率在一定范围内频繁变化时，例如工业生产中一些大型设备的频繁启停，会进一步加剧这种电压波动和闪变问题。电压波动和闪变不仅会影响到用户端各类电气设备的正常运行，如灯光闪烁、电机转速不稳定等，还可能对一些对电压稳定性要求极高的精密仪器设备造成永久性损坏，严重影响生产的正常进行。在一些靠近光伏电站的居民区，居民常常反映家中的灯光会出现不明原因的闪烁，这正是电压波动和闪变带来的直观影响。

直流注入

在并网光伏发电系统中，直流注入如同一个隐藏在暗处的 “杀手”，悄然威胁着电网电能质量以及其他设备的安全运行。直流注入问题一旦出现，不仅会对电网电能质量造成严重的负面影响，还可能引发一系列连锁反应，对电网中的其他设备，如变压器、电容器等造成不可逆转的损害。

根据国际权威标准 IEEEStd929 - 2000 与 IEEEStd547 - 2000 的明确规定，并网发电装置向电网注入的直流电流分量绝对不能超过装置额定电流的 0.5%。然而，在实际运行过程中，由于多种因素的综合作用，直流注入问题时有发生。电力电子器件自身存在的分散性，使得每个器件的性能参数存在细微差异，这在大规模应用时会导致直流分量的累积；驱动电路的不一致性，可能使得逆变器各桥臂的驱动信号存在偏差，进而产生直流注入；此外，大功率控制器内部测量器件的零点漂移以及非线性特性，也会在一定程度上引发直流注入问题。在某地区的一个光伏电站，由于直流注入问题未得到及时解决，导致部分变压器出现过热现象，严重影响了电站的正常运行和设备寿命。

孤岛效应

孤岛效应是并网光伏发电系统运行过程中一个较为危险的现象。它通常发生在电网因各种原因中断供电时，并网光伏发电系统却未能及时、准确地检测出停电状态，从而继续保持独立运行的情况。

孤岛效应对配电网电能质量的负面影响是多方面的。首先，它会导致电压和频率出现大幅波动，使得原本稳定的电网电能质量受到严重破坏。其次，孤岛效应可能会使系统中的电气设备因承受异常的电压和频率而损坏。例如，一些电机类设备可能会因转速异常而烧毁。再者，孤岛效应还会给重合闸操作带来故障，影响电网的快速恢复供电。更为严重的是，它会对电网维修人员的人身安全构成极大威胁，当维修人员在不知情的情况下对停电线路进行检修时，可能会遭遇来自孤岛发电系统的电流冲击。此外，孤岛效应还可能导致配电网三相负荷不对称，进一步降低用户的用电质量。在一些偏远地区的小型光伏电站，由于孤岛检测与保护措施不到位，曾发生过因孤岛效应导致的设备损坏和人员安全事故。

治理措施

谐波治理

针对谐波问题，可从多个层面采取行之的措施。

源头治理：对谐波源进行深度改造是解决谐波问题的根本之道。通过优化逆变器的电路拓扑结构，采用先进的控制算法，如空间矢量调制技术等，能够从源头上减少谐波的产生。一些新型逆变器采用了多电平拓扑结构，大大降低了输出电流的谐波含量，改善了电能质量。

加装滤波器：在光伏发电系统中合理装置有源或无源滤波器，是吸收特定次数谐波电流的重要手段。无源滤波器通常由电感、电容和电阻等元件组成，通过设计特定的谐振频率，能够对特定次谐波进行滤波。而有源滤波器则通过实时检测谐波电流，产生与之大小相等、方向相反的补偿电流，从而实现对谐波的精确抵消。在实际应用中，将有源滤波器和无源滤波器结合使用，能够取得更好的滤波效果。

谐波补偿装置：装设附加的谐波补偿装置，如静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）等，对谐波进行针对性补偿。这些装置能够快速响应电网中的谐波变化，及时调整补偿电流，降低谐波对电网的影响。在一些大型工业用户和光伏电站中，SVC 和 STATCOM 的应用取得了显著的谐波治理效果。

电压波动和闪变治理

为应对电压波动和闪变问题，可采取以下措施。

优化逆变器控制策略：通过改进逆变器的控制算法，提高其对电压的跟踪和调节能力，从而增强电压的稳定性。例如，采用最大功率点跟踪（MPPT）技术与电压调节相结合的控制策略，在保证光伏发电系统输出最大功率的同时，能够抑制电压波动。一些先进的逆变器能够根据电网电压的实时变化，自动调整输出功率，维持接入点电压的稳定。

加大变电站母线短路容量：增强电网的电压调节能力，从根本上提升电网对电压波动的承受能力。通过增加变电站的变压器容量、优化电网结构等方式，提高变电站母线的短路容量。这样，当光伏发电系统输出功率发生变化时，电网能够更好地吸收和调节功率波动，减少对电压的影响。在一些电网升级改造项目中，通过加大变电站母线短路容量，改善了区域内的电压稳定性。

提高功率因数：在光伏电站容量确定的情况下，通过合理配置无功补偿设备，提高其功率因数。功率因数的提高意味着有功功率在总功率中所占比例增加，无功功率变化量相应降低。这样可以减少因无功功率波动引起的电压波动和闪变。例如，在光伏电站中安装并联电容器组，根据实际运行情况进行投切，能够提高功率因数，改善电压质量。

直流注入治理

针对直流注入问题，可采用以下多种治理方法。

检测补偿法：利用高精度的直流检测设备，实时监测电网中的直流注入情况。一旦检测到直流分量超过允许值，立即通过补偿装置注入反向直流电流，对直流注入进行精准补偿。这种方法能够快速响应直流注入的变化，降低直流注入对电网的影响。

优化设计逆变器并网结构：在逆变器的设计和选型过程中，充分考虑直流注入问题，通过优化电路结构、选用一致性好的电力电子器件等方式，从源头上减少直流注入的可能性。一些新型逆变器在设计时采用了特殊的电路布局和控制策略，大大降低了直流注入的风险。

电容隔直：使用电容器隔离直流分量是一种简单的方法。在光伏发电系统的输出端串联合适容量的电容器，能够阻止直流电流流入电网，同时对交流电流的传输影响较小。这种方法成本较低，安装方便，在一些小型光伏电站中应用较为广泛。

虚拟电容法：通过软件算法模拟电容效果，实现对直流注入的抑制。这种方法无需额外增加硬件设备，通过对逆变器控制程序的优化，利用软件算法产生类似于电容的隔直效果，减少直流注入。它具有灵活性高、易于调整等优点，在一些智能化程度较高的光伏电站中得到了应用。

装置隔离变压器：使用隔离变压器隔离直流分量，是一种较为可靠的方法。隔离变压器能够阻断直流电流的传输，同时保证交流电能的正常传输。在一些对电能质量要求较高的场合，如医院、数据中心等附近的光伏电站，常采用隔离变压器来解决直流注入问题。

孤岛效应治理

为防范孤岛效应，可采取以下措施。

优化孤岛检测方法：采用先进的检测算法和技术，提高孤岛检测的准确性和可靠性。例如，利用频率偏移检测法、相位突变检测法等多种检测方法相结合的方式，能够更全面、准确地检测孤岛效应的发生。一些新型的孤岛检测装置还具备自适应调整检测参数的功能，能够根据不同的运行环境和工况，优化检测效果。

配置反孤岛保护功能：在光伏发电系统中配置高性能的反孤岛保护装置，当检测到异常情况，如电压、频率超出正常范围等，能够迅速切断并网连接，防止孤岛效应的发生。这些保护装置通常具备快速响应、高可靠性等特点，能够在极短的时间内做出反应，保障电网和设备的安全。

加强电网运行调度：结合新能源发电电功率预测技术，对电网进行科学合理的运行调度。通过准确预测光伏发电系统的输出功率变化，提前做好电网的负荷调整和运行方式优化，能够减轻孤岛效应对电网的影响。例如，在电网负荷低谷时段，合理安排光伏电站的发电计划，避免因功率过剩导致孤岛效应的发生。

安科瑞的解决方案

电能质量在线监测

APView500 电能质量在线监测装置犹如一位 “电力卫士”，时刻守护着电网的电能质量。它采用了高性能多核平台和嵌入式操作系统，具备强大的数据处理和分析能力。在测量方法上，严格遵照 IEC61000 - 4 - 30《测试和测量技术 - 电能质量测量方法》中规定的各电能质量指标的测量方法进行测量。该装置集谐波分析、波形采样、电压暂降 / 暂升 / 中断、闪变监测、电压不平衡度监测、事件记录、测量控制等多种功能于一体。

在电能质量指标参数测量方法的标准化方面，APView500 达到了极高的水准。其测量精度以及时钟同步、事件标记功能等各个方面均达到了 IEC61000 - 4 - 30 A 级标准。这意味着它能够极为准确地监测电网中的各种电能质量问题，为后续的分析和治理提供可靠的数据支持。无论是在城市的配电网中，还是在偏远地区的光伏电站附近，该装置都能够稳定运行，满足 110kV 及以下供电系统电能质量监测的严格要求。在实际应用中，它能够及时发现电网中的谐波超标、电压波动等问题，并通过实时数据传输，将这些信息反馈给电力运维人员，以便他们及时采取措施进行处理。

防孤岛保护装置

防孤岛保护装置在并网光伏发电系统中起着至关重要的安全保障作用。当它检测到并网点出现逆功率、频率突变等异常数据时，即判断可能发生了孤岛现象。此时，装置会迅速做出反应，配合断路器快速切除并网点，使本站与电网侧快速脱离。

这种快速切断机制能够避免孤岛效应带来的一系列危害，如电气设备损坏、人员安全事故等，切实保证整个电站和相关维护人员的生命安全。在一些复杂的电网环境中，防孤岛保护装置能够准确识别各种异常情况，及时采取保护动作，为电网的安全稳定运行提供了坚实的保障。它就像一把 “安全锁”，时刻守护着并网光伏发电系统与电网之间的连接安全。

结论

并网光伏发电系统在为能源结构转型带来巨大机遇的同时，也对电网电能质量产生了多方面的复杂影响。谐波、电压波动和闪变、直流注入以及孤岛效应等问题，如同一个个 “绊脚石”，阻碍着光伏发电系统与电网的高效、稳定融合。然而，通过深入研究和实践，我们找到了一系列行之的治理措施。从源头治理到加装各类补偿和滤波装置，从优化控制策略到加强监测与预测，这些措施相互配合，形成了一套完整的解决方案。

通过实施这些措施，能够显著降低并网光伏发电对电网电能质量的负面影响，使光伏发电系统更好地融入电网，为用户提供更加可靠、优质的电能。这不仅有助于推动新能源产业的持续健康发展，还能为实现全球能源的可持续发展目标贡献重要力量。在未来的能源发展进程中，我们需要不断深化对这些问题的研究，持续优化治理措施，以应对并网光伏发电系统在不同应用场景下可能出现的新问题，确保电网的安全稳定运行，为社会经济的发展提供坚实的能源支撑。

审核编辑 黄宇