光伏发电系统并网电能质量测试数据分析

光伏发电系统并网电能质量测试瞄分析黄瑛;刘友仁【摘要】太阳能是可再生能源，光伏发电是太阳能发电的主流，近些年来，世界范围内太阳能光伏技术和光伏产业发展很快，江西省的光伏电站也在逐渐增加.厚田沙漠光伏电站是江西省内第一个并网发电的光伏发电系统，结合厚田沙漠光伏电站的并网电能质量测试，详细介绍了开展光伏电站并网电能质量测试的步骤,同时依照测试数据对光伏发电的功率变化、电压偏差、闪变以及谐波含量等方面进行了分析，可为今后光伏电站并网测试提供参考，同时为深入研究光伏并网对电网电能质量的影响提供可靠依据.【期刊名称】《江西电力》【年(卷)，期】2012(036)001【总页数】4页(P1-3,6)【关键词】光伏发电;电能质量;数据分析【作者】黄瑛浏友仁【作者单位】江西省电力科学研究院，江西南昌330096;江西省电力科学研究院，江西南昌330096【正文语种】中文【中图分类】TM7110引言太阳能是可再生能源，它资源丰富，既可免费使用，又无需开采和运输，是清洁无污染的能源。太阳能光发电是指不通过热过程直接将太阳的光能转换成电能的太阳能发电方式，可分为光伏发电、光感应发电、光化学发电、光生物发电。其中光伏发电是太阳能光发电的主流，通常所说的太阳能光发电就指光伏发电。光伏发电是根据光生伏打效应原理，利用太阳能电池（光伏电池）将太阳能直接转化成电能。它的优点是清洁、安全、可靠性高，故障率低，寿命长；缺点是能量分散，间歇性大，地域性强。太阳能光伏发电系统由太阳能电池组件、直流监测配电箱、并网逆变器、计量装置及上网配电系统组成。太阳能通过太阳能电池组件转化为直流电力，通过直流监测配电箱汇集至并网型逆变器，将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流，经过升压（隔离）变压器并网。太阳能光伏电站在江西尚处于示范工程阶段，装机峰值容量为5MW的厚田沙漠光伏电站是江西省首座并网发电的中型光伏电站。本文依据国家和国网公司标准详述了光伏并网电能质量测试方法并分析了数据，有助于今后规范类似工作的开展。1并网电能质量测试内容与步骤厚田沙漠光伏电站建设在南昌市新建县厚田乡厚田沙漠风景区，装机峰值容量为5MW，属中型光伏电站。采用的电池类型有薄膜太阳能电池和晶体硅太阳能电池，安装方式有地面固定式安装（包括薄膜固定式、多晶硅固定式）、单轴跟踪、双轴跟踪、建筑一体化方式（光电幕墙、BAPV屋顶）。整个光伏发电场布置5个光伏逆变室，通过5台升压变压器将光伏逆变室输出的400V交流电升压至35kV，由5回进线经过断路器接至35kV母线（单母线接线方式），汇流后由1回35kV出线接入110kV流湖变的35kV母线，线路长度约10km。依照国家电网公司企业标准Q/GDW618-2011《光伏电站接入电网测试规程》的要求，对于大中型光伏电站接入电网的测试内容至少应包括电能质量测试、功率特性测试、电压/频率异常的响应特性测试、低电压穿越能力测试、防孤岛保护特性测试、通过用性能测试等。厚田沙漠光伏电站，接入电压等级为35kV的电网，属于中型光伏电站，现就其并网时开展的电能质量测试进行详细说明。1.1背景电能质量测试在进行光伏电站并网电能质量测试前，要保证电网侧电能质量指标满足GB/T12325-2008《电能质量供电电压偏差》、GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》、GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》、GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》、GB12326-2008《电能质量电压波动和闪变》、GB/T24337-2009《电能质量公用电网间谐波》的要求。厚田沙漠光伏电站接入110kV流湖变电站35kV母线如图1所示，在光伏电站并网前，背景测试点选择了110kV流湖变电站110kV及35kV母线。试验结果表明110kV母线谐波电压总畸变率为0.51%，三相电压不平衡度0.2%，闪变0.17；35kV母线谐波电压总畸变率为0.97%，三相电压不平衡度0.7%，闪变0.2，满足各项国标要求。图1流湖变电站接线1.2电能质量测试装置进行并网测试的电能质量测试装置，需要满足《GB19862-2005电能质量监测设备通用要求》、《DL/T1028-2006电能质量测试分析仪检定规程》的技术要求，并符合IEC61000-4-30-2003ClassA测试精度的要求。此次测试采用的设备是FLUCK1760。1.3电能质量测试方法图2电能质量测试方法示意电能质量测试方法如图2所示，并网测试点应设在光伏电站并网点和公共连接点处，对于厚田沙漠光伏电站，由于只通过唯一的一条的35kV出线与电网连接，所以测试点选择在35kV出线处。采用电能质量测试装置测试并网点的电能质量参数，在系统正常运行方式下，测试时长为2011年7月29日一整天，满足测试一个完整的辐射周期的要求。测试采用连续测试方式，每次测量时间间隔1min，实测值取95%概率大值。2测试数据分析2.1谐波分析厚田光伏电站容量较小，发电时不能调节无功，受系统电压的影响，基波电压平稳，没有明显变化，而基波电流随着光照强度的增强而变大，在正午时分达到最大值。基波电压与基波电流日趋势如图3所示。图3基波电压与基波电流日趋势图光伏电站中的并网逆变器将直流电能转变成交流电的过程，会向电网注入大量谐波。光伏电站并网后谐波含量是否合格是由并网接入点的短路容量、光伏电站的装机容量以及逆变器注入电网的谐波电流大小决定的。光伏电站的谐波含量应控制在《GB14549-1993电能质量公用电网谐波》规定的允许值的范围内，35kV母线电压总谐波畸变率不超过3%，各奇次谐波含有率不超过2.4%，各偶次谐波含有率不超过1.2%。否则应配备相应的滤波装置，从而避免对公用电网造成谐波污染。厚田沙漠光伏电站并网后的谐波数据如表1、2所示。在测试的一天时间内，选取了10:00-14:00光照强度最强时与15:00-17:00光照强度较弱时的谐波进行对比，从表1可以看出，各次谐波电压值都较小，没有超出国标规定的限值。表1光伏电站并网后35kV线谐波电压含有率谐波次数THD23579111315光照强度最强0.89%0.03%0.27%0.76%0.15%0.04%0.22%0.26%0.07%光照强度较弱0.89%0.02%0.22%0.76%0.09%0.03%0.21%0.23%0.05%国标限值3.0%1.2%2.4%2.4%2.4%2.4%2.4%2.4%2.4%表2光伏电站并网后35kV出线谐波电流A光伏电站接入电网后，公共连接点的总谐波电流分量应满足GB/T14549-1993《电能质量•公用电网谐波》的要求，其向电网注入的谐波允许值应按照光伏电站安装容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。对于相称电压35kV按基准短路容量250MVA计算的各次谐波电流允许值如表3所示。表3注入公共连接点的谐波电流允许值IhA谐波次数Ih235791113151512128.84.15.64.72.5根据用电容量分配谐波指标的原则，当公共连接点的正常最小短容量S实际不同于基准短路容量S基准时，某个用户的各次谐波电流允许值按式（1）确定：式（1）中：S实际——公共连接点的正常最小短路容量；S基准——基准短路容量；S用户协议——用户的用电协议容量；S供电容量——公共连接点的供电设备容量；a——相位系数值，见表4；Ih——注入公共连接点的谐波电流允许值；Ihi第i次谐波电流允许值；表4相位系数值谐波次数35711139,>13a1.11.21.41.81.92流湖变电站供电容量为16MVA，光伏电站用户协议容量为5MVA，流湖变电站35kV母线的最小短路容量实际为140.54MVA，按表3设定的35kV的基准短路容量250MVA折算，按表4取各次谐波的相位系数值，计算出光伏电站35kV出线谐波电流限值如表5所示。对比表2、5,可以看出各次谐波电流均在限值内，满足GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》的要求。表5光伏电站35kV出线谐波电流限值A谐波次数23579谐波电流限值4.712.342.562.161.29111.6513151.430.792.2电压偏差分析光伏电站接入电网后，公共连接点的电压偏差应满足《GB/T12325-2008电能质量供电电压偏差》的要求，35kV及以上公共连接点电压正负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%。厚田光伏电站实际输出的日最大交流功率为3.5MW，光伏电站并网后，流湖变电站的35kV母线电压偏差约为额定的7.2%，在允许范围内。2.3闪变分析光伏电站接入电网后，公共连接点的电压闪变应满足《GB/T12326-2008电能质量电压波动和闪变》的要求，长时闪变每次的测量周期取2h，对于35kV出线，长时间闪变测试值为0.11，满足国标的要求。2.4电压不平衡度分析光伏电站接入电网后，公共连接点的电压不平衡度应不超过《GB/T15543-2008电能质量三相电压不平衡》的要求，厚田光伏电站35kV出线三相电压不平衡度测试值为0.2，满足公共连接点负序电压不平衡度小于2%的要求。2.5功率分析光伏发电受日夜季候的影响，造成输出功率随机波动性较强，发电稳定性较差。光伏电站输出功率随着太阳辐射量、太阳能电池组件的倾斜角度及组件效率、温度特性、灰尘损失、最大输出功率跟踪（MPPT）、线路损失、控制器及逆变器效率、蓄电池效率等因素的变化而变化。厚田沙漠光伏电站一天的功率运行曲线如图4,测试期间温度371,天气晴热，最大光照度约200LUX，风向124.78°。从功率曲线可以看出，发电功率随日照强度的变化，晴天时大致上呈单峰曲线的形状，功率峰值一般在时间10:00-14:00间。晴热天气发电功率波动不大，在夜晚没有光亮时，输出功率基本为0。厚田光伏电站输出为纯有功功率，功率因素为1,不具备功率调节能力。图4发电功率日趋势曲线3结论厚田光伏电站只能输出有功功率，功率变化受光照强度的变化在一天中显示出单峰曲线的特性。受系统电压的影响，电站输出电压平稳，没有明显变化，而电流随着光照强度的增强而变大，在正午时分达到最大值。因电站容量较小，对系统注入的谐波含量较小，三相电压不平衡度及闪变也在国标允许的范围内。发电系统的运行投入未对电网电能质量造成不良影响。在能源形势日益严峻的今天，光伏发电作为可再生能源的作用与应用前景正得到社会的普遍认同，推动光伏发电的发展也更具有现实意义。但是光伏发电也会给电网电能质量带来一些问题，如输出功率快速随机波动、对电网注入谐波等。为了解决这些问题，可以通过增加电网内常规发电机组的旋转备用容量进行功率调整补偿；采用高性能的电力电子装置，通过提高装置自身的功率因数、减少谐波发生量，或在光伏电站安装电能质量治理装置等方法来减缓对电网的影响。光伏发电作为常规能源的补充，从环境保护及能源战略上都具有重大