光伏发电系统对电能质量影响分析文献综述

文 献 综 述

摘 要：能源形势日益严峻的今天，光伏发电的作用与应用前景正日益得到社会的普遍认同，开展光伏发电的应用推广研究也更具有现实意义。由于光伏并网发电特性有别于常规发电方式，需要对并网光伏发电系统的特性进行充分研究，才能使太阳能发电资源得到最大程度的利用。不同于传统电源,光伏发电系统的输出功率存在间歇性和不确定性,并采用大量的电力电子换流装置和复杂的控制策略并网，这给电能带来了新的质量问题。对光伏系统结构、运行特性及控制策略的研究显得尤为重要。本文从三个方面对光伏发电系统电能质量进行综述。
1、光伏发电系统
2、电能质量评价
3、电能质量控制
关键词：光伏发电系统；光伏逆变器；电能质量

1 引言
太阳能光伏发电具有许多传统能源无法比拟的优越性，已被公认是人类理想的能源。光伏发电的控制采用最大功率点跟踪控制策略，光伏发电的输出功率直接决定于光照强度，而光照强度在一天里随着时间和天气等因素的变化不是一个稳定值，所以光伏发电的输出功率是随着光照强度的变化而波动的。光伏发电的随机性，波动性，间歇性会引起电压波动、电压闪变以及频率波动等一系列电能质量问题。另外，由于太阳能光伏发电系统通过光伏组件将太阳能转化为直流电能，再通过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并入电网，将直流电能经逆变转换为交流电能的过程中会产生谐波，影响用户用电的电能质量，损害用户设备，造成经济损失。因此，研究光伏发电系统的电能质量情况，对推动绿色环保变电站的建设，推广太阳能光伏发电的应用，具有积极意义。
2、光伏发电研究现状
进入21世纪，国内外专家学者对光伏发电做出了大量的研究，光伏并网发电一直是光伏发电研究的热点之一。针对光伏阵列的特点，文献[1]针对光伏阵列的特点，提出了基于最大功率点跟踪(MPPT)的光伏阵列并网发电方案，采用电网电压前馈和电流跟踪技术，建立了相关的控制模型，实现了网侧电流正弦化且为单位功率因数。文献[2]提出了一种并网光伏发电系统的模块化结构。基本的发电单元包括两块并行的光伏电池板和一个专用的buck-boost(或者fly-back)PWM变流器。提出一种基于扰动观察法的新型MPPT算法来调节光伏发电单元的工作点。多个光伏发电单元并联到一个装有标准有源滤波器的直流母线上，然后再连接到电网上。并网逆变器将直流母线电压逆变成一个适合的固定值，把各个发电单元发出的功率注入到公共电网上。每个发电单元都作为一个独立的转换器工作，各个单元之间或者单元与并网逆变器之间就不需要信号连接，提高了整个光伏发电系统的灵活性。文献[3]则提出了在与电网电压矢量同步旋转的d-q坐标系下，应用同步矢量电流P-I调节器与电流前馈补偿的方法对公共节点并网电流进行闭环控制的同时又能快速稳定实现光伏阵列最大功率点跟踪(MPPT)，使系统具有良好的动态与稳态性能。文献[4]提出了一种包括新的功率变换器控制策略、最大功率点跟踪和孤岛检测方法的并网光伏发电系统。新的功率变换器配置包括新开发的DC/DC功率变换器和DC/AC功率变换器。
为了简化传统的抑制扰动和观察MPPT方法的电路，提出了一种新的用于光伏发电系统的MPPT方法，并应用在DC/DC变换器的控制上。类似于光伏发电这种采用逆变器接口的分布式电源，在控制方面通常有三种控制策略：PQ控制，V/f控制，Droop控制策略[5]。PQ控制方式一般用于并网运行状态。在该状态下，微网内负荷波动、频率和电压扰动由大电网承担，各DG可以不考虑频率调节和电压调节，直接采用电网频率和电压作为调节基础，控制逆变器按照给定参考值进行有功功率和无功功率输出 [6-7]。V/f策略主要应用于独立运行和孤岛状态下的电压和频率调节。通过设定电压和频率参考值，在PI控制器作用下实时控制逆变器输出端口电压和频率，可作为恒压、恒频电源使用 [8-9]。
Droop控制策略是将逆变器的控制方式模仿传统电力系统下垂特性，通过解藕有功功率—无功功率与电压—频率之间的关系进行系统电压和频率调节的方式。常见的是与传统同步发电机调节相似，采用有功—频率(P-f)和无功—电压(Q-V)的斜率控制方式 [10-11]。在光伏发电的电能质量研究方面，文献[12]采用功率谱密度（PSD）法对较大规模的光伏发电系统的出力特性进行分析，比较了不同地域的光伏发电系统出力的区别。文献 [13]分析了较大数量的不同拓扑结构和控制方式的并网逆变器与电网之间的相互影响。文献[14]在IEEE519标准下分析了一个分布式光伏发电系统，通过2台电能质量记录仪记录了其测量情况，进行了连接/断开测试，以及谐波仿真分析。
3、电能质量评估研究现状
国内外对电能质量综合评价的研究焦点主要是如何合理地对电能质量分级，并科学、客观地将一个多指标问题综合成单一化问题。电能质量综合评价的质量等级评定，属于定性评价 [15]。学者们在将多维问题向一维加权归并时，采用了许多种不同的方法：如模糊数学法 [16][17]，概率统计特征值法 [18]，模糊数学和概率统计与矢量代数相结合的综合评价方法[19]，层次分析法[20]，层次分析法与模糊评价结合的方法[21][22]，物元分析法[23]，人工神经网络法和遗传投影寻踪法[24]等等。电能质量综合指标定义与管理，是定量评价。其电能质量综合指标定义的共同特点是以可接受的限值水平(合同限值、标准限值、监测平均值等)为基准，先将各类电能质量监测结果归一化，再取其最大值、或超过部分的累积值等为综合指标值。
4、电能质量控制方法
光伏并网发电系统接入配电网,容易向配电网注入谐波和直流分量等电能质量问题。对于谐波和直流分量的检测技术经历了从模拟到数字的过程。较早时期的模拟带通或带阻滤波器的测量方法,其测量精度和实时性已经不能满足人们测量需求,随着数字信号处理技术、小波变换等理论的快速发展和应用,新的谐波和直流分量测量分析理论和计算方法得到了快速发展。
（1）速傅里叶变换(FFT)[25]是一种分析电力系统谐波和直流分量的经典方法,这种方法具有较高精度、功能齐全、使用简单的优点,其缺点是需要至少一个周期的电流采样,该方法需要进行变换,计算量比较大,需要一定的检测时间,实时性不够好
（2）瞬时无功功率理论。该理论由日本学者H.Akagi[26]等提出,瞬时无功功率理论为谐波分析提供了一种全新的思路。该理论提出了 P-q法和ip-iq法来实现谐波电流的测量随后,学者们又提出了广义瞬时无功功率理论和基于傅里叶瞬时功率基础的平均功率的谐波检测理论
(3)人工神经网络(ANN)[27]。该理论已被许多重要的领域应用。对于电力系统谐波领域还处在研究阶段。对于谐波分析,该理论的主要作用是提高谐波和直流分量测量的精度和实时性
(4)小波变换[29]。该理论作为一种新的数学理论,不仅是数学史上的重要成果,也对工程应用产生了深远的影响。从应用角度讲,传统傅里叶变换方法能够使用的方面都可以使用小波变换来分析小波变换也存在着一定的缺陷,由于集中度不足,分频不够严格,会存在着频谱混叠,从而造成频域的分析误差。由现有的小波函数,现有还没有研究出一个能严格分频、能量集中的小波函数,所以无法实现谐波的精确测量。瞬时无功功率理论的主要用于谐波检测,人工神经网络是谐波分析的一个新的研究方向,而在研究和工程实践幵发中,对谐波的测量技术仍以傅里叶及其改进算法为主。

5小结
从以上文献可以看出电能质量问题是影响其发展的重要因素。由于光伏发电系统本身就是个谐波源,负荷的改变和非线性负荷的接入又会增加其起停频率,从而产生大量谐波、电流失真、电压闪烁等电能质量问题,并且微电源普遍采用的逆变/整流技术和先进的控制方法带来了新的改善电能质量的途径"优化微电源控制使其实现高效优质并网,以及如何减小微电源接入对微网电能质量的不利影响甚至加以改善,这是影响其能否大规模发展的两个重要因素。在发电系统方面形成较为成熟的技术，具有很好的适用性。但是在电能质量控制方面扔有很多需要解决的问题，例如小波函数在质量控制方面更还不能完全实现谐波的精确测量。