光伏发电系统并网条件研究

【摘 要】随着太阳能等可再生能源的广泛开发利用，光伏发电将成为电力系统中重要的电源。由于光伏发电系统受气候影响具有较大的随机波动性，需要频繁的并网/离网操作，为减小模式切换对本地负载的冲击，本文从电路原理出发剖析光伏发电系统并网的暂态过程，分析并网幅值、频率、相位对本地负载和电网电能质量的影响，总结出光伏发电系统并网条件，为制定合理的并网控制策略提供有力的理论依据。

【关键词】光伏发电 并网条件 电能质量

随着太阳能等可再生能源的广泛开发利用，光伏发电将成为电力系统中重要的电源，光伏发电系统通常有两种工作模式[1，2，3，4]：（1）并网运行，在系统能源充足时可以持续向电网输送能量或在电网用电高峰时实现“削峰”和平衡电网负荷的作用；（2）独立运行，即在电网异常或调度需要时脱离电网独立运行，为本地重要负载提供持续的电力。由于光伏发电系统受气候影响具有较大的随机波动性，需要频繁的并网/离网操作，为减小模式切换对本地负载的冲击，本文从电路原理出发，剖析光伏发电系统并网的暂态过程，分析各种因素对本地负载和电网电能质量的影响规律，总结出光伏发电系统并网条件，为制定合理的并网控制策略提供有力的理论依据。

1 理想并网条件概述

光伏电池和储能系统共同维持直流母线电压稳定，逆变器将直流电能转换成交流电能来对负荷供电。一般情况下，光伏发电系统在并入公用电网前，带负荷独立运行，相当于一个电压源 ，公用电网也可以近似等效为电压源。由于两个电压源根据自带负荷特点独立运行，并网前的电压向量不但存在幅值差，也存在频率差，以及不断变化的相位差。并网控制就是在考虑上述各种影响因素的前提下，保证并网过程可靠稳定运行，减小对本地负荷的冲击。

光伏逆变系统与传统的同步发电机有所不同，光伏逆变系统等效输出阻抗小，动态响应比较快，逆变输出电压、电流变化迅速，容易出现过压和过流，对逆变系统的电力电子器件造成一定损坏，这对光伏逆变系统的并网控制提出了严格要求。

并网开关两侧光伏逆变系统和公用电网的电压向量可表示为：

其中， 为光伏逆变系统输出电压， 为公用电网电压； 为电压差。

造成并网过程电压电流突变的原因就在于公用电网电压与逆变器输出电压的不匹配，即存在电压差 。

并网的理想条件是：

（1）两电压的幅值相等， ；

（2）两电压的角频率相等， ；

（3）并网瞬间的初相位相等， 。

如果能同时满足上述三个条件，就可保证开关两侧电压向量匹配，光伏逆变系统与公用电网并网后即可同步运行，并网瞬间不发生任何扰动，这是最理想的并网状态。实际的并网过程中，不可能保证上述三个条件同时满足。下面将详细探讨各个参数对电压差的影响。

2 两个等效电压源幅值不相等对电压差的影响

假设公用电网与光伏逆变系统的电压频率相等、初相角相等，仅幅值不相等，那么电压差为

式中 ， ，令 。

当幅值差固定时，电压差 是一个频率为系统角频率的正弦波，在正弦波达到峰值时合闸将产生比较大的冲击电流 ， 为并网系统阻抗。而当相位 固定时，电压差 随幅值差 的增大，也会线性增大，并且当相位 在0～90°变化时，相位越大，电压差也越大。

由以上的分析可以得出，并网前电压幅值差要限制在一定范围内。并且当电网与光伏电源输出的电压频率相等、初相角相等，仅幅值不相等时，要尽量选择电压过零时刻并网，可以很显著地减小并网冲击。

3 两个等效电压源相位不相等对电压差的影响

不相等的初始相位可以产生相位差，运行中频率差的时间累积也可以造成相位差。相位差是并网过程中普遍存在的问题，当幅值差为零时，即 ，电压差为

其中，令 为相位差， 为频率差。

由上式可见电压差由一个高频余弦分量和一个低频正弦分量相乘所得，它的包络线体现了低频正弦分量的特点。低频正弦的相位正好是光伏逆变系统电压和电网电压的相位差的一半。当低频正弦的相位 时，电压差包络线到达零点。如果控制光伏逆变系统并网开关在电压差包络线过零的瞬间闭合，将不会有任何冲击。

如果 ，且初相位 ，则电压差恒为零，在此条件下光伏逆变系统在任何时刻并网都不会有冲击，这也是理想的并网条件。若 ，但初相角不等，则电压差只存在高频余弦分量，并且其包络线为两条平行直线，只有在高频分量的过零点并网才不会产生冲击，但过零点变化非常迅速，要求控制系统的过零检测精度要高。综上分析可以得出频率差越小，电压差的低频分量周期越长，包络线的周期也越长，并网安全稳定控制的范围也越大。

4 结语

实际运行中，并网前电压的幅值和相位都存在一定差异。参照发电机并网条件，经过大量仿真验证，得出光伏发电系统并网条件：（1）在一定的频差下，电网和逆变器的电压差呈现周期性的变化，变化快慢受频差影响，频差越大，变化越快。根据电压差大小，一般要求频差不超过0.4Hz。（2）在相位差过零点时并网可以保证逆变器平滑并入电网，为减小电压电流冲击，一般要求相位差不超过5°。（3）逆变器输出电压幅值尽量与电网电压匹配，一般不高于电网电压的10%。

参考文献：

[1]张源.我国新能源发电技术现状与发展[J].中国能源，1997（7）：1-4.

[2]赵争鸣，刘建政，孙晓瑛 等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京科学出版社，2005.

[3]刘宏，吴达成，杨志刚 等.家用太阳能光伏电源系统[M].北京：化学工业出版社，2007：5-10.

[4]王飞，余世杰等.太阳能光伏并网发电系统的研究[J].电工技术学报.2005，20（5）：72-74.