光伏电源并网电能质量问题及其交互影响研究

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1、学校代号 10532 学 号 S08094039 分 类 号 TM714 密 级 公开 硕士学位论文高渗透率下光伏电源并网电能质量问题及其交互影响研究学位申请人姓名 康 珍培 养 单 位 电气与信息工程学院导师姓名及职称 罗安 教授学 科 专 业 控制科学与工程研 究 方 向 分布式发电技术及应用论文提交日期 2011年 4月29日学校代号：10532学号：S08094039密级：公开湖南大学硕士学位论文高渗透率下光伏电源并网电能质量问题及其交互影响研究学位申请人姓名： 康 珍 导师姓名及职称： 罗 安 教授 培养单位： 电气与信息工程学院 专业名称： 控制科学与工程 论文提交日期： 2011

2、年 4 月29日 论文答辩日期： 2011年 5 月 16 日 答辩委员会主席： 李欣然 教授 Research on power quality and interaction in high permeability photovoltaic grid-connected system byKANG ZhenB.E. (Hunan University) 2008A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree ofMaster of EngineeringinControl Sice

3、nce and Engineeringin the Graduate Schoolof Hunan UniversitySupervisorProfessor LUO AnMay, 2011学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书湖 南 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作

4、者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要能源是人类赖以生存和发展的基础。传统的不可再生能源如煤炭、石油等日趋减少，总归会枯竭，而且传统能源的使用会带来严重的环境污染。寻找可再生清洁能源对人类的可持续发展具有重要的意义。太阳能具有资

5、源丰富、不受地域限制、对环境友好等优点，受到世界各国重视。目前，光伏发电能量的传递和转换都是建立在电力电子技术的基础上，大规模的光伏电源并网使得大量的电力电子转换器引入到电力系统中，从而大量的非线性负载也加入到了供电系统中，会对电力系统造成严重的污染，产生更为严重的电能质量问题。另外，大规模光伏发电并网产生的孤岛效应和微网环流也严重危害着电力系统的安全性和稳定性。因此，研究高渗透率下光伏发电系统的电能质量问题及其综合治理方法对保障电力系统的安全运行具有十分重要的意义。本文首先分析了高渗透率下光伏发电并网对配电网电能质量的影响，给出了一套可供评判其电能质量的指标体系，提出了一种基于雷达图法的电能

6、质量综合评估方法。以确保对高渗透率下光伏发电系统电压水平、功率水平、谐波畸变率、三相不平衡度等电能质量指标进行综合控制。本文对电能质量治理装置与光伏发电装置的交互影响进行了研究，对配置典型的电能质量治理装置如SVC、DSTATCOM的光伏发电系统进行了控制方法的研究和仿真分析。仿真结果表明，SVC和增加滤波功能的并网逆变器可同时抑制并网节点处的电压波动，补偿负载和TCR产生的谐波，提高了光伏并网电能质量，实现高品质供能；由DSTATCOM和光伏微源组成的联合控制系统可通过调度使光伏微源在供能的同时提供较大容量的无功功率，降低了电能质量装置的成本，改善了电能质量，提高了系统的稳定性。本文对抑制微

7、网环流的控制方法和多逆变器并联运行的控制策略进行了研究，提出了一种解决功率耦合问题的办法，采用基于旋转坐标的虚拟V/f控制策略，把电阻和电抗均考虑在内，能实现有功功率和无功功率的解耦。在不同光伏微源之间或光伏微源与电网之间实现并联运行控制和负载均分控制。项目组根据并网运行的条件和功能要求，自主研制了2kW的单相光伏并网逆变器。本文详细介绍了控制器的软硬件设计、人机界面的搭建、逆变器系统研制以及光伏阵列的构建。系统调试和实验结果表明，逆变器能够稳定运行，控制方法能满足并网发电的需要。关键词：高渗透率；光伏发电；电能质量；孤岛效应；微网环流；并网逆变器AbstractEnergy is the b

8、asis of human survival and development. Traditional non-renewable energy such as coal and oil is diminishing and it will be depleted someday. Moreover, serious environmental pollution will be caused by using traditional energy. Therefore,looking for renewable clean energy is important for human sust

9、ainable development. Solar energy has the advantages of abundant resources, without geographical restrictions and non-pollution, attracts more and more attention recently. Presently, photovoltaic energy transfer and conversion are based on power electronics technology. So, abundant power electronics

10、 converters will be introduced into power system by extensive PV microsources connecting to the grid, which will bring pollution to power system and cause serious power quality problem. In addition, island effect and microgrid circulation, which caused by photovoltaic connecting grid cosmically, als

11、o seriously endanger the safety and stability of the power system. Consequently, research of power quality problem and study on control strategy of PV grid-connected system with high permeability is of great significance for safety operation of the electric power system.The effect of the power quali

12、ty in distributed network caused by PV connecting to the grid with high permeability is firstly researched in this paper. An indicator system and a comprehensive assessment method base on radar chart are proposed to insure integrated control of the high permeability system power quality such as volt

13、age level, power level, harmonic distortion rate, three phase imbalance degree and so on. Then, the interaction between power quality control devices and photovoltaic generation equipment is researched. The study on control method and simulation analysis is done to the PV generation system configuri

14、ng typical power quality devices SVC and DSTATCOM separately. Simulation result shows that power quality can be improved by the collaboration system consist of photovoltaic and power quality devices. The harmonics brought by the load and TCR can be suppressed by SVC and gird connected inverter with

15、filter function, high quality power supply can be realized. Also,photovoltaic microsource can produce large capacity reactive power while provide power supply in the collaboration system with DSTATCOM, the cost of the power quality devices is reduced and the stability of the system is improved.The c

16、ontrol method of suppressing micro-grid circulation and the control strategy of multi-inverters operation in parallel connection are also studied in the thesis. A solution to solve power coupling problem is proposed. Dummy V/f control strategy considering resistance and reactance based on rotating f

17、rame is adopted, and decoupling of active and reactive power is realized. Parallel operation control and load-sharing control among different microsources or between photovoltaic and the grid also can be realized.According to the condition and function demand of PV connecting to the grid, a 2kW sing

18、le phase photovoltaic gird-connected inverter is developed by the project team independently. The detail software and hardware design of the controller, man-machine interface, development of inverter system are introduced in this paper. System modulation and experiment result indicate that the inver

19、ter can run steady and the control method can fulfill the demand of PV connecting to the gird.Key Words: High permeability; Photovoltaic; Power quality; Island effect; Microgrid circulation; Gird-connected inverter目 录学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书I摘 要IIAbstractIII第1章 绪 论11.1 课题研究的背景及意义11.2 光伏发电的现状和发展31.3 光伏发

20、电并网电能质量治理研究现状41.4 论文的主要研究内容及组织架构6第2章 光伏发电配电网系统电能质量分析和评估方法82.1 高渗透率下光伏并网发电对配电网电能质量的影响分析82.1.1 大功率光伏并网对配电网电能质量的影响82.1.2 储能环节对电网电能质量的影响分析112.1.3 并网离网模式切换带来的电能质量问题122.2 光伏并网发电系统弧岛效应122.3 高渗透率下并联微源环流机理和危害分析142.4 光伏并网系统电能质量综合评估方法162.4.1 电能质量综合评估指标体系162.4.2 基于雷达图法的电能质量评估方法182.5 本章小结19第3章 光伏发电与电能质量治理装置的交互影响

21、203.1 高渗透率下光伏并网需配备电能质量治理装置203.2 光伏发电系统与SVC的优化配置及其交互影响233.2.1 配置SVC的高品质光伏发电装置的基本结构233.2.2 SVC递推积分PI控制器243.2.3 仿真验证263.3 DSTATCOM 与光伏发电的联合控制系统273.3.1 系统拓扑结构及无功补偿原理273.3.2 联合系统的控制方法283.3.3 仿真验证303.4 本章小结31第4章 多逆变器并网控制及单相逆变器工程设计实例324.1 高渗透率下光伏微网环流控制324.1.1 抑制光伏微网环流控制策略324.1.2 传统的V/f下垂控制策略364.1.3 基于旋转坐标的

22、虚拟V/f控制策略374.2 高渗透率下光伏发电系统多逆变器并网控制394.2.1 并网逆变器的结构及其简化等值电路模型394.2.2 带前级升压电路的并网逆变器工作原理404.2.3 多逆变器并联运行控制策略404.3 单相光伏并网逆变器工程设计实例464.3.1 光伏并网设计方案及其系统构成464.3.2 光伏并网逆变器控制策略及其仿真474.3.3 光伏并网逆变器硬软件设计514.3.4 系统调试与实验结果564.4 本章小结59结论和展望60参考文献62致 谢66附录A 攻读学位期间主要研究成果67 编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第71页 共82页第

23、1章 绪 论本章概括介绍了“高渗透率下光伏电源并网电能质量问题及其交互影响”课题研究的背景及意义，光伏发电的现状及本课题的主要工作内容。1.1 课题研究的背景及意义能源是人类赖以生存和发展的基础，是世界经济的命脉。随着人类生活水平的提高和社会经济的发展，对能源的需求日益增长。目前，世界范围内的能源利用主要以传统的煤炭、石油等不可再生能源为主。本世纪初的世界能源调查报告中显示：石油还可采39.9年，天然气还可采61年，煤炭还可采227年。可见，化石能源日趋减少，总归会枯竭。此外，这些传统能源的大量使用已经给人类的生存环境带来了严重的污染，如温室效应、臭氧层破坏等。化石能源的燃烧使得有害物质排入大

24、气中，甚至使得局部地区形成酸雨，严重污染水土资源。可见，人类社会需要可持续发展，能源紧缺和环境污染成了最重要的两大制约因素。依靠科技进步，大规模的开发利用可再生清洁能源成为解决能源紧缺的必然途径。目前，全世界都在开发可再生能源如风能、太阳能、海洋能、地热能等，这些能源不仅用之不尽，而且不排放有害物质，可以用来替代传统能源，实现可持续发展。太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源，每40秒太阳传送给地球的能量相当于210亿桶石油的能量，地球每年接收的太阳辐射达到1.81018kWh，相当于当前全球能源消耗的数万倍。具有资源丰富，不受地域限制等优点，受到世界能源专家们的青睐，成为21世纪最重要的能源之

25、一。 开发利用太阳能的主要途径是光伏发电。无论从能源还是环境的角度考虑，太阳能发电最终将以替代能源的角色进入电力市场。目前以大机组，大电网，高电压为特征的单一式供能系统占全世界供能系统的90%以上。但是由于传统能源的枯竭加上人们对环境保护的日益重视。环保、高效、灵活的分布式发电方式已经被世界各国所重视。因此，电力系统将发生巨大的改革，分布式发电将成为未来电力系统的重要研究方向。分布式光伏发电可以充分开发利用各地的太阳能，将分布式光伏发电并入配电网是太阳能发电进入电力市场的必由之路1。欧美许多国家已经对分布式发电方式开展科学研究，我国近年来也对分布式发电展开了一些基础性的研究。国家中长期科学和技

26、术发展规划纲要（20062020年）中明确提出要开展“可再生能源低成本规模化开发利用”以及“间歇式电源并网及输配技术”。并且在我国“十一五”期间 “分布式能源系统微电网技术研究”获得了国家863高技术基金的资助，“分布式发电供能系统相关基础研究”获得了973国家重点基础研究发展计划项目的资助，分布式发电理论和技术将成为我国能源领域的热点研究课题。近年来，分布式光伏发电得到了全世界广泛的关注2。美国、德国、西班牙等各国政府相继推出了如电价补贴、税收抵扣等鼓励政策和政府计划，推动了光伏产业的迅速发展。2009年全球新装置的太阳能发电容量为7.2GW，其中欧盟占了5.8GW，德国全年新增的太阳能发电

27、容量有3.8GW，约占全球的1/2。我国经济正处在飞速发展时期，能源需求量在未来几十年将迅速增加，因此，发展新能源对我国经济发展十分重要。我国土地广阔，太阳能资源及其丰富，具有很好的开发潜力。2008年中国光伏安装总量是40MW，累计安装总量只有140MW，而2009年全年安装量就有160MW，2020年的光伏发电目标从原先的1.6GW提高到20GW。一系列的政策支持和长远规划表明各国政府对光伏发电的认可度非常高。分布式光伏发电并网，有助于分布式发电技术的大规模推广应用。不仅有助于提高供电品质，还有助于提高电力系统的可靠性，防止大面积停电，增强电力系统抵御自然灾害的能力，对国家有重要的安全和经

28、济意义3。然而，当分布式光伏电源接入配电网后，电力系统呈多电源的弱环网络结构4。少量的分布式发电并网对整个电网系统的影响不大。伴随着大比例或大功率分布式光伏电源的引入，电能质量问题不可避免。高渗透率下光伏并网将产生特殊电能质量问题。光伏发电能量的传递和转换都是建立在电力电子技术的基础上，大规模的光伏电源并网使得大量的电力电子转换器引入到电力系统中，随着电力电子技术的广泛应用和发展，大量的非线性负载也加入到了供电系统中，因此，大规模光伏发电的引入会对电力系统造成严重的污染，产生更为严重的电能质量问题5。现在较为常见的电能质量问题有：电压波动和闪变、三相不平衡、谐波污染、无功功率不平衡等。另外，大

29、规模光伏并网发电引起的微网环流和孤岛效应将在电网中引入新的电能质量问题，严重危害着电力系统的安全性和稳定性。针对传统电力系统电能质量问题的检测与评估，国内外一直都十分关注，许多电力系统专家和学者已经进行了广泛深入的研究，在降低电压波动和闪变、解决三相不平衡、抑制谐波方面，目前技术已相当成熟6。但由于光伏发电并网产生的电能质量问题具有特殊性，传统的电能质量治理技术都不再适用，传统的检测和分析方法也很难适应于电能质量问题的研究。虽然大规模光伏发电的引入给系统带来了很多的危害，引进大量谐波，造成系统扰动，导致系统电能质量恶化，但是分布式光伏电源也能改善电能质量7。改善电能质量的技术是建立在电力电子技

30、术，计算机控制技术的基础上的，而分布式光伏发电也正是建立在这些技术上。这样使得光伏发电系统复用自身的电力电子转换器成为可能，利用自身的电力电子设备吸收或释放有功、无功，不仅实现了电能转换，还可以担当一定的电能质量调节任务，通过相关的控制策略，可以尽快地投入使用，使得系统故障减少，减低了电能质量治理装置容量，减少了电力系统的额外投资8。因此，在分布式光伏发电大量引入配电网的条件下，揭示高渗透率下光伏电源并网系统的特殊电能质量问题机理，建立相应的评价指标和评估方法，研究电能质量的综合控制方法及相应的新设备，对实现含大比例光伏微网的配电网稳定供能，保障其在复杂工况下安全高效运行有十分重要的意义。1.

31、2 光伏发电的现状和发展全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统的燃料能源在日趋减少，全世界把目光投向了可再生能源，希望它们能改变人类的能源结构，实现可持续发展。丰富的太阳辐射能以其独有的优势成为人们重视的焦点。光伏发电作为开发利用太阳能的主要途径最受瞩目。20世纪90年代后，光伏发电发展迅速，19902005年世界光伏组件年平均增长率约为15%，2006年，世界上已经建成了10多座MW级光伏发电站。国外发达国家掀起了发展并网太阳能光伏发电系统的高潮。美国是最早制定光伏发电发展规划的国家。20世纪80年代初，美国就已经开始了并网太阳能光伏发电的努力，制定了PV-USA，即太阳能光伏发电规模应用

32、计划，主要是建立100kW以上的大型并网太阳能光伏发电系统。日本于1992年就启动了新阳光计划，2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前十大厂商有4家在日本9。1993年，德国首先开始实施由政府投资支持、被电力公司认可的1000项屋顶计划，现在实际建成的屋顶并网太阳能发电系统已经超过5000座。新的可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏发电市场和产业的发展，成为了继日本之后光伏发电发展最快的国家。意大利、芬兰、法国等，纷纷制定光伏发展计划，并投巨资大力发展光伏发电技术和加速其工业化的进程。我国的太阳能资源非常丰富，与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越很多，有

33、巨大的开发潜能。我国太阳能电池的研究始于1958年，1959年研制成功第一个有实用价值的太阳能电池，1979年开始生产单晶硅太阳能电池。我国光伏产业的发展经历了两次跳跃。20世纪80年代中、后期， 我国的改革开放正处于蓬勃发展时期，由中央政府、国家工业部委、地方政府和国家大型企业投资。国内引进了多条太阳能电池生产线和多台太阳能电池生产设备，初步形成生产能力达到4.5MW的太阳能光伏产业。20世纪90年代中、后期，由于受到国际项目、政府项目的启动和市场的拉动等国际大环境的影响，太阳能电池组件产量逐年稳步增加，光伏发电产业进入稳步发展时期，迅猛发展的势头日渐明朗。21世纪初，我国光伏发电产业迎来了

34、快速发展的新阶段。2007年底，中国太阳能光伏发电系统累计装机容量达到100MW，从事太阳能电池生产的企业达到50家，太阳能电池年产量达到1188MW。当前影响太阳能光伏发电大规模应用的主要障碍是它的制造成本太高，在众多发电技术中，太阳能光伏发电仍是成本最高的一种，因此，开发新颖的电池材料，设计新的电池结构、改进现有的制造工艺等降低制造成本的方式成为发展太阳能光伏发电技术的主要目标。近年来，光伏工业产量增加、转换效率提高、成本降低，应用领域不断扩大，呈现稳定发展的趋势，可以预料，随着太阳能电池成本的下降，技术的进一步发展和市场的拓展，太阳能光伏发电技术将进入大规模的发展时期。1.3 光伏发电并

35、网电能质量治理研究现状 随着光伏发电近年来的迅速发展，光伏发电并网所产生的电能质量问题引起了国内外专家的关注，揭示分布式光伏发电引起的单一的电能质量问题机理的研究较多。在如何经济高效的解决这些问题，实现光伏发电系统稳定运行的方面，国内外也有一定的研究。国内很多高校如天津大学、合肥工业大学、西安交通大学、华中科技大学等以及南方电网都开展了高渗透率下微网与配电网相互作用机理研究、分布式储能对微网安全稳定运行的作用机理、含微网配电系统的规划、微网及含微网配电系统的保护原理与技术、并网控制及多分布式电源协调控制、微网经济运行理论与能量管理等的研究。目前国内外关于光伏发电系统电能质量的研究主要集中在以下

36、几个方面。（1）电能质量问题机理和检测研究光伏电源与传统的电网电源不同。传统的电网电源可看作频率和电压可维持恒定的无穷大电源，而光伏微源受外界条件影响明显，输出功率不稳定，带来电压波动和闪变等电能质量问题。研究光伏发电模型，归纳出其有功功率变化特性、无功电压特性、频率响应特性、功角稳定特性、故障响应特性，这有助于解决光伏发电系统电能质量问题的根源。文献10研究了光伏阵列的输出特性，并在此基础上开展了最大功率点跟踪控制的理论和仿真研究，能最大限度的利用太阳能，并且保持系统稳定，表现出良好的动态特性。为了对光伏并网发电系统的电能质量进行有效控制，国内外专家一直很重视电能质量的检测问题，并且进行了较

37、为深入的研究。孤岛现象作为分布式光伏发电系统的特有现象，对于电力系统和人员安全有极大的危害性，也影响着系统的电能质量，孤岛检测对维持电力系统的安全稳定运行尤为重要。文献11在具有无功补偿功能的单级三相光伏并网逆变器的基础上，提出了一种将逆变器的有功和无功分开独立控制，而将最大功率跟踪与有功扰动综合控制的孤岛检测方案。（2）电能质量控制装备应用在光伏发电系统中传统的电网电能质量治理装置在光伏发电系统中依然适用，例如APF、DSTATCOM和SVC等同样可用于大规模的光伏电站中作为无功补偿和谐波治理装置。而且，光伏微源本身具有功率响应积极，有功无功分别可调等优点，可以担当一定的电能质量调节任务，与

38、电能质量治理装置联合使用，可以改善系统的电能质量。目前，针对光伏微源对不同电能质量指标的影响研究较多。伴随着光伏发电系统的渗透率提高，电能质量的控制难度也增加，传统的电能质量治理点如无功补偿结点、有源滤波器的投入结点、电能质量的检测点等都需要重新确定。传统的电能质量治理方法也需要改进。文献12利用光伏并网逆变主电路的特点,将光伏并网的发电控制与无功补偿、有源滤波相结合,在有效地进行光伏并网发电的同时,还可以对电网中的无功和谐波进行补偿或抑制,进而提高电网供电质量。（2）逆变器技术研究逆变器作为光伏发电系统的主要构件，光伏模块需要借助逆变器输出符合要求的电能，其大量使用会造成严重的谐波问题。逆变

39、器根据所采用的电力电力技术的不同而产生不同水平的谐波，在高渗透率的环境下，系统的谐波水平也会上升，可能导致电力系统设备的损毁。然而，考虑逆变器的有益作用，也可以为电能质量治理提供良好的条件。由于并网逆变器和有源滤波器具有相同的主电路结构，文献13提出在并网逆变器的控制算法中加入滤波环节，使其在供能的同时具备滤波的功能。文献14提出一种光伏并网功率调节系统，将并网指令电流与无功指令电流合成，系统跟踪合成指令电流即可实现光伏发电和无功补偿的统一控制。该系统将光伏并网发电控制与无功补偿、有源滤波控制相结合在进行光伏发电的同时有效地提高了供电质量。改变逆变器的控制策略，可以提高逆变器输出电能质量。文献

40、15介绍了一种分布式发电逆变器控制技术，在非线性负荷或者网络失真的情况下，可以使输出电压低谐波失真，从而改善谐波问题。文献16提出基于同步发电机模型的逆变器控制策略，适用于所有使用逆变器的场合，并且尤其适合微网逆变器的控制，这只是对控制方法一个替换，并不带来额外的硬件开销，这种控制策略应用于微网逆变器控制，采用频率/电压下垂特性调节有功/无功输出，仿真得出此种控制策略具备积极的功率追踪性能。文献17设计了采用电流脉宽调制调节方法的电压型逆变控制器，其核心采用含有电流电压波动前馈补偿的双环串级PI结构，有功、无功可以分开独立调节。仿真表明，该控制系统响应速度快、设计灵活，可以提高系统电能质量。文

41、献18提出了一种逆变电源无线并联控制方案，有效的实现了逆变电源的并联同步运行，该控制技术通过检测逆变电源本身的输出功率来对输出电压幅值和频率进行下垂控制，均分负载电流的效果很好，逆变电源之间的环流很小。（5）运行模式对电能质量问题的影响研究光伏并网发电系统存在两种运行模式：正常情况下，光伏模块并联接入配电网运行，称为联网模式；当配电网故障或者电能质量不满足要求时，光伏模块断开独立运行，称为孤岛模式。联网模式下，光伏模块服从配电网的调度，输送电能。孤岛运行时，光伏模块单独运行供电。储能装置及必要的用户电力装置是维持微网无功和电压平衡、实现模式平滑切换、降低并退冲击的重要措施。1.4 论文的主要研

42、究内容及组织架构本文对含大比例光伏并网发电的配电网电能质量问题及其交互影响进行了研究。揭示了高渗透率下光伏并网发电系统特殊电能质量问题，提出一种电能质量评估方法，深入研究了光伏发电与电能质量治理装置的交互影响以及多逆变器并网控制方法，关注系统整体电能质量，以保障高渗透率光伏分布式发电供能系统运行的安全性、经济性和可靠性。第2章，本章分析了高渗透率下光伏发电并网对配电网电能质量的影响。伴随着分布式光伏电源接入，各种扰动同时引入配电网，从而对系统的电能质量产生严重影响，主要会造成供电电压不稳定、谐波污染、三相电压不平衡以及无功功率不平衡等方面的问题。给出了一种可供评判大规模光伏发电系统电能质量的指

43、标体系。该指标体系包含了电压偏差指标、频率偏差指标、三相不平衡指标、谐波畸变指标、电压波动指标和电压闪变指标六大稳态指标。在指标体系的基础上，本文提出了一种基于雷达图法的电能质量综合评估方法。第3章，本章首先对电能质量治理装置与光伏发电装置的交互影响进行了研究。然后对配置典型的电能治理装置如SVC，DSTATCOM的光伏发电系统进行了控制方法的研究和仿真分析。SVC和增加滤波功能的并网逆变器设计可同时抑制并网节点处的电压波动和补偿负载和TCR产生的谐波，提高了光伏并网电能质量，实现高品质供能。由DSTATCOM和光伏微源组成的联合控制系统可通过调度使光伏微源在供能的同时提供较大容量的无功功率，

44、降低了电能质量装置的成本，改善了电能质量，提高了系统的稳定性。第4章，本章研究了抑制微网环流的控制方法和多逆变器并联运行的控制策略，使光伏发电系统中各模块输出电压的幅值、相位尽量一致。提出了一种解决功率耦合问题的办法，采用基于旋转坐标的虚拟V/f控制策略，把电阻和电抗均考虑在内，能实现有功功率和无功功率的解耦。在不同光伏微源之间或光伏微源与电网之间实现并联运行控制和负载均分控制。项目组根据并网运行的条件和功能要求，自主研制了2kW的单相光伏并网逆变器。本章详细介绍了逆变器的软硬件设计，系统调试和实验结果。逆变器的实际稳定运行表明逆变器设计合理。总结和展望，介绍了本论文研究的特点和创新之处，对本

45、文进行了总结和展望，指出进一步研究工作的重点和方向。 第2章 光伏发电配电网系统电能质量分析和评估方法2.1 高渗透率下光伏并网发电对配电网电能质量的影响分析当多个分布式光伏电源接入电力系统后，电力系统将由单电源放射型网络结构转换成了多光伏微源的弱环网络结构。一般而言，在电网中引入少量的分布式光伏电源对整个电网不会构成太大的影响。但是,当电网中存在着较多的光伏电源或存在着大容量光伏电源时，此时这些光伏电源将会对系统特性19,例如：电压形态、短路电流、有功及无功潮流等，有较大的影响，其影响程度和光伏电源与系统连接的具体位置、光伏电源容量大小以及网络拓扑结构有着密切关系。伴随着大比例分布式光伏电源

46、接入，各种扰动也同时引入配电网，从而对系统的电能质量产生严重影响，主要会造成供电电压不稳定、谐波污染、三相电压不平衡以及无功功率不平衡等方面的问题20。2.1.1 大功率光伏并网对配电网电能质量的影响（1）对电网电压的影响 太阳能发电受外界环境如日光照射的影响较大，具有间歇性，发电量也有波动。如果配电网系统中含有大比例的光伏发电时，会使得线路上的负荷潮流发生波动且变化较大。而电网中很少具有动态无功调节设备，仅靠投切电容电抗器进行电压调节。从而，电网电压的调整难度加大，调节不好会导致电压偏差、电压波动和闪变等问题的发生21。光伏发电系统的容量大小和安装位置决定了对供电系统电压的影响程度。分布式光

47、伏电源的不稳定性对并网接入点的影响是最大的，因此，以此点来评估电压变化，图2.1为并网接入点的戴维南等效电路。图2.1 含分布式光伏电源的系统在其接入点上的戴维南等效电路当光伏电源注入系统的功率发生改变时，线路上的电流变化值。当发电量波动时，接入点的电压变化值为。由图估算如下： （2.1）在上式中，并网接入点短路容量为，光伏电源注入的功率变化为，光伏微源功率因数角，电网等效阻抗为， 接入点电压U，从接入点看入的电网阻抗角为。一般情况下，线路两端的相位移不大，近似于其水平分量，其垂直分量可忽略，由此可得电压的相对变化率为： （2.2）从上式可以看出，电压相对变化率取决于，即为对系统供电电压造成冲

48、击的三个要素。以来表示光伏电源并网接入点的短路比。 （2.3）由式（2.2）可得， （2.4）考虑单个光伏电源的情况，当分布式光伏电源未全容量运行时，电压变化率最大。分布式光伏电源本身具有不稳定性，会对电网内的其他用户的供电电压造成冲击。但是随着供电电网中分布式光伏电源的渗透率增加，提高了系统的整体短路容量。系统的短路容量是电网电压强度的标志，短路容量越大，系统电压强度也越强。配电网内部冲击性负荷投切、外部故障等使得电压闪变、跌落，对配电网电压造成较大冲击的情况，其程度与普通配电网相比，将会得到抑制削弱。由此可知，系统短路容量的变化可以用来表征电压强度的变化。选择光伏电源并网接入点作为评估点，

49、以表示负荷无功增量，电压波动可表示为： （2.5）同样，当光伏电源并网后，配电网出现扰动时，以表示并网后接入点的短路容量，则并网后接入点的电压波动可表示为 （2.6）（2）对电网谐波的影响 光伏发电系统直流电逆变成交流电并网时，会产生谐波，造成谐波污染22。当配电网内光伏电源规模不大时，设计良好的逆变器将直流电转换成交流电，产生的谐波污染一般在可控范围内。但是，随着光伏发电在配电网系统的渗透率增加，多个谐波源叠加造成的谐波含量会严重影响电能质量，不仅如此，多个谐振源还有可能在系统内激发高次谐波的功率谐振。高渗透率下光伏电源的接入位置不同和出力的大小对电网的谐波会有不利的影响。将光伏电源等效为一

50、个内阻无穷大的谐波电流源进行分析，考虑电源出力变化的影响时，在接入位置不变的情况下，馈线上的电压谐波总畸变率VTHD由分布式光伏电源的总出力决定，总出力占总负荷的比例越高，则同一馈线沿线各负荷节点VTHD越大。考虑光伏电源接入位置变化的影响时，在出力不变的情况下，接入位置越接近线路末端，馈线沿线各负荷节点的电压畸变越严重；反之，接入点越接近系统母线，对系统的谐波分布影响越小。因此，从减小谐波畸变率的角度来看，分布式光伏电源并不适宜在馈线末端接入系统，可以选择线路接近系统母线处或馈线中间位置。目前并网型逆变器配置有高性能滤波电路，使得逆变器交流输出的电能质量较高，对电网质量不会造成大的污染。在输

51、出功率50%额定功率，电网波动5%情况下，如SG100K3型逆变器的交流输出电流总谐波分量（THD）3%。另外，由于变电所使用的变压器是Y接线，400V产生的谐波大部分不会传至10kV，减少了对电网的污染。但若叠加背景谐波后，并网点的谐波分量有可能接近或超过相关规定。因此在光伏电站并网时，需对其进行实际检测，并根据实际接入容量比例分摊谐波限值。如果经检测无法满足国家标准，需要采取加装滤波装置等相应措施。（3）对电网电压三相不平衡的影响分布式光伏电源具有极强间歇性，使得光伏电源对各相的出力不均匀。分布式光伏电源并网所造成的电压不平衡度主要由两个方面的因素构成：一方面是由于三相并网逆变器自身输出的

52、不平衡造成的，另一方面是由于大量单相分布式光伏电源并网造成的。由此可见，逆变器自身的输出不平衡和大比例的单相光伏电源对各相出力不均匀导致了电网的三相不平衡。不对称的负荷经分解成为正序、负序和零序三组分量，由于负序分量的存在，对系统电气设备将产生不良影响，诸如电力变压器效率降低，继电器保护装置误动作等。因此，在光伏电源并网系统中应添加锁相环节，保证系统电流与电压同步。发展三相逆变器技术，降低对电网三相不平衡度的影响。也可以有效投切单相光伏电源，保证其对三相出力保持平衡。目前，对于三相不平衡的治理，更多的是使用静止无功补偿器（SVC）的补偿方法，与以往使用变压器、投切固定电容器及电抗器的方法相比，

53、具有调节范围宽、动态性能好、可靠性高、阻抗连续可调等优点，特别适合于可变的不平衡负载。（4）对无功平衡的影响太阳能光伏发电站电力功率因素大部分在0.98以上，有部分小型分布式光伏电源功率因数是 0.95以上，基本上为有功输出。为满足无功补偿按分层分区和就地平衡的原则，太阳能光伏电站应配置适当的无功补偿装置，以满足电网对无功的要求，提高电源质量，降低网损。（5）光伏并网注入的直流分量对电网的影响光伏并网发电系统是由直流电经逆变之后转换为交流电并入电网的，尤其是当无隔离变压器而与电网直接相连时，会向电网注入直流分量。注入的直流电流分量会对电网中的变压器等许多电气设备造成致命的伤害。2.1.2 储能

54、环节对电网电能质量的影响分析由于光伏直流输出的波动，无论其是直接带直流负载，或者是经逆变系统逆变后带交流负载，其供电都是不稳定的。必须存在一个缓冲的储能单元，在光伏输出不足时候，补偿其功率缺额；而光伏出力大于负荷需求时，又可以尽可能的储存这部分超额的能量，提高光伏发电的效率。图2.2 光伏电池的I-V特性 （2.7） （2.8） （2.9） （2.10） （2.11）图2.2及对应方程描述的是光伏电池的I-V特性，可以看出，光伏电池短路电流与光照强度成正比，同时也受到温度变化的影响；二极管饱和电流主要受温度的影响，与温度成非线性关系；光伏电池输出电流与输出电压之间呈非线性关系，同时与光照强度、

55、温度有很大关系。由于光照强度、温度等因素具有极强的不稳定性，光伏发电的输出电流和电压也具有间歇性与不稳定性。会对系统电能质量产生影响，在高渗透率的光伏发电系统中，对电能质量的影响尤其严重。在光伏发电系统中添加储能装置，无论是以光伏发电组成的微网独立运行，或者是并网运行，储能环节是支持光伏发电系统稳定运行的重要组成部分，起到平抑系统扰动、维持发电及负荷动态平衡、保持电压及频率稳定的重要作用，从而，提高了系统的电能质量。2.1.3 并网离网模式切换带来的电能质量问题 逆变器在并网工作时采用电流型控制模式，控制进网电流的大小；而在独立工作时则是电压型控制模式，控制输出电压的大小。为了给敏感和重要的负

56、载提供不间断的交流电，需要在这两者之间进行切换。当电网发生故障时，并网开关关断，电压基准切换为DSP发出的正弦波，控制方式由电流控制切换到电压控制。逆变器从并网模式向独立模式切换。从独立模式向并网模式切换时，首先检测电网电压的幅值和频率是否正常，在正常的情况下，调节逆变器输出电压的直流分量，并且调节逆变器输出电压幅值、频率、相位与电网一致，再对电网电压进行采样作为电压基准。逆变器的控制模式从电压型切换成电流型。同时，合上并网开关，增大输出电流基准幅值，同时使其与电网电压同频同相。由上述分析可知，并网时要使得输出基准不断跟踪电网电压的频率和相位，需要使用锁相环。而锁相技术不可避免的存在延迟。因此

57、，在光伏并网离网模式切换的过程中，不同步或者能量缺额会造成较大的电压波动，出现较大的电压电流冲击，这对逆变器和系统电能质量都是不利的。2.2 光伏并网发电系统弧岛效应孤岛效应是光伏并网发电系统特有的现象，就是当电网由于某种原因中断供电时，光伏发电系统形成一个自给供电、不受电力公司控制的孤岛，持续给负载供电的电气现象。孤岛状态下的光伏发电系统具有很大的危害性，会产生严重的后果23。当光伏发电系统处于孤岛状态时，孤岛中的电压和频率不受控制，若电压和频率超出允许的范围，可能会对用电设备造成损害；孤岛中的线路仍然带电，会威胁输电线路维修人员的生命安全，电网的安全性降低；当电网恢复正常时有可能造成非同相

58、合闸，导致线路再次跳闸，对光伏并网逆变器和其他用电设备造成损坏；孤岛效应时，若负载容量与光伏并网器容量不匹配，会造成对逆变器的损坏24。从用电安全与电能质量考虑，孤岛效应是不允许出现的。随着光伏发电在配电网系统的渗透率增加，当有许多光伏并网系统同时向公共电网供电时，发生孤岛效应的机率也随之增加，由于孤岛效应的危害性，一旦发生，必须准确、快速地断开并网逆变器，因此，解决孤岛问题尤为重要，要做到快速对孤岛效应作出发应，对其检测控制的要求相应地提高25。电网断电的检测是解决孤岛问题的关键，其时间越短越好。从检测到孤岛现象到光伏发电系统与电网断开的最长时间限制的国际标准如表2.1所示。表2.1 逆变器

59、与电网断开的最大时间限制表 状态断电后电压幅值断电后电压频率允许的最大检测时间A0.5Vnomfnom6 cyclesB0.5VnomV0.88Vnomfnom2 secondsC0.88VnomV1.10Vnomfnom2 secondsD1.10VnomV1.37Vnomfnom2 secondsE1.37VnomVfnom2 cyclesFVnomf fnom+0.5Hz6 cyclesfnom指电网电压频率的标准值，对于我国的市电，其值为50Hz；Vnom指电网电压幅值的标准值，对于我国的单相市电，其值为交流220V (有效值)。主动式检测和被动式检测为目前检测孤岛效应的两种方法。主动

60、式检测方法相对复杂，而且对光伏并网发电系统的输出电能质量有影响，不利于工程实现；被动式检测方法对电能质量无影响、原理简单、容易实现，但由于当逆变器和负载的输出功率匹配时，会有较大的检测盲区，因此采取被动式检测方法与主动式检测方法相结合来检测孤岛效应，效果最好。并网逆变器一般都具备了负载过压和欠压保护功能。当光伏发电与配电网脱离时，在并网逆变器输出恒定交流电流的作用下，负载上的电压会高于或低于正常值，异常电压值一旦被并网逆变器检测到，就会马上进行保护，从而使并网逆变器在大多数情况具备了较好的防止孤岛效应功能。孤岛效应会产生比较严重的后果，在大比例光伏电源接入配电网的情况下，快速检测和防止孤岛效应

61、对提高电力系统电能质量有十分重要的意义。2.3 高渗透率下并联微源环流机理和危害分析光伏分布式发电系统并联运行时存在环流现象，环流成为多微源并联运行的一大障碍。高渗透率下光伏发电系统所有并联运行的光伏微源必须同步运行，否则，各逆变光伏微源之间将存在很大的环流，过大的环流会使逆变器的负担加重，发散的环流将使系统崩溃，导致供电中断，降低多微源光伏微网系统可靠性。环流不通过负载在两光伏微源中流通，由环流形成的有功、无功在逆变器之间的流通使得各逆变器互为电源或负载。有功环流会降低微网中微源的实际带载能力，无功环流会增大电源功率器件级输出滤波器的电应力，较大时会使得微源无法正常工作。典型光伏微网由光伏分布式电源、储能装置和负载组成，这三样装置都并联在微网交流母线上，其中分布式光伏电源经连接电抗器并联至微网。由于储能装置是在微网出现功率缺失的情况下才输出能量，为便于分析其环流特性，这里假设此时光伏微网处于孤岛运行状态，与配电网断开连接，并且能够满足内部负荷要求。图2.3 微网单相等效电路图光伏微网单相等效电路如图2.3所示，为交流母线电压，也就是微网系统电压；为微源1的输出电压，为微源2的输出电压；为微源1的连接电抗