电网质量对光伏逆变器的影响

电能质量对光伏逆变的影响测试实验

0.引言

随着不可再生能源的日益枯竭以及电力系统中大规模光伏系统的接入，光伏系统和电网之间的相互影响日趋紧密。一方面，由于光伏发电采用最大功率点跟踪策略进行控制，其输出功率与太阳辐照度和环境温度直接相关，而太阳辐照度随着时间、气象等诸多因素的变化，不是一个稳定值，因此，光伏发电的输出功率在全天中也具有较大的波动性。较大的波动性将导致光伏系统并网侧电压波动、电压闪变、频率波动等一系列电能质量的问题。其中，光伏发电系统通过电力电子装置实现功率变换及并网运行，在此过程中并网逆变器的高频特性和非线性特性会产生较多谐波和直流分量等，影响用户电能质量，损害用户设备，造成经济损失。另一方面，电网中存在的谐波和不平衡负序分量将导致光伏系统输出有功功率波动和输出电流畸变,会影响光伏并网逆变器的正常运行。

本文基于光伏发电并网系统和可编程交流电源模拟光伏并网状态，针对不同的电网电压畸变率，展开对光伏系统输出有功功率波动和输出电流畸变的测试。

1.实验室测试方法

实验室测试中，测试系统的示意图如图1所示：

太阳能光伏发电系统通过光伏组件将太阳能转变为直流电能，再通过光伏逆变器将直流电转变为交流电并入电网（可编程交流电源），与电网协同向本地阻性负载（5KW）供电。

测试流程为：

1.根据示意图正确连接电路和仪器仪表，电能质量测试点应设在光伏逆变器出口并网处。

2.通过可编程交流电源分别设置电网的电压畸变率为2%，3%(a)，3%(b)，3%(c)，3%(d)，4%。a,b,c,d表示同一电压畸变率下的不同波形。测试在不同电压畸变率下并网前后的电网输出功率以及逆变器输出电流波形，并记录在表一中。

3.通过MATLAB分析实验数据，求解出在不同电压畸变率下的逆变器输出电流的各次谐波分量及电流畸变率，并记录在表二中。

2.测试结果分析

2.1电网电压畸变对光伏系统输出有功功率的测试。

实验中，通过可编程交流电源设置不同的电网电压畸变率，从可编程交流电源面板上读出光伏并网前后的电网注入功率。则实际光伏系统向负载注入的功率为：

=P P P 光伏电网.并网前电网.并网后

实验数据记录如表一：

表一

光伏并网前后功率变化情况

电网谐波 并网前电网功率(W) 并网后电网功率(W) 光伏发电输出功率(W)

2% 4874.75 2588.84

2285.91 3%(a) 2821.16

2053.59 3%(b) 2970.80

1876.95 3%(c) 3051.38

1823.37 3%(d) 3051.11

1823.64 4% 3106.98

1767.77 2.2电网电压畸变对光伏系统输出电流畸变的测试。

将实验的示波器的数据导入到MATLAB ，预处理后用Simulink 仿真，并进行FFT 分析。具体Simulink 仿真步骤如下：

1.分别选取各组数据的单相电压，在Excel 中删去对波形信息的描述，仅保留时间与电压两列数据。

2.启动MATLAB ，拷贝各组数据文件到当前目录。

3.调用MATLAB 内置函数“csvread ”将“.csv ”文件导入到MATLAB 中，并对时间进行修正，使其从0开始。

4.将修正后的数据导入到Simulink 中，利用“powergui ”对数据进行“FFT 分析”。

分析数据组可知示波器的采样波形时间为0.05s ，共采样2500组数据，时间间隔为0.00002s ，有2.5个周期，取前2个周期进行FFT 分析。

下面以电源产生电压畸变率为0%的标准三相交流电为例，并网后的三相交流电压与电流波形及导入到MATLAB 的仿真接线如下图所示：

图2 实验示波器图形 图3 MATLAB 接线图

对并网后的逆变器电流进行FFT分析后的棒形图及列表图如下所示，利用列表显示可以直观地看到各频率谐波幅值。

图4 FFT分析后的棒形图图5 FFT分析后的列表显示图

重复上述分析过程，分别分析电源电压谐波畸变率为2%，3%（a，b，c，d），4%时，并网之后谐波畸变率及各次谐波幅值，得到的分析数据记录如下：

2% 3%(a) 3%(b) 3%(c) 3%(d) 4%

3次谐波0.55 7.03 0.37 0.35 0.46 0.48

5次谐波 3.69 0.25 5.39 5.33 5.55 7.00

7次谐波 3.74 0.44 5.76 5.46 5.22 7.20

9次谐波0.65 0.48 0.06 0.21 0.34 0.22 THD 2.86% 4.21% 3.68% 3.64% 3.64% 4.51%

2.3 结果分析

1. 由实验结果可得出：

电网中存在的谐波和不平衡负序分量将导致光伏系统输出有功功率波动，且电网电压畸变率越高，光伏系统输出有功功率越小；也会输出电流畸变,且电网电压畸变率越高，光伏系统输出电流THD越大。

2.与THD有关的因素：

电力谐波分为电压谐波和电流谐波，电压谐波与基波的比值远比电流谐波与基波的要小。影响电压谐波的主要因素为负载瞬间出现的尖峰电流，因为供电线路存在电阻值，电流流过时产生电压压降，此电阻与负载串联，导致负载电压波形有瞬间噪音波形出现，形成谐波。电流谐波则由负荷的特性产生，所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备有很多种类型，如实验所用的光伏逆变器。

3.配电网大量接入光伏系统后可能出现的问题：

受多种因素影响，光伏发电系统输出功率具有不连续和不确定的特点，其中气象条件的影响最显著。此外光伏发电系统的输出功率还具有很强的变化周期，这会对电网产生周期性冲击特别是大规模光伏电站并网后，可能导致系统电压越限，因此必须采取合理的控制和补偿措施。

光伏发电系统的接入将给常规配电网规划带来诸多影响。用户侧分布式电源的大量接入不但使负荷增长和分布情况难以预测，还会对配电网结构产生深刻影响。而分布式电源的多样化，还使电源结构的设计和协调成为需迫切解决的问题。