光伏发电系统并网的谐波治理

光伏发电系统并网的谐波治理

叶强

宁夏回族自治区电力设计院有限公司 宁夏 银川 750002

摘要：近年来，我国电力事业发展已经相当成熟，光伏发电应景在电力行业中占据了重要地位。由于光伏发电系统的自身特性，会不可避免地产生谐波电流，注入公用电网，造成电网电能质量下降，可能导致电网内设备故障，影响电力正常输送。基于此，分析、讨论谐波的危害及治理办法。

关键词：光伏发电系统；谐波治理

1光伏发电系统概述

光伏发电是利用半导体材料的光生伏特效应原理直接将太阳辐射能转换为电能的技术。所谓光生伏特效应，简言之，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。在各种新能源利用中，光伏发电是非常普遍和极其重要的一种发电方式。这是因为光伏发电除了像其他发电一样能够节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性以外，还具有以下独特的优点。（1）资源充足，可再生。（2）资源分布广泛，很多地区常年有充足的太阳能资源。（3）清洁环保，噪声污染也很小。（4）不容易损坏，运行维护简单，运行费用低，使用寿命长。（5）在建筑多土地资源不足的地方，可以有效利用建筑物屋顶和幕墙，无需占用土地资源。而且各种彩色光伏组件可取代和节约玻璃幕墙等外饰材料。所以，尽管光伏发电有着能量分散、间歇性大、地域性强、转换效率低和成本高等缺点，但是世界各国仍然踊跃制定相关政策鼓励光伏产业的发展。光伏发电有离网和并网两种运行方式。所谓离网运行是指负荷由光伏发电系统单独供电的运行方式。并网运行是指光伏发电系统接入配电网，与原有公用电网一起向负荷供电的运行方式。过去，由于太阳能电池的生产成本居高不下，光伏发电大多只工作在离网运行方式，用于为居住分散、使用化石燃料成本高、送电难度大的地区提供一种经济的发电方式。离网型光伏发电系统常与其他发电系统组成混合供电系统，如风-光混合系统、风-光-油混合系统等。近年来，并网光伏系统的年安装容量已占到世界太阳能电池年产量的70%以上。而且，与离网光伏系统相比可以省掉蓄电池，使建设投资减少25%—30%，从而使发电成本大为降低。同时还可以提高系统的平均无故障时间及避免蓄电池的二次污染。因此，并网光伏系统是光伏发电进入大规模商业化应用的必由之路。

2储能技术在光伏并网发电系统中的应用

储能装置是光伏并网发电系统中的重要组成部分。通常包括蓄电池、超级电容器。其中，蓄电池成本低廉，但是循环倍率有限制，功率密度较低，因此，无法很好地兼顾蓄电池充放电过程以及电池最大功率跟踪。考虑到光伏电站的实际发电规律，采用蓄电池往往充放电循环次数多造成容量迅速失效，使蓄电池寿命缩减。超级电容器是另一种储能类型。相比蓄电池，超级电容器的循环寿命更长，对充放电次数没有很多限制，功率密度高，可以实现瞬时功率吸纳放出。唯一的不足是不能长时间为负荷提供电能。在当前的光伏并网系统中，通常采用上述两种储能类型，实现优势互补，构建高性能的储能系统，蓄电池作为长期储能装置，超级电容器作为短期储能装置，既可以实现能量长时间储备的目的，而且可以瞬时调节系统的功率，采取合理的能量管理策略。

3光伏发电的国内发展现状

我国对光伏发电技术的研究始于20世纪70年代，在最初发展阶段进行规模较大的投资和光伏发电技术研究，让我国光伏发电行业逐渐壮大。光伏发电很大程度地推动了中国能源转型，当前我国并网光伏装机的容量已经远远超过了1.4亿kW。我国不断运用和宣传光伏发电技术的主要原因就是我国拥有丰富的光能源，还有一部分原因是光伏发电技术可以充分满足我国大量人口的用电需求。对安全、绿色能源展开探究，一定要从光伏发电技术着手，对其展开深入研究有着重要的意义。1985年，我国研发并网型光伏发电技术时，就将美国研发的单硅太阳能和非晶体硅电池运用到了当时的研究项目中，开始对光伏发电进行更加深入的探究。通过开展金太阳工程，促进了针对光伏发电技术的研究。通过大数据分析可知，我国从1997年开始就建设了很多不同类型的光伏发电站；1998年时，在西藏建设了一个光伏发电的站点，这个光伏发电站同时也是我国海拔最高的发电站。在我国宁夏太阳山的光伏发电站，应用的是阳光电源的并网逆变器，也是我国规模很大的并网。直到2020年，我国光伏发电站的发电量达到180万kW，但是我国还有很多地区的电能比较缺乏。随着我国社会的发展与进步，光伏发电会有更好的发展趋势。

4谐波治理的措施

通过分析光伏发电系统的接入对电网造成谐波影响的原因可知，光伏发电会对电网稳定性、安全性带来负面影响，这就需要我们采取相应措施来抑制光伏发电系统引起的谐波，提高输出的电能质量。对于具体工程项目来说，要有效地进行谐波治理，通常有两种方式：改善谐波源，使其尽可能少发出谐波；通过补偿的方式，减少谐波电流、电压。一是改善谐波源。前面分析到，逆变器是光伏项目最重大的谐波源。根据逆变器运行的工作原理，其产生的谐波是无法完全消除的。现在市场上各型逆变器电能质量指标虽然都符合国家标准，但是还存在很多差异，甚至同品牌不同时期产品，厂家经过内部算法优化，逆变器产生的谐波量也在不断降低。目前，国内外厂家、科研院所一直在不断努力，对逆变器的控制应用新的技术、新的设计，希望能够更有效地减少谐波发生。因此选用优质的逆变器，可以从源头上减少谐波电流、电压的发生量。二是谐波补偿。配置谐波补偿装置。工程上常用的补偿装置一般为无源滤波（FC）和有源滤波（SVG）。无源滤波器FC装置通过电容、电抗组成一定的谐振频率进行某次谐波的滤除，造价低廉，结构简单。但存在滤除谐波相对单一，当系统参数发生变化，有可能引起谐振或放大谐波电流；无功补偿时，由于是整组投切，运行不够灵活，容易出现过补和欠补现象，且相应时间长。静止无功发生器SVG是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。目前广泛应用于无功补偿、谐波治理、提高系统稳定性等方面。SVG有源滤波通过检测补偿对象电流中的谐波电流分量，产生实际的补偿电流，该补偿电流与谐波电流方向相反、大小相等，如此补偿电流与负载电流中的谐波成分互相抵消，从而达到消除谐波的目的。SVG本身不会产生谐波，且对系统参数不敏感，不发生谐波放大的情况，但是SVG在应对13次以上的高次谐波治理时效果不佳。因此，选用合理的谐波治理方案，可以在系统侧减少谐波量。

5光伏发电并网技术发展方向与展望

（1）提高太阳能资源的利用率。根据客户用电需求，尽力扩大太阳能光伏发电并网的覆盖范围，努力提高太阳能光伏组件的能量转换率。（2）提高供电稳定性，避免谐波干扰以及动态干扰。使用逆变器进行能源类型的转换（太阳能转化为电能）时会生成大量谐波，并会大幅度提升并网系统的电压畸变率，发电稳定性以及供电安全也会受到极大的影响。（3）提高电网适应能力，完善高电压穿越功能以及低电压穿越功能等。（4）融入互联网技术，增强基于网络云平台的计算、存储功能，实现数字化以及智能化。（5）丰富组件级产品（比如微型逆变器等）。丰富的组件级产品有利于提高市场竞争力。

结语

随着碳中和的国家目标的确立，未来大量光伏等新能源发电接入电网后引起的电网电能质量问题越来越突出，本着谁产生谁治理的原则，要在项目科研、初步设计时，就应综合考虑项目中谐波的治理方案，将危害降至最低。

参考文献

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[2]贺金山，李雪.太阳能光伏发电并网技术的应用分析［J］.科技风，2020(5)：18.