分布式光伏电站电能质量检测方式和评估方法探究

       随着分布式光伏发电的大力发展，光伏发电的应用越来越广泛，光伏电站电能质量对用户来说也越来越重要。分布式光伏发电作为一种新兴的可再生能源，在我国乃至世界范围内得到了迅速发展。分布式光伏发电具有良好的环境效益、经济效益和社会效益，是一种能够实现可持续发展的绿色能源。但是由于分布式光伏发电的特殊性，其电能质量问题需要引起足够的重视。分布式光伏发电是指将太阳能发电装置直接安装在用户附近，与用户通过电力电子设备（逆变器）相连，将电能输送至电网的一种发电方式。其具有以下特点：由太阳能直接产生电能、分布于用户附近，就近并网、并网运行时电压与电流较普通电力系统低、发电量受季节和日照影响较大。
       引言：分布式光伏电站是由太阳能电池板组成的光伏发电系统，利用光电效应将太阳辐射能直接转换为电能，因此分布式光伏电站是一种具有电力电子装置的电能转换装置，具有可再生、清洁、无污染等特点。分布式光伏电站接入电网后会产生谐波污染和三相不平衡等电能质量问题，严重时会影响电网的安全运行。
       因此对分布式光伏电站电能质量进行检测，分析电能质量问题的成因并提出解决措施，对促进分布式光伏电站健康发展具有重要意义。
一、分布式光伏电站中存在的电能质量问题
       近年来，随着光伏电站的规模不断扩大，其电能质量问题也越来越引起重视。由于分布式光伏发电具有间歇性和分散性的特点，电网与分布式光伏电站之间的电能质量问题将变得更为复杂，为了保证电能质量，提高光伏电站的经济性、可靠性和竞争力，应积极研究分布式光伏电站中存在的电能质量问题。
一、分布式光伏电站中存在的电能质量问题
       近年来，随着光伏电站的规模不断扩大，其电能质量问题也越来越引起重视。由于分布式光伏发电具有间歇性和分散性的特点，电网与分布式光伏电站之间的电能质量问题将变得更为复杂，为了保证电能质量，提高光伏电站的经济性、可靠性和竞争力，应积极研究分布式光伏电站中存在的电能质量问题。
1. 谐波污染
       光伏电站主要是由直流汇流柜、逆变器、升压变压器以及电缆等组成，由于直流汇流柜的整流特性，在并网运行时，将会产生大量的谐波电流和电压，从而对电网造成严重污染。此外，在并网运行时，由于分布式光伏电站多采用串并联结构，所以还会产生大量的并联谐波电流。
2.电压偏差
       由于分布式光伏发电系统中的非线性负载运行，会产生大量的谐波，导致分布式光伏发电系统的电压质量变差，使系统对电网的电压变化响应缓慢，造成电压波动、闪变等现象。光伏发电系统在并网运行时，会产生并网点电压偏差。此外，分布式光伏发电系统输出电压含有大量的谐波分量，导致电压波动和闪变。
3.三相不平衡
       分布式光伏发电系统大多采用光伏电池板进行发电，由于其输出功率不稳定，因此在电网中存在一定的三相不平衡。随着分布式光伏发电系统容量的增加，并网逆变器在电网中的位置会发生变化。如果逆变器安装在系统侧，则会导致其输出电流和电压不对称；如果逆变器安装在系统侧，则会导致其输出电流和电压不对称。
然而，分布式光伏发电系统与常规的电力系统不同，其控制策略也不同。通常情况下，分布式光伏发电系统采用恒功率控制方法来维持输出电压或电流的稳定。但是，如果分布式光伏发电系统运行状态发生变化，则需要采取相应的措施来维持三相电压的平衡。
4.电压波动与闪变
       电压波动与闪变是影响分布式光伏电站运行稳定性的主要电能质量问题，影响电压波动和闪变的原因有：
（1）分布式光伏电站对电网的谐波污染，会引起电网电压、电流波动和闪变。
（2）分布式光伏电站并网运行时，由于并网逆变器等非线性负荷的接入，会产生谐波污染，影响系统的电能质量。
（3）分布式光伏电站发电时，由于电网电压波动或设备故障等原因，会造成电网电压闪变。
（4）分布式光伏电站发电时，由于自身负荷波动和外部环境影响，会产生闪变。
5.过电压
       在分布式光伏电站中，系统产生过电压的可能性较大，如设备过电流、绝缘老化、雷电波入侵、系统接地故障等。过电压的主要作用是使设备过热，加速绝缘老化，甚至造成设备损坏。同时，由于分布式光伏电站系统中大量非线性负载的存在，使其产生的暂态过程更加复杂，导致故障可能会由单相接地发展到两相或三相短路。
二、分布式光伏电站电能质量检测方式
       分布式光伏电站是指在用户附近建设、安装和运行，并且直接为用户供电的光伏发电系统。由于分布式光伏电站大都建在距离用户较近的地方，所以用户对电能质量有一定的要求。分布式光伏电站在建设、并网时必须符合相关的技术规范和标准要求。但是由于分布式光伏电站采用了新能源发电技术，其发电方式、运行方式及电能质量等与常规能源不同，其电能质量检测是一个全新的课题。目前，针对分布式光伏电站的电能质量检测，国内外尚无统一标准和规范，随着分布式光伏电站的广泛建设，针对分布式光伏电站电能质量检测技术已经成为一个
需要深入研究和探讨的课题。
1.电能质量监测技术
       电能质量监测系统是一种能对电网运行状况进行实时监测、分析、评估的系统。电能质量监测系统主要由测量单元、数据采集系统和数据处理系统组成，其主要功能是实时采集电网的电压、电流、频率等信号，然后进行各种运算、分析和显示，并在用户的控制下对这些数据进行存储和管理，为电能质量的综合分析提供数据支持。
（1）电压偏差。电压偏差是指电网电压的偏离额定值，而其幅值则为额定值的20%~30%。对此可采用不同的监测方法进行检测。
第一，非侵入式：直接在电网中加装一个电压电流传感器，通过采集电能质量参数，如频率、波形、幅值等来进行电能质量分析。
第二，侵入式：用电方不接入电网，而通过电磁感应或其它感应方式来改变电网运行条件或输出电能，如变频装置、调压装置等。
（2）谐波。谐波是指含有高次谐波的电压、电流及其组合，主要包括：
第一，基波谐波：基波电压在周期为60°~120°的范围内变化时所产生的谐波称为基波。
第二，间次谐波：间次谐波是在基波电压基础上所产生的次谐波电压和电流，其频率一般为50 Hz或60 Hz，其幅值则为基波电压或电流的6~12倍。
（3）三相不平衡度。三相不平衡度是指电网三相系统中某一相的电压或电流偏离正弦值的百分比。
（4）电压波动与闪变。其衡量标准是用相对值表示的波形如正弦波，则称这种波形为正弦波。
（5）电流越限和过流：电流越限是指电力系统中某一相或几相线路或设备因故障而引起的电流超出正常值；过流是指电力系统中某一相或几相线路或设备因故障而使电流超过正常值，但不超过额定值。

2.利用功率分析仪进行检测

       功率分析仪是一种可以测量交流电压、电流、功率的电子仪器。其通过将交流电压和电流信号进行变换，得到输出电压、电流、功率等数据，从而得到电能质量的指标。功率分析仪能对用户需求的参数进行测量，也能对非电量参数进行测量，如谐波含量等。目前功率分析仪的发展趋势是向多功能化、网络化、智能化方向发展。

采用功率分析仪对分布式光伏电站的电能质量进行检测，具有以下优点：
（1）能测量分布式光伏电站中的多种电能质量参数，如：电压波动、电压偏差、频率偏差等；（2）具有谐波分析功能，能够测量电网中各种谐波的幅值和频率；
（3）可以对电力系统中的三相电压、电流进行测量和分析，并对故障进行诊断；
（4）可以实现电能质量监测与分析功能。

缺点：功率分析仪应用在分布式光伏电站中存在以下问题：

（1）成本较高；

（2）需要外置电源；

（3）使用过程中容易受到电磁干扰。

       因此，利用功率分析仪对分布式光伏电站电能质量进行检测时，需要考虑成本和电磁干扰等问题。若能结合其他电能质量检测设备，将大大提高检测精度和效率。
3.通过传感器进行检测
       利用传感器来进行检测是利用传感器对电压、电流、频率等信号进行采集，然后经过一定的处理之后，将所采集到的信息以数据表格或者是波形的形式显示出来。这种检测方法与传统检测方式相比，具有多功能化和数字化的特点。
随着分布式光伏电站建设规模的不断扩大，在电网中接入分布式光伏电站越来越多，传统电能质量检测装置已不能满足现在的需求，因此开发新型电能质量检测装置就显得尤为重要。随着人们对电能质量要求的不断提高，传统的检测装置已经无法满足用户需求。因此，需要开发出新型电能质量检测装置。
       新型电能质量检测装置主要包括有电压、电流、频率、谐波、功率等各种传感器和信号处理电路。在传统电能质量检测装置上加装这些传感器和信号处理电路，可以实现对分布式光伏电站电能质量进行实时在线监测。
三、分布式光伏电站电能质量评估方法
1.电压偏差
       分布式光伏电站接入配电网后，光伏电站与电网形成了一个共同的电压源，而光伏电站接入点的电压偏差会影响配电网的电压质量。对于分布式光伏电站，由于其输出特性，其负荷一般是非线性负荷，而与一般用户电源相比，分布式光伏电站输出的是一种无功功率，而不是有功功率。因此，分布式光伏电站接入点的电压偏差将影响配电网的电压质量。
2.频率偏差
       电力系统频率偏差是指电网频率的实际值与额定值之差。电网频率波动范围通常在+/-15~+/-30 Hz之间，对于中低压配电网，频率偏差要求不大于±1 Hz。
如果分布式光伏电站接入电网，将导致其接入的系统频率受到扰动，从而引起电压波动。因此，分布式光伏电站接入系统后，需要对其进行频率测试。具体方法如下：首先，根据光伏电站接入系统的容量及并网方式，选择合适的测试设备。
然后，选择合适的频率测试方案，使光伏电站处于合适的并网状态。最后，根据测试结果与要求分析检测数据是否满足标准要求。若检测结果不符合标准要求，则需对其进行调整或改进。
3.闪变
闪变是指在特定条件下，供电电压出现规律性地波动。根据电网运行方式，目前主要有四种闪变源：
（1）异步电动机启动时，产生的谐波电流使电网电压产生闪变。
（2）高压输电线路、变压器等电力设备在运行时会产生谐波电流，这些谐波电流在电网中流动时会造成电网电压波动。
（3）电力用户中存在非线性负荷如：电焊机、电弧炉、整流器等。
（4）在某些特定场合下，如工厂、冶金等用电设备，会因各种原因引起三相电压不平衡。当三相电压不平衡度超过标准要求时，会引起电压波动或闪变。
4.电压波动
      电力系统中，电压波动是电能质量的主要指标之一，特别是对于分布式光伏电站来说，电压波动影响更为显著。利用电压波动进行评估，主要是通过分析光伏电站运行状态下电压的变化，判断其对电网电能质量的影响。例如，在分布式光伏电站中，其接入区域内用户的用电负荷波动较大，而这些负荷一般都是动态变化的。同时，分布式光伏电站接入区域内电网中存在大量非线性负荷，这些负荷的随机性和波动性强，使得分布式光伏电站接入区域内电网电压出现较大的波动。而在电力系统中，电压波动将会造成大量的电能损耗。
因此，通过对分布式光伏电站接入区域内用户负荷电压波动情况进行分析，可以有效判断其对电网电能质量的影响。通常来说，在电力系统中发生的电压波动会对用户用电产生影响。在分布式光伏电站接入区域内，用户负荷波动情况与电网电压波动情况存在一定关联。当分布式光伏电站接入区域内用户负荷发生较大变化时，将会对电网电压产生影响。
5.谐波和无功功率
       谐波和无功功率是衡量电能质量的两个重要指标。对于分布式光伏电站而言，由于光伏发电系统的输出为非正弦曲线，所以谐波和无功功率的存在使得光伏系统输出的电能质量难以得到保证。此外，由于分布式光伏发电系统接入电网中，可能会产生较大的无功功率，因此也会对电网造成一定程度的污染。
谐波和无功功率与分布式光伏发电系统的接入位置、类型和容量等因素密切相关。在实际工程应用中，宜根据分布式光伏电站的实际情况来评估其是否满足谐波和无功功率要求。如果满足要求，则可投入运行；如果不满足要求，则应进行整改。
四、结语
       分布式光伏电站是由太阳能电池板组成的光伏发电系统，利用光电效应将太阳辐射能直接转换为电能，因此分布式光伏电站是一种具有电力电子装置的电能转换装置，具有可再生、清洁、无污染等特点。由于分布式光伏电站接入电网后会产生谐波污染和三相不平衡等电能质量问题，严重时会影响电网的安全运行，因此对分布式光伏电站电能质量进行检测，分析电能质量问题的成因并提出解决措施，对促进分布式光伏电站健康发展具有重要意义。