并網光伏發(fā)電系統對電能計量影響范文

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摘要：

研究光伏發(fā)電系統對現行電能計量裝置的影響，分析光伏發(fā)電系統逆變器的工作原理，并給出逆變器輸出的諧波成分。在此基礎上根據現行電能計量裝置工作機理，說明諧波影響電能計量的原理，論證光伏接入將對電能計量的準確性和公平性造成較大影響，最后給出了針對新情況下電能計量的改善措施。

關鍵詞：

光伏；逆變器；諧波；電能計量

光伏并網發(fā)電作為清潔能源有效利用手段，必將得到快速的發(fā)展，光伏并網發(fā)電系統的研究已經成為光伏發(fā)電領域研究的前沿。隨著光伏系統并網容量的增大，研究光伏發(fā)電系統對電能計量影響具有重要的意義。光伏陣列產生的是直流電能，需要通過逆變器把直流電能轉換成與電網同頻率、同相位的交流電才能并入電網，并網逆變器作為光伏陣列與電網的接口裝置，起著關鍵的作用。該文從介紹光伏發(fā)電系統出發(fā)，闡述了并網逆變器的類型、工作原理、拓撲結構等方面，分析了逆變器輸出的諧波成分，研究了光伏發(fā)電系統對電能計量產生的影響，并提出相應改善措施。

1并網光伏發(fā)電系統

1．1并網光伏發(fā)電系統模型三相并網光伏發(fā)電系統由光伏陣列、最大功率跟蹤（MPPT）、逆變系統及交流電路組成。其中，交流電路由濾波電路和系統電網組成。系統組成結構如圖1所示。圖1并網光伏發(fā)電系統模型

1．2光伏并網逆變器工作原理及諧波分析

1．2．1光伏并網逆變器工作原理目前光伏發(fā)電系統主流逆變系統結構如圖1所示，由前級BoostDC／DC升壓電路和后級逆變電路組成。光伏逆變系統控制的整體思路是后級控制并網電流跟蹤指令電流，并控制電容C2的電壓穩(wěn)定；前級BoostDC／DC電路通過調節(jié)全控型器件S的占空比來調節(jié)光伏陣列的輸出電壓，電路將光伏陣列的實際輸出電壓（C1的電壓）和MPPT模塊得到的給定條件下的光伏陣列最大功率點電壓Vmppt進行比較，經過比例環(huán)節(jié)后和高頻三角波進行比較，大于零則開通S，反之則關斷，即可控制光伏陣列的輸出電壓穩(wěn)定在最大功率點電壓，保證光伏陣列的最大功率輸出；最后經由逆變電路調制生成含有高次諧波的與電網同頻同相的三相正弦工頻電流，其高次諧波由后級電容電感組成的低通濾波器濾去，最終完成并網。

1．2．2光伏并網逆變器的諧波分析根據圖1所示，忽略電網電壓的諧波分量，通過求解各回路方程式可得U相并網電流n次諧波分量表達式。由式（1）可見，求解并網電流的各次諧波分量，需要先求解三相PWM波形的諧波分量，因此并網電流諧波分量首先與調制方式有關，其次在并網逆變系統中為防止逆變器上下橋臂直通，在脈寬調制（PWM）開關信號中插入死區(qū)時間，導致逆變器橋臂輸出電壓產生偏差，其積累效應足以使饋網電流波形發(fā)生畸變，產生額外的5，7等低次諧波，因此并網逆變器饋網諧波主要來源為開關管的高頻脈寬調制。

2諧波對電能計量的影響

2．1不同形式負載下的諧波電能分析電力系統中的負載根據其特性可分為線性負載和非線性負載。線性負載參數不隨電壓或電流變化而變化，而非線性負載參數則會隨電壓或電流變化而變化。非線性負載工作時產生諧波的原因可由圖2所示的具有非線性負載的等效電網模型給出簡單說明。其中，式（3）中第一項為基波電能，第二項為諧波電能，根據正交原理，該項為零，即正弦電壓源不向系統提供諧波電能。電源內阻及線路吸收的電能Wsl、線性負載吸收的電能WL及非線性負載吸收的電能WFL均可用基波與諧波的加和表示，根據能量守恒定律有。由式（4）可得非線性負載是系統的諧波來源，且非線性負載本身吸收消耗電能，這就意味著非線性負載產生的諧波能量是由基波電能中的一部分轉換而來的，并且向系統反送諧波電能。因此，如果計量全波電能，對非線性負載用戶有利，不利于供電公司和線性負載用戶。同時，諧波感抗較大，諧波功率因數較小，諧波電壓、電流相位差比較大，因此諧波電能計量困難，可能出現較大誤差［1］。

2．2電能表因諧波產生的誤差分析目前主流電能表為電子式電能表，電子式電能表能對基波電能和一定頻率范圍內的諧波電能進行計量，但因其計量時沒有完全把諧波功率考慮進去，這是現行電能計量裝置的通病，故而在含有大量諧波的電網中會產生很大的計量誤差。下面將對電子式電能表誤差產生的原因做出簡單分析。從2個方面來分析電子式電能表的計量誤差：a．當電壓和電流信號只有一個發(fā)生畸變，而另一個還是正弦波時，根據正弦函數的正交性，在這種情況下的電子式電能表的誤差變化很小，可認為不變。b．當存在諧波功率時，對于可以計量諧波功率的電能表，同樣可以按其頻率響特性來進行分析。通過分析電子式電能表內部電路可知，電子式電能表的計量誤差主要取決于其乘法器的誤差，目前比較成熟的是時分割模擬乘法器和A／D轉換數字乘法器，時分割乘法器是高準確度有功功率和電能測量裝置的核心部件，也是影響功率、電能測量裝置準確度的主要部件。時分割乘法器完成相乘的過程是用一路信號去調寬（如電壓信號），另一路信號被調寬信號所調制（如電流信號），即被調幅，時分割模擬乘法器輸出脈沖串的平均值代表兩路信號的乘積。通過實驗結合式（5）可知，頻率越高帶來的計量誤差就越大。與時分割乘法器電子式電能表相比，智能電能表采用了A／D轉換數字乘法器，可以更容易進行多功能計量工作，在基波范圍內計量誤差有所減小。而在高次諧波情況下，由于受到采樣頻率的限制，智能電能表在計量疊加多次諧波電能量時誤差可能更大，這是由其制作的原理來決定的，電能表進行采樣的方式是：A／D轉換一數字乘法器一處理器一顯示輸出，智能電能表是按照正弦50Hz在不超過國家標準的情況下工作的，按照智能電能表的檢定規(guī)程，智能電能表的電流、電壓所允許的失真正弦波是在一定的范圍內的，而高次諧波時（電流回路有很窄小但幅值很高）將導致對尖峰信號采樣不準，造成電能計量誤差。諧波次數越高越容易產生電能誤差。

3改善諧波對電能計量裝置影響的措施

根據前面的分析，并網光伏發(fā)電系統逆變器是非線性負載的一種，會給系統帶來大量諧波，而諧波會給電能計量裝置帶來計量誤差，從而給電網公司和用戶帶來一定的經濟損失。為了提高光伏發(fā)電系統并網電能計量裝置的計量準確性，就要減小并網點電壓電流的諧波含量，或者采用可以對基波電能和諧波電能分別計量的諧波電能表，量化它們對電網公司和用戶的影響程度，然后綜合考慮合適的計量方法。

3．1優(yōu)化光伏并網逆變器控制策略該文在研究基于SPWM的PI控制基礎上提出了一種多功能并網逆變器控制策略，即在與系統電網電壓同步的旋轉坐標系下，利用2個PI調節(jié)器對并網d－q軸電流分別進行解偶控制，控制系統中d軸電流調節(jié)逆變器的有功輸出，而q軸通過對負荷電流諧波、無功分量的檢測，將諧波和無功補償分量引入到并網指令電流信號中，使并網逆變器補償非線性負荷的諧波和無功電流分量，以保證流過電網的電流為基波有功分量。同時為保證光伏發(fā)電系統不參與系統調壓，設置q軸參考電流為0，可保證逆變器輸出電流與系統電網電壓同頻同相，功率因數為1。仿真試驗結果表明，上述方法能夠有效地控制逆變器輸出的諧波分量，使得逆變輸出電壓的諧波大大減小，從而降低了并網電流的失真度，輸出電能質量明顯改善，減少對并網電能計量準確性的影響［23］。

3．2研究推廣新型計量設備目前已研制出針對諧波用戶進行計量的專用諧波電能表，可對基波和諧波的電能進行分別計量，但諧波電能表的相關技術標準尚未頒布，諧波電量的收費標準也沒有形成，所以此種諧波電能表的應用還需要時間。

4結束語

隨著光伏發(fā)電所占比例的增加，其并網帶來的諧波問題對電能計量的影響也會與日俱增，對電網環(huán)境造成了嚴重污染，增加了電網企業(yè)的經營成本。研究其對電力計量設備的影響，提出應對措施，確保電能計量的準確性和公平性。

參考文獻：

［1］許儀勛．諧波對電能計量的影響與對策［D］．上海：上海交通大學，2008．

［2］韓瑩，陳維榮，李奇，等．分布式電源并網逆變器諧波抑制方法［J］．電力系統及其自動化學報，2014，26（9）：26．

［3］吳春華．光伏發(fā)電系統逆變技術研究［D］．上海：上海大學，2008．

作者：石振剛 張洋瑞 任鵬 馮波 單位：國網河北省電力公司電力科學研究院