光伏并网发电电能质量在线监测

光伏系统的工作原理
控制器 逆变器 保护电路
现在常用的逆变器联网方式
并网逆变器实现交直流转换，光伏阵列最大功率输出，输出 电压与电网同频同相，保证功率转化效率和电能质量。
各种逆变器
光伏系统并网
太阳能光伏发电系统的分类 目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类，离网光伏蓄电系统， 光伏并网发电系统及前两者混合系统。 • A）离网光伏蓄电系统。这是一种常见的太阳能应用方式。在国内 外应用已有若干年。系统比较简单，而且适应性广。只因其一系 列种类蓄电池的体积偏大和维护困难而限制了使用范围。 • B）光伏并网发电系统。当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向 市电购电。而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力 卖给市电。在背靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩 张了使用的范围和灵活性，并降低了造价。 • C）A，B两者混合系统，这是介于上述两个方之间的系统。该方 案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的 发电策略。但是其造价和运行成本较上述两种方案高。
脉冲暂 态
瞬时电 压上升 或下降
暂态
上升时间、 闪电电击线路、 峰值、持续 感性电路开关 时间
设备绝缘破坏
避雷器
暂态
幅值、持续 远动发生故障、 设备停运、敏感 不间断电源、 时间、瞬时 电机启动 负载不能正常运 动态电压恢 值/时间 行 复器
在线监测理论基础
1电能质量的测量方式
1主要包括定期巡检
2专项检测或临时抽检
该太阳能电站规划总装机容量为1GW（1000MW），在国内首创采用 非晶硅薄膜、晶体硅混合的光伏电池方阵。柴达木太阳能电站首期建设规 模30MW，首期投资金额约10亿元人民币，将于2009年内开工建设。电站 建成后，柴达木太阳能电站将成为目前中国最大的并网光伏电站。
宁夏50 MW级太阳能光伏电站并网发电
– 3 电网的调度能力。
光伏系统独立的专项监测能力
1 实现方式 光伏电站的逆变器现在只有交直流转化和充当控制器的功能 ，在不久的将来肯定会开发出具备检测电能质量参数如电压，频率 的装置模块，使光伏系统更好适应并网发电的技术要求。 逆变器集成监测系统结构以后，为了更好对监测结果的保存 和时时处理、快速反应的要求，必须有本地处理电能质量扰动的能 力，参考事先设定好的参数偏差范围进行相应反应。为了以后维护 和掌握系统的发展趋势，监控系统必须有一定的存储空间，能存储 一个月的扰动信息或故障信息，单个信息大小包括故障前10秒和 处理故障后20秒的系统参数。工作人员必须在在线监测系统基础 上对光伏电站的存储系统专项检查，验证和查找原因。 2 逆变器要检测的参数 逆变器要检测的参数主要有电压信号、频率特性信号、谐波 等。 另外，逆变器集成的控制器要保证光伏最大功率输出，而且 光伏电站不仅输给电网有功功率，还要对电网进行无功功率补偿。
3在线监测等。
2电能质量的分析和计算涉及到对各种干扰源和电力系 统的数学描述 1.时域仿真法 2.频域分析法 3.基于变换的方法。
时域仿真法
主要是利用各种时域仿真程序对电能质量中的各种暂态现象进行 研究的一种方法，也是目前电能质量分析中最为广泛应用的方法。 采用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最大 频率范围，因此必须事先知道暂态过程的频率覆盖范围。此外， 在模仿开关的开合过程时还会引起数值振荡。因此，要采用相应 技术以抑制发生数值振荡。 频域分析法 主要用于谐波问题的分析计算，包括频率扫描、谐波潮流计算等。 由于目前电力负荷中非线性负荷的大量增加，还需要考虑非线性 负荷的动态特性。这种方法的优点是可详细考虑非线性负载控制 系统的作用，因此可精确描述其动态特性。缺点是计算量大，求 解过程复杂。 基于变换的方法 变换法在嵌入式系统和DSP中使用得比较多，谐波分析使用得最多。 变换法主要是指傅立叶变换法、短时傅立叶变换法、快速傅立叶 变换法和小波变换法。对于稳态谐波等电能质量指标，通常使用 FT或者FFT，也有使用快速Hartley变换（FHT）算法、离散W变换 法等等；对于暂态谐波指标分析，一般使用改进的FFT分析、加窗 的FFT变换法、小波变换等方法。
光伏建筑一体化——英利电谷晋江
华能亚洲最大太阳能电站投产
2010年5月25日，中国最大、亚洲第一的太阳能光伏试验 示范电站项目——昆明石林166兆瓦太阳能光伏并网电站一 期20兆瓦投产仪式在石林举行。该电站将于2015年全部建 成，发电量将达1.95亿千瓦时。
柴达木盆地将建设我国最大并网太阳能电站
三相不 对称 陷波 电压闪 变 谐波暂 态
稳态
稳ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 稳态
持续时间、 幅值 波动幅值、 出现频率、 调制频率
调速驱动器 电弧炉、电机 启动
计时器计时错误、 电容器、隔 通信干扰 离电感器 伺服电机运行不 正常 设备绝缘破坏、 损坏电力电子设 备 静止无功补 偿 滤波器、隔 离变压器、 避雷器
暂态
波形、幅值、 线路、负载合 持续时间 电容器组的投 切
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（2）频率偏差（FrequencyDeviations）遵循各国自己的标准
（3）电压骤降（VoltageSags）持续时间为0.5周波~1min，幅值为0.1p.u.至0.9p.u.，系统频率仍为 标称值。 （4）电压骤升（VoltageSwells）电压（或电流）暂时性超过标称值10%者称为电压骤升。系统频率仍 为标称值，持续时间为0.5周波~1min，幅值为1.1p.u.至1.8p.u.。 （5）瞬时脉冲或突波（Transients）瞬时脉冲表示了在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的 现象或数量变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发生在任一极性的足迹振荡波第 一个尖峰。 （6）电压波动（VoltageFluctuations）电压波动是在包络线内电压的有规则变动，或是幅值通常不 超出0.9～1.1p.u.范围的一系列电压随机变化。这种电压变换往往称为闪变（flicker）。闪变这个专 用术语是来自电压波动对照明灯的视觉影响。对输配电系统产生电压闪变的最常见原因是电弧炉。 （7）电压切痕（VoltageNotches）电压切痕是一种持续时间小于0.5周波的周期性电压扰动。电压切 痕主要是由于电力电子装置在两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一相而产生的。电压切痕的 频率非常高，用常规的谐波分析设备很难测量出。这就是过去从未有过此项电压扰动内容，直到最近 才正式列入的原因。 （8）谐波（Harmonics）含有基波整数倍频率的正弦波电压和电流称为谐波，产生畸变后的波形可分 解为基波和许多谐波分量之和。谐波是由于电力系统和电力负荷中的非线性特性造成的。随着用电设 备对谐波敏感性的日益增加，高次谐波越来越受到注意并规定了限额。 （9）间谐波（Interharmnics）含有基波的非整数倍频率的电压和电流称为间谐波，小于基波频率的 分数谐波（FractionalHarmonics）也属于此类。间谐波主要来源于静止变频器、循环换流器、感应电 动机和电弧发生装置。 （10）过电压（Overvoltage）过电压是指电压幅值超过标称电压10%且持续时间大于1min。 （11）欠电压欠电压是指电压幅值小于标称电压10%-20%且持续时间大于1min。
应用问题
• 为未来大规模光伏系统接入提供理论基础 • 对分布式光伏电网拓扑和在线监测系统安装提供模型
• 利用在线监测系统实现电力科学调度的方法
这项研究在以后未来几年光伏并网发电形成规模后，
电力系统故障诊断中具有重要意义，在实际工程中具有较
大的应用意义。
论文结构
电能质量
光伏系统原 理
光伏系统 电能质量 在线监测应用
上海世博会的3MW的光伏屋顶并网工程
光伏建筑一体化——英利电谷晋江
本课题主要内容
• 提出光伏系统的电能质量的基本问题和扰动的在线监测检 测方法 • 解决光伏系统在线监测系统的组成结构和运行方式 • 解决光伏系统分布式电网扰动源的定位、控制问题和电力 调度问题
论文创新点
• 首次在电网电能质量研究中考虑大规模光伏系统接入的影 响 • 解决了未来光伏系统分布式电网的拓扑结构和在线监测的
扰动源种类
电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要分为稳态和暂态两大类。 稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、 波形下陷以及噪声等； 暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分为 脉冲暂态和振荡暂态两大类。
11种专用术语来说明电能质量的主要扰动
• （1）断电（Interruptions）在一定时间内，一相或多相完全失去电压（低于0.1p.u.）称为断电。
离网光伏蓄电系统
光伏并网发电系统原理
实际光伏并网发电系统
并网光伏建筑一体化
分布式光伏并网发电对电能质量的影响
分布式电源接入配电网后，会引入各种扰动，从而对系统的电 能质量产生影响。 其影响主要有两个方面。 （1）电压闪烁。分布式光伏系统在下列情况下可能直接或间接 引起电压闪烁: a.大型分布式光伏系统启动； b.输出突然变化或发生较大变化； c.分布式光伏系统和反馈环节的电压控制设备相互影响。 目前采用的解决方法是要求分布式光伏系统的拥有者减少分布 式光伏系统的启动次数，并将分布式光伏系统通过逆变器接入配电 网以减少分布式光伏系统输出的大幅度变化。 （2）谐波。分布式光伏系统在下列情况下可能引入谐波: a.分布式电源本身就是一个谐波源； b.分布式光伏系统经基于电力电子技术的逆变器接入配电网。 c. 分布式光伏系统经基于电力电子技术的逆变器接入配电网。
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在线监测仪
光伏系统
太阳能光伏发电系统的组成 太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏电池组，光伏系统电池控 制器，蓄电池和交直流逆变器是其主要部件。其中的核心元件 是光伏电池组和控制器。 各部件在系统中的作用是： • 光伏电池：光电转换。 • 控制器：作用于整个系统的过程控制。光伏发电系统中使用的 控制器类型很多，如2点式控制器，多路顺序控制器、智能控制 器、大功率跟踪充电控制器等，我国目前使用的大都是简单设 计的控制器，智能型控制器仅用于通信系统和较大型的光伏电 站。 • 蓄电池：蓄电池是光伏发电系统中的关键部件，用于存储从光 伏电池转换来的电力。目前我国还没有用于光伏系统的专用蓄 电池，而是使用常规的铅酸蓄电池。 • 交直流逆变器：由于它的功能是交直流转换，因此这个部件最 重要的指标是可靠性和转换效率。并网逆变器采用最大功率跟 踪技术，最大限度地把光伏电池转换的电能送入电网。
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光伏并网发电电能质量在线监测 技术研究毕业答辩
姓名：学号：学院：
我国在光伏并网分布式发电产业发展现状和实例
华能亚洲最大太阳能电站投产 柴达木盆地将建设我国最大并网太阳能电站 宁夏50MW级太阳能光伏电站并网发电 10兆瓦敦煌并网发电项目 江苏三兆瓦屋顶光伏电站并网发电
上海世博会的3MW的光伏屋顶并网工程
电能质量问题的危害
设备过热、烧毁（中性线、电机、变频器、 变压器） 电容器击穿 计算机复位、保护装置误动作或设备工作 异常 功率因数下降，无功功率增加，付出更多 的电费
电能质量问题一览
类型 谐波 扰动性 质 稳态 特征指标 谐波频谱电 压、电流波 形 不平衡因子 产生原因 非线性负载、 固态开关负载 不对称负载 后果 设备过热、继电 器保护误动、设 备绝缘破坏 设备过热、继电 保护误动、通信 干扰 解决方法 有源、无源 滤波 静止无功补 偿
中节能尚德石嘴山50兆瓦太阳能光伏电站一期10兆瓦项目在宁夏回族自 治区石嘴山市惠农区并网发电
10兆瓦敦煌并网发电项目
英利0.69元/度电价中标敦煌10MW项目
江苏3兆瓦屋顶光伏电站并网发电
2009年12月31日下午，江苏国能光伏科技一期工程3兆瓦光伏电站在江苏 省阜宁县正式上网运行。 据悉，当天并网运行的光伏电站，由江苏国能光伏科技有限公司投资3.3 亿元兴建，中环(中国)工程公司承建，总装机容量9.18兆瓦。其中一期工 程总投资1亿元，装机容量3兆瓦，于2009年10月24日开工建设。
光伏并网发电电能质量在线监测与扰动源定位
含有光伏并网的发电模式下电网在线监测系统
光伏大规模并网发电，大量的逆变器接入电网，其产生的电压 升降，波形畸变，高次谐波使得电网的电能质量日趋恶化，为 了能实时监测电网的光伏并网模式下的电能质量，必须改进在 线监测系统和它的拓扑方式。 在线监测系统必须具备的能力有： – 1 光伏系统应具有独立的专项监测能力。 – 2 并网系统的信息电能质量的反馈能力。
在线监测 理论基础
光伏系统接 入电网标准
光伏系统并网
电能质量概念 定义： 描述电力系统或供电系统性能的测量方法的 总称。由于电压、电流或频率偏差引起的，用户 设备工作异常或损坏的任何电力问题，都属于电 能质量问题。 电能质量主要参数（指标）： – 电压偏差； – 频率偏差； – 功率因数低 – 三相电压不平衡度； – 谐波（波形畸变）； – 电压波动与闪变； – 暂时过电压与瞬态过电压。