光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中電能質(zhì)量監(jiān)測與優(yōu)化技術探討

0引言

隨著清潔能源技術的持續(xù)進步與廣泛應用，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)亦逐步嶄露頭角。作為一種關鍵的電力供應方式，其受到了廣泛的關注。然而，由于天氣等外部條件的影響，光伏發(fā)電系統(tǒng)面臨若干挑戰(zhàn)。電能質(zhì)量問題，諸如電壓波動、諧波污染等，這些問題直接關聯(lián)到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。因此，對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進行有效監(jiān)測和質(zhì)量提升顯得至關重要。

1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)概述
1.光伏發(fā)電的原理

光伏發(fā)電技術是利用光生伏打效應來實現(xiàn)能量轉換的。當太陽光照射至太陽能電池的表面，光子所攜帶的能量促使半導體材料中的電子從價帶躍升至導帶，從而產(chǎn)生電子-空穴對，如圖1所示。在內(nèi)建電場的作用下，這些自由電子和空穴會沿著半導體材料中的電場方向移動，進而產(chǎn)生電流。在太陽能電池的結構中，P型半導體與N型半導體之間形成PN結，構建了內(nèi)建電場。當光生電子和空穴在電場作用下分離時，電子會向N型區(qū)域移動，而空穴則向P型區(qū)域移動，導致PN結兩側產(chǎn)生電勢差，即光生電壓。通過將多個太陽能電池串聯(lián)或并聯(lián)組成光伏電池陣列，并將其接入電網(wǎng)，可以構建起光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。

圖 1 光伏發(fā)電原理

1.2并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成及其工作原理

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將太陽能電池產(chǎn)生的直流電轉換為交流電，并接入公共電網(wǎng)。系統(tǒng)由太陽能電池、匯流箱、電表、配電柜、逆變器、控制器、電網(wǎng)連接裝置和監(jiān)測系統(tǒng)組成。逆變器將直流電轉換為市電標準的交流電，通過電網(wǎng)連接裝置實現(xiàn)與公共電網(wǎng)的連接。系統(tǒng)可從電網(wǎng)獲取電能或向電網(wǎng)輸送多余電能，實現(xiàn)能量的雙向交換。

圖 2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成

2?電能質(zhì)量監(jiān)測技術

2.1電能質(zhì)量指標及其定義

電能質(zhì)量涉及電力系統(tǒng)供電時電壓、電流和頻率等參數(shù)的穩(wěn)定性、純度和準確性。主要指標分為三類：電壓穩(wěn)定性指標，包括瞬時變化、波動和閃變；電流諧波指標，評估諧波影響，涵蓋諧波含量和畸變率；頻率穩(wěn)定性指標，通過頻率漂移和偏差來衡量。

2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測技術

光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測技術對系統(tǒng)穩(wěn)定和電能質(zhì)量至關重要，涉及數(shù)據(jù)采集、信號處理、故障診斷和結果分析等步驟。監(jiān)測設備如電能質(zhì)量分析儀和功率分析儀用于實時獲取關鍵參數(shù)，如電壓、電流、功率因數(shù)及諧波等。這些數(shù)據(jù)通過傳感器和數(shù)據(jù)采集器傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)，然后進行信號處理以提取信息并濾除噪聲。監(jiān)測數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)濾波、時域分析和頻域分析，確保數(shù)據(jù)準確可靠。監(jiān)測系統(tǒng)通過預警閾值和故障診斷算法自動識別異常并警告運維人員。故障診斷基于故障模型和規(guī)則庫，結合監(jiān)測數(shù)據(jù)進行判斷。監(jiān)測結果分析評估系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性，識別潛在問題并提出改進建議，包括統(tǒng)計分析、趨勢分析和異常事件原因分析，為系統(tǒng)優(yōu)化和運維提供參考。

圖 3 光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量監(jiān)測流程

3 電能質(zhì)量優(yōu)化技術

3.1電能質(zhì)量優(yōu)化的目標及其指標

電能質(zhì)量優(yōu)化旨在穩(wěn)定電壓、頻率和電流波形，減少諧波，降低電壓閃變和電流不對稱，提高傳輸效率，減少損耗，確保供電可靠性，并改善功率因數(shù)，減少電磁干擾。這些措施旨在提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟性，滿足用戶對電能質(zhì)量的需求。

電能質(zhì)量的優(yōu)化指標包括電壓波形畸變率、頻率偏差、電壓閃變、諧波含量和功率因數(shù)等，這些指標能全面反映電力系統(tǒng)運行狀況和電能質(zhì)量水平，為系統(tǒng)優(yōu)化提供量化評估標準。監(jiān)測和分析這些指標變化趨勢，可及時識別問題并采取調(diào)整措施，提升系統(tǒng)運行效率和供電質(zhì)量。
3.2基于智能算法的電能質(zhì)量優(yōu)化技術

支持向量機（SVM）是一種機器學習算法，用于電能質(zhì)量優(yōu)化。它通過非線性分類器將數(shù)據(jù)映射到高維空間，并構建合適的超平面以分類和預測數(shù)據(jù)。SVM的數(shù)學模型是f(x)=sign(wx+b)，旨在找到一個樣本點間距離的超平面，以提高分類準確性和穩(wěn)健性。在電能質(zhì)量優(yōu)化中，SVM用于分類和診斷問題，如電壓波動和諧波擾動。其優(yōu)勢在于處理高維數(shù)據(jù)和復雜分類問題的能力，以及在小樣本和非線性數(shù)據(jù)處理中的穩(wěn)健性和穩(wěn)定性。

4?案例分析
4.1案例介紹

在某經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的大型工業(yè)園區(qū)，管理者發(fā)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)引入的非線性負載導致電能質(zhì)量問題，如電壓波動和諧波干擾。這些問題影響了敏感設備的運行和生產(chǎn)效率，并可能損壞設備。由于園區(qū)電網(wǎng)負荷重，光伏系統(tǒng)的波動性加劇了電能質(zhì)量的不穩(wěn)定。因此，園區(qū)需采取措施調(diào)節(jié)電能質(zhì)量，以確保電網(wǎng)和設備的安全高效運行。
4.2?效果分析與監(jiān)測優(yōu)化

監(jiān)測工業(yè)園區(qū)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量，記錄了電壓波動、諧波、功率因數(shù)、頻率偏差和生產(chǎn)效率下降率等數(shù)據(jù)。應用基于SVM的優(yōu)化技術后，再次監(jiān)測這些指標。優(yōu)化結果顯示，電壓波動從5%～10%降至1%～3%，諧波含量從5.50%降至2.50%，功率因數(shù)從0.90增至0.95，頻率偏差從±0.2Hz降至±0.1Hz，生產(chǎn)效率下降率從5.0%降至1.5%。這些數(shù)據(jù)表明，SVM優(yōu)化方法有效提升了電能質(zhì)量，增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了諧波，改善了功率因數(shù)和頻率穩(wěn)定性，并提高了生產(chǎn)效率。

表 1 電能質(zhì)量優(yōu)化效果

5安科瑞電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置

5.1概述

APView500電能質(zhì)量監(jiān)測裝置基于高性能多核平臺和嵌入式系統(tǒng)，遵循IEC61000-4-30標準進行電能質(zhì)量測量，具備諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷/閃變事件監(jiān)測和不平衡度監(jiān)測、事件記錄及測量控制等功能。該裝置滿足國家標準A級要求，適用于110kV及以下供電系統(tǒng)的監(jiān)測，廣泛應用于化工、鋼鐵、冶金等多個行業(yè)。

5.2特點

5.2.1高性能的硬件平臺

裝置配備雙ARM核心處理器，基于Xilinx SoC架構。ARM1運行Linux系統(tǒng)，處理網(wǎng)絡協(xié)議、Web服務及電能數(shù)據(jù)管理；ARM2負責數(shù)據(jù)采集和電能質(zhì)量計算。該裝置每周期可采樣1024點，具有高精度測量能力，能準確記錄故障波形。它使用32GB eMMC存儲芯片，可長期保存事件和故障數(shù)據(jù)。裝置還提供友好的人機界面，包括800*480像素的彩色液晶顯示屏，方便用戶查看實時和故障波形，便于故障分析。

5.2.2豐富的接口資源

具備八路交流電壓輸入功能；

具備八路交流電流輸入功能；

提供十六路可編程無源繼電器輸出以及二十二路有源開關量輸入；

裝備有兩個RS485串行通訊接口，兼容Modbus-RTU協(xié)議；

設有四個以太網(wǎng)接口，其中三個支持Modbus-TCP、IEC61850MMS、FTP協(xié)議，另一個專用于設備升級與維護；

配備一個GPS對時接口，支持IRIG-B時間同步方式；

提供一個USB接口，便于設備維護使用。

5.2.3可靠性設計

裝置具備自檢功能，抗干擾性能強，通過了多項電磁兼容性檢測，其電快速瞬變脈沖群、靜電放電和浪涌抗干擾性能符合國家標準。

5.3功能對照表

6結論

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，電能質(zhì)量監(jiān)測與優(yōu)化對系統(tǒng)穩(wěn)定運行至關重要。本文介紹了一種智能算法電能質(zhì)量優(yōu)化技術，旨在為該領域提供參考。隨著科技進步和需求增長，電能質(zhì)量監(jiān)測與優(yōu)化技術將有更廣闊的發(fā)展和應用前景。

參考文獻

[1]楊桃，許新華，湯磊.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中電能質(zhì)量監(jiān)測與優(yōu)化技術探討

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.6月版

[3]安科瑞用戶變電站綜合自動化與運維解決方案.2021.11月版

審核編輯 黃宇