分布式光伏并网发电系统接入配电网的电能质量问题及控制装置研制探讨

引言

随着全球能源转型的加速和“双碳”目标的推进，分布式光伏发电因其清洁、灵活、可就地消纳等优势，在配电网中的渗透率持续提高。大量分布式光伏（DPV）以“即插即用”的方式接入配电网，其出力的间歇性、随机性和电力电子接口的特性，对配电网的电能质量带来了显著影响，甚至可能引发电网安全稳定运行问题。因此，深入研究DPV并网引发的电能质量问题，并针对性研制高效、可靠的电能质量控制装置，对于保障电网安全、提升新能源消纳能力具有重要的理论和实践意义。

一、分布式光伏接入对配电网电能质量的主要影响

分布式光伏通过逆变器接入配电网，其电能质量问题主要体现在以下几个方面：

1. 电压波动与闪变：光伏出力受光照、云层等气象因素影响，具有快速波动性。这种有功功率的频繁变化会导致公共连接点（PCC）的电压波动，甚至引发照明设备闪烁的“闪变”现象，尤其在光伏渗透率较高的弱电网中更为突出。

1. 谐波污染：光伏逆变器作为非线性电力电子设备，在运行中会产生特征谐波（如5次、7次等）和高频谐波。多台逆变器同时运行时，可能因背景谐波或控制策略而产生谐波叠加或谐振，导致电网电压和电流波形畸变，增加线路损耗，影响敏感设备正常运行。

1. 电压偏差与三相不平衡：在单相或小容量三相光伏系统大量接入低压配电网时，可能因各相接入容量不均导致系统三相电流不平衡，进而引起电压不平衡。光伏日间发电可能使线路潮流反向，造成局部电压升高，超出允许范围。

1. 直流注入：逆变器可能因元件故障或控制异常向电网注入直流分量，对配电变压器、计量设备等造成不利影响，如变压器偏磁饱和、继电保护误动等。

二、面向光伏接入的电能质量控制装置关键技术与研制方向

为有效治理上述电能质量问题，需研制或优化适配的电能质量控制装置。其研制核心在于快速检测、精准补偿与协同控制。

1. 有源电力滤波器（APF）与静止无功发生器（SVG）的集成与优化：

• 技术要点：针对谐波和无功问题，研制具备谐波抑制、无功动态补偿的多功能复合装置（如APF+SVG一体化装置）。关键技术包括基于瞬时无功功率理论或同步参考坐标系的快速谐波检测算法，以及基于全控型器件（如IGBT）的高频PWM控制技术，实现毫秒级的动态响应。

• 研制方向：提高装置容量和开关频率，开发适用于低压配电网的模块化、即插即用型装置，并增强其应对光伏波动性负荷的适应能力。

1. 动态电压调节器（DVR）与电能质量综合调节器：

• 技术要点：针对电压暂降、骤升等动态电压问题，DVR可通过串联注入补偿电压来支撑负载侧电压稳定。研制需解决关键问题包括：储能单元（如超级电容、飞轮）的功率密度与响应速度，电压跌落深度与相角跳变的快速准确检测，以及最低能量补偿策略等。

• 研制方向：开发与光伏逆变器协同控制的DVR，或集成电压调节、谐波治理功能的综合电能质量调节装置（UPQC），实现对PCC点电压、电流质量的双重保障。

1. 智能并网逆变器及其高级控制功能：

• 技术要点：从源头入手，赋予光伏逆变器本身一定的电能质量调节功能，如自适应无功支撑（根据电网电压调节无功输出）、有源谐波阻尼、抑制直流注入等。这需要改进逆变器控制策略，如引入虚拟阻抗、模型预测控制等先进算法。

• 研制方向：研制支持最新并网标准（如低电压穿越、高电压穿越、频率支撑）的“电网友好型”智能逆变器，使其成为分布式电网中的主动调节单元。

1. 基于储能系统的电能质量支撑装置：

• 技术要点：配置电池储能系统（BESS），通过功率转换系统（PCS）的快速充放电，平抑光伏功率波动，缓冲电压波动，并可在必要时提供短时无功支撑。关键技术在于储能容量的优化配置与基于电能质量需求的能量管理策略。

• 研制方向：开发集成功率型储能（如超级电容）与能量型储能（如锂电池）的混合储能系统，针对电压闪变、频率偏差等不同时间尺度的电能质量问题提供分级解决方案。

三、装置研制面临的挑战与未来趋势

1. 挑战：

• 经济性与效率：增加电能质量控制功能必然提高系统成本，需在治理效果与投资回报间取得平衡。

• 标准与规范：相关装置的性能要求、测试标准及与电网的交互协议仍需进一步完善和统一。

• 协同控制：在多装置、多光伏接入的复杂配电网中，如何实现分散式装置的集群协同优化控制，避免相互影响，是技术难点。

1. 未来趋势：

• 装置多功能集成化与智能化：单一功能装置将向多功能、一体化方向发展，并集成人工智能算法，实现电能质量问题的自主识别与最优补偿。

• “源-网-荷-储”协同治理：电能质量控制不再局限于接入点，而是与分布式电源、柔性负荷、储能系统通过通信网络（如5G、物联网）进行广域协同，实现系统级的最优电能质量管理。

• 标准化与模块化设计：推动装置接口、通信协议的标准化，采用模块化设计便于扩容和维护，降低全生命周期成本。

结论

分布式光伏的高比例接入是配电网发展的必然趋势，其带来的电能质量问题是必须面对和解决的技术挑战。通过研制高性能的APF、SVG、DVR、智能逆变器及储能支撑系统等电能质量控制装置，并推动其向集成化、智能化、协同化方向发展，能够有效提升配电网对分布式光伏的接纳能力与运行韧性。需要持续加强关键技术攻关、完善标准体系、探索创新商业模式，从而构建安全、优质、高效的分布式光伏友好型智能配电网。