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

0引言

隨著清潔能源技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步與廣泛應(yīng)用，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)亦逐步嶄露頭角。作為一種關(guān)鍵的電力供應(yīng)方式，其受到了廣泛的關(guān)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(wèn)題，諸如電壓波動(dòng)、諧波污染等，這些問(wèn)題直接關(guān)聯(lián)到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和質(zhì)量提升顯得至關(guān)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(shù)是利用光生伏打效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的。當(dāng)太陽(yáng)光照射至太陽(yáng)能電池的表面，光子所攜帶的能量促使半導(dǎo)體材料中的電子從價(jià)帶躍升至導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，如圖1所示。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，這些自由電子和空穴會(huì)沿著半導(dǎo)體材料中的電場(chǎng)方向移動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電流。在太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)中，P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體之間形成PN結(jié)，構(gòu)建了內(nèi)建電場(chǎng)。當(dāng)光生電子和空穴在電場(chǎng)作用下分離時(shí)，電子會(huì)向N型區(qū)域移動(dòng)，而空穴則向P型區(qū)域移動(dòng)，導(dǎo)致PN結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差，即光生電壓。通過(guò)將多個(gè)太陽(yáng)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(gòu)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(yáng)能電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并接入公共電網(wǎng)。系統(tǒng)由太陽(yáng)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(cè)系統(tǒng)組成。逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為市電標(biāo)準(zhǔn)的交流電，通過(guò)電網(wǎng)連接裝置實(shí)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(shí)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(cè)技術(shù)

2.1電能質(zhì)量指標(biāo)及其定義

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

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

光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定和電能質(zhì)量至關(guān)重要，涉及數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、故障診斷和結(jié)果分析等步驟。監(jiān)測(cè)設(shè)備如電能質(zhì)量分析儀和功率分析儀用于實(shí)時(shí)獲取關(guān)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(guò)傳感器和數(shù)據(jù)采集器傳輸至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，然后進(jìn)行信號(hào)處理以提取信息并濾除噪聲。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)濾波、時(shí)域分析和頻域分析，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)預(yù)警閾值和故障診斷算法自動(dòng)識(shí)別異常并警告運(yùn)維人員。故障診斷基于故障模型和規(guī)則庫(kù)，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。監(jiān)測(cè)結(jié)果分析評(píng)估系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性，識(shí)別潛在問(wèn)題并提出改進(jìn)建議，包括統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)分析和異常事件原因分析，為系統(tǒng)優(yōu)化和運(yùn)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(cè)流程

3 電能質(zhì)量?jī)?yōu)化技術(shù)

3.1電能質(zhì)量?jī)?yōu)化的目標(biāo)及其指標(biāo)

電能質(zhì)量?jī)?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(duì)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(jì)性，滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量的需求。

電能質(zhì)量的優(yōu)化指標(biāo)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(biāo)能全面反映電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況和電能質(zhì)量水平，為系統(tǒng)優(yōu)化提供量化評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測(cè)和分析這些指標(biāo)變化趨勢(shì)，可及時(shí)識(shí)別問(wèn)題并采取調(diào)整措施，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率和供電質(zhì)量。
3.2基于智能算法的電能質(zhì)量?jī)?yōu)化技術(shù)

支持向量機(jī)（SVM）是一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，用于電能質(zhì)量?jī)?yōu)化。它通過(guò)非線性分類器將數(shù)據(jù)映射到高維空間，并構(gòu)建合適的超平面以分類和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。SVM的數(shù)學(xué)模型是f(x)=sign(wx+b)，旨在找到一個(gè)樣本點(diǎn)間距離的超平面，以提高分類準(zhǔn)確性和穩(wěn)健性。在電能質(zhì)量?jī)?yōu)化中，SVM用于分類和診斷問(wèn)題，如電壓波動(dòng)和諧波擾動(dòng)。其優(yōu)勢(shì)在于處理高維數(shù)據(jù)和復(fù)雜分類問(wèn)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(jì)發(fā)達(dá)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(fù)載導(dǎo)致電能質(zhì)量問(wèn)題，如電壓波動(dòng)和諧波干擾。這些問(wèn)題影響了敏感設(shè)備的運(yùn)行和生產(chǎn)效率，并可能損壞設(shè)備。由于園區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷重，光伏系統(tǒng)的波動(dòng)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(shè)備的安全高效運(yùn)行。
4.2?效果分析與監(jiān)測(cè)優(yōu)化

監(jiān)測(cè)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(dòng)、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(yīng)用基于SVM的優(yōu)化技術(shù)后，再次監(jiān)測(cè)這些指標(biāo)。優(yōu)化結(jié)果顯示，電壓波動(dòng)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(qiáng)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?jī)?yōu)化效果

5安科瑞電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置

5.1概述

APView500電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置基于高性能多核平臺(tái)和嵌入式系統(tǒng)，遵循IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)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(cè)和不平衡度監(jiān)測(cè)、事件記錄及測(cè)量控制等功能。該裝置滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)要求，適用于110kV及以下供電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，廣泛應(yīng)用于化工、鋼鐵、冶金等多個(gè)行業(yè)。

5.2特點(diǎn)

5.2.1高性能的硬件平臺(tái)

裝置配備雙ARM核心處理器，基于Xilinx SoC架構(gòu)。ARM1運(yùn)行Linux系統(tǒng)，處理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、Web服務(wù)及電能數(shù)據(jù)管理；ARM2負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和電能質(zhì)量計(jì)算。該裝置每周期可采樣1024點(diǎn)，具有高精度測(cè)量能力，能準(zhǔn)確記錄故障波形。它使用32GB eMMC存儲(chǔ)芯片，可長(zhǎng)期保存事件和故障數(shù)據(jù)。裝置還提供友好的人機(jī)界面，包括800*480像素的彩色液晶顯示屏，方便用戶查看實(shí)時(shí)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(wú)源繼電器輸出以及二十二路有源開(kāi)關(guān)量輸入；

裝備有兩個(gè)RS485串行通訊接口，兼容Modbus-RTU協(xié)議；

設(shè)有四個(gè)以太網(wǎng)接口，其中三個(gè)支持Modbus-TCP、IEC61850MMS、FTP協(xié)議，另一個(gè)專用于設(shè)備升級(jí)與維護(hù)；

配備一個(gè)GPS對(duì)時(shí)接口，支持IRIG-B時(shí)間同步方式；

提供一個(gè)USB接口，便于設(shè)備維護(hù)使用。

5.2.3可靠性設(shè)計(jì)

裝置具備自檢功能，抗干擾性能強(qiáng)，通過(guò)了多項(xiàng)電磁兼容性檢測(cè)，其電快速瞬變脈沖群、靜電放電和浪涌抗干擾性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

5.3功能對(duì)照表

6結(jié)論

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與優(yōu)化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本文介紹了一種智能算法電能質(zhì)量?jī)?yōu)化技術(shù)，旨在為該領(lǐng)域提供參考。隨著科技進(jìn)步和需求增長(zhǎng)，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與優(yōu)化技術(shù)將有更廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[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(cè)與優(yōu)化技術(shù)探討

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.6月版

[3]安科瑞用戶變電站綜合自動(dòng)化與運(yùn)維解決方案.2021.11月版

審核編輯 黃宇