光伏并网发电系统中电能质量监测与优化技术探讨

0引言

随着清洁能源技术的持续进步与广泛应用，光伏并网发电系统亦逐步崭露头角。作为一种关键的电力供应方式，其受到了广泛的关注。然而，由于天气等外部条件的影响，光伏发电系统面临若干挑战。电能质量问题，诸如电压波动、谐波污染等，这些问题直接关联到电网的安全稳定运行。因此，对光伏并网发电系统进行有效监测和质量提升显得至关重要。

1光伏并网发电系统概述
1.光伏发电的原理

光伏发电技术是利用光生伏打效应来实现能量转换的。当太阳光照射至太阳能电池的表面，光子所携带的能量促使半导体材料中的电子从价带跃升至导带，从而产生电子-空穴对，如图1所示。在内建电场的作用下，这些自由电子和空穴会沿着半导体材料中的电场方向移动，进而产生电流。在太阳能电池的结构中，P型半导体与N型半导体之间形成PN结，构建了内建电场。当光生电子和空穴在电场作用下分离时，电子会向N型区域移动，而空穴则向P型区域移动，导致PN结两侧产生电势差，即光生电压。通过将多个太阳能电池串联或并联组成光伏电池阵列，并将其接入电网，可以构建起光伏发电并网系统。

图 1 光伏发电原理

1.2并网发电系统的组成及其工作原理

光伏并网发电系统将太阳能电池产生的直流电转换为交流电，并接入公共电网。系统由太阳能电池、汇流箱、电表、配电柜、逆变器、控制器、电网连接装置和监测系统组成。逆变器将直流电转换为市电标准的交流电，通过电网连接装置实现与公共电网的连接。系统可从电网获取电能或向电网输送多余电能，实现能量的双向交换。

图 2 光伏并网发电系统组成

2 电能质量监测技术

2.1电能质量指标及其定义

电能质量涉及电力系统供电时电压、电流和频率等参数的稳定性、纯度和准确性。主要指标分为三类：电压稳定性指标，包括瞬时变化、波动和闪变；电流谐波指标，评估谐波影响，涵盖谐波含量和畸变率；频率稳定性指标，通过频率漂移和偏差来衡量。

2.2光伏发电系统的电能质量监测技术

光伏发电系统的电能质量监测技术对系统稳定和电能质量至关重要，涉及数据采集、信号处理、故障诊断和结果分析等步骤。监测设备如电能质量分析仪和功率分析仪用于实时获取关键参数，如电压、电流、功率因数及谐波等。这些数据通过传感器和数据采集器传输至监测系统，然后进行信号处理以提取信息并滤除噪声。监测数据处理包括数据滤波、时域分析和频域分析，确保数据准确可靠。监测系统通过预警阈值和故障诊断算法自动识别异常并警告运维人员。故障诊断基于故障模型和规则库，结合监测数据进行判断。监测结果分析评估系统稳定性与可靠性，识别潜在问题并提出改进建议，包括统计分析、趋势分析和异常事件原因分析，为系统优化和运维提供参考。

图 3 光伏发电系统中的电能质量监测流程

3 电能质量优化技术

3.1电能质量优化的目标及其指标

电能质量优化旨在稳定电压、频率和电流波形，减少谐波，降低电压闪变和电流不对称，提高传输效率，减少损耗，确保供电可靠性，并改善功率因数，减少电磁干扰。这些措施旨在提升电网的稳定性、可靠性和经济性，满足用户对电能质量的需求。

电能质量的优化指标包括电压波形畸变率、频率偏差、电压闪变、谐波含量和功率因数等，这些指标能全面反映电力系统运行状况和电能质量水平，为系统优化提供量化评估标准。监测和分析这些指标变化趋势，可及时识别问题并采取调整措施，提升系统运行效率和供电质量。
3.2基于智能算法的电能质量优化技术

支持向量机（SVM）是一种机器学习算法，用于电能质量优化。它通过非线性分类器将数据映射到高维空间，并构建合适的超平面以分类和预测数据。SVM的数学模型是f(x)=sign(wx+b)，旨在找到一个样本点间距离的超平面，以提高分类准确性和稳健性。在电能质量优化中，SVM用于分类和诊断问题，如电压波动和谐波扰动。其优势在于处理高维数据和复杂分类问题的能力，以及在小样本和非线性数据处理中的稳健性和稳定性。

4 案例分析
4.1案例介绍

在某经济发达地区的大型工业园区，管理者发现光伏并网发电系统引入的非线性负载导致电能质量问题，如电压波动和谐波干扰。这些问题影响了敏感设备的运行和生产效率，并可能损坏设备。由于园区电网负荷重，光伏系统的波动性加剧了电能质量的不稳定。因此，园区需采取措施调节电能质量，以确保电网和设备的安全高效运行。
4.2 效果分析与监测优化

监测工业园区光伏并网发电系统电能质量，记录了电压波动、谐波、功率因数、频率偏差和生产效率下降率等数据。应用基于SVM的优化技术后，再次监测这些指标。优化结果显示，电压波动从5%～10%降至1%～3%，谐波含量从5.50%降至2.50%，功率因数从0.90增至0.95，频率偏差从±0.2Hz降至±0.1Hz，生产效率下降率从5.0%降至1.5%。这些数据表明，SVM优化方法有效提升了电能质量，增强了系统稳定性，降低了谐波，改善了功率因数和频率稳定性，并提高了生产效率。

表 1 电能质量优化效果

5安科瑞电能质量在线监测装置

5.1概述

APView500电能质量监测装置基于高性能多核平台和嵌入式系统，遵循IEC61000-4-30标准进行电能质量测量，具备谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断/闪变事件监测和不平衡度监测、事件记录及测量控制等功能。该装置满足国家标准A级要求，适用于110kV及以下供电系统的监测，广泛应用于化工、钢铁、冶金等多个行业。

5.2特点

5.2.1高性能的硬件平台

装置配备双ARM核心处理器，基于Xilinx SoC架构。ARM1运行Linux系统，处理网络协议、Web服务及电能数据管理；ARM2负责数据采集和电能质量计算。该装置每周期可采样1024点，具有高精度测量能力，能准确记录故障波形。它使用32GB eMMC存储芯片，可长期保存事件和故障数据。装置还提供友好的人机界面，包括800*480像素的彩色液晶显示屏，方便用户查看实时和故障波形，便于故障分析。

5.2.2丰富的接口资源

具备八路交流电压输入功能；

具备八路交流电流输入功能；

提供十六路可编程无源继电器输出以及二十二路有源开关量输入；

装备有两个RS485串行通讯接口，兼容Modbus-RTU协议；

设有四个以太网接口，其中三个支持Modbus-TCP、IEC61850MMS、FTP协议，另一个专用于设备升级与维护；

配备一个GPS对时接口，支持IRIG-B时间同步方式；

提供一个USB接口，便于设备维护使用。

5.2.3可靠性设计

装置具备自检功能，抗干扰性能强，通过了多项电磁兼容性检测，其电快速瞬变脉冲群、静电放电和浪涌抗干扰性能符合国家标准。

5.3功能对照表