0引言

隨著清潔能源技術的持續進步與廣泛應用，光伏并網發電系統亦逐步嶄露頭角。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，光伏發電系統面臨若干挑戰。電能質量問題，諸如電壓波動、諧波污染等，這些問題直接關聯到電網的安全穩定運行。因此，對光伏并網發電系統進行有效監測和質量提升顯得至關重要。

1光伏并網發電系統概述
1.光伏發電的原理

光伏發電技術是利用光生伏打效應來實現能量轉換的。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，從而產生電子-空穴對，如圖1所示。在內建電場的作用下，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型區域移動，而空穴則向P型區域移動，導致PN結兩側產生電勢差，即光生電壓。通過將多個太陽能電池串聯或并聯組成光伏電池陣列，并將其接入電網，可以構建起光伏發電并網系統。

圖 1 光伏發電原理

1.2并網發電系統的組成及其工作原理

光伏并網發電系統將太陽能電池產生的直流電轉換為交流電，并接入公共電網。系統由太陽能電池、匯流箱、電表、配電柜、逆變器、控制器、電網連接裝置和監測系統組成。逆變器將直流電轉換為市電標準的交流電，通過電網連接裝置實現與公共電網的連接。系統可從電網獲取電能或向電網輸送多余電能，實現能量的雙向交換。

圖 2 光伏并網發電系統組成

2 電能質量監測技術

2.1電能質量指標及其定義

電能質量涉及電力系統供電時電壓、電流和頻率等參數的穩定性、純度和準確性。主要指標分為三類：電壓穩定性指標，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；頻率穩定性指標，通過頻率漂移和偏差來衡量。

2.2光伏發電系統的電能質量監測技術

光伏發電系統的電能質量監測技術對系統穩定和電能質量至關重要，涉及數據采集、信號處理、故障診斷和結果分析等步驟。監測設備如電能質量分析儀和功率分析儀用于實時獲取關鍵參數，如電壓、電流、功率因數及諧波等。這些數據通過傳感器和數據采集器傳輸至監測系統，然后進行信號處理以提取信息并濾除噪聲。監測數據處理包括數據濾波、時域分析和頻域分析，確保數據準確可靠。監測系統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則庫，結合監測數據進行判斷。監測結果分析評估系統穩定性與可靠性，識別潛在問題并提出改進建議，包括統計分析、趨勢分析和異常事件原因分析，為系統優化和運維提供參考。

圖 3 光伏發電系統中的電能質量監測流程

3 電能質量優化技術

3.1電能質量優化的目標及其指標

電能質量優化旨在穩定電壓、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，減少電磁干擾。這些措施旨在提升電網的穩定性、可靠性和經濟性，滿足用戶對電能質量的需求。

電能質量的優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等，這些指標能全面反映電力系統運行狀況和電能質量水平，為系統優化提供量化評估標準。監測和分析這些指標變化趨勢，可及時識別問題并采取調整措施，提升系統運行效率和供電質量。
3.2基于智能算法的電能質量優化技術

支持向量機（SVM）是一種機器學習算法，用于電能質量優化。它通過非線性分類器將數據映射到高維空間，并構建合適的超平面以分類和預測數據。SVM的數學模型是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健性。在電能質量優化中，SVM用于分類和診斷問題，如電壓波動和諧波擾動。其優勢在于處理高維數據和復雜分類問題的能力，以及在小樣本和非線性數據處理中的穩健性和穩定性。

4 案例分析
4.1案例介紹

在某經濟發達地區的大型工業園區，管理者發現光伏并網發電系統引入的非線性負載導致電能質量問題，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效率，并可能損壞設備。由于園區電網負荷重，光伏系統的波動性加劇了電能質量的不穩定。因此，園區需采取措施調節電能質量，以確保電網和設備的安全高效運行。
4.2 效果分析與監測優化

監測工業園區光伏并網發電系統電能質量，記錄了電壓波動、諧波、功率因數、頻率偏差和生產效率下降率等數據。應用基于SVM的優化技術后，再次監測這些指標。優化結果顯示，電壓波動從5%～10%降至1%～3%，諧波含量從5.50%降至2.50%，功率因數從0.90增至0.95，頻率偏差從±0.2Hz降至±0.1Hz，生產效率下降率從5.0%降至1.5%。這些數據表明，SVM優化方法有效提升了電能質量，增強了系統穩定性，降低了諧波，改善了功率因數和頻率穩定性，并提高了生產效率。

表 1 電能質量優化效果

5安科瑞電能質量在線監測裝置

5.1概述

APView500電能質量監測裝置基于高性能多核平臺和嵌入式系統，遵循IEC61000-4-30標準進行電能質量測量，具備諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷/閃變事件監測和不平衡度監測、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及以下供電系統的監測，廣泛應用于化工、鋼鐵、冶金等多個行業。

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，處理網絡協議、Web服務及電能數據管理；ARM2負責數據采集和電能質量計算。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據。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協議；

設有四個以太網接口，其中三個支持Modbus-TCP、IEC61850MMS、FTP協議，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

光伏并網發電系統中，電能質量監測與優化對系統穩定運行至關重要。本文介紹了一種智能算法電能質量優化技術，旨在為該領域提供參考。隨著科技進步和需求增長，電能質量監測與優化技術將有更廣闊的發展和應用前景。

參考文獻

[1]楊桃，許新華，湯磊.光伏并網發電系統中電能質量監測與優化技術探討

[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.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