光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行PCC電壓跌落補(bǔ)償研究

摘要：以光伏發(fā)電系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)(PCC)電壓跌落為研究對(duì)象，從電力系統(tǒng)功率傳輸理論的角度分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)PCC電壓跌落的電壓補(bǔ)償原理，并網(wǎng)逆變器通過無功功率對(duì)PCC電壓跌落進(jìn)行補(bǔ)償，提出基于瞬時(shí)電壓幅值的動(dòng)態(tài)無功電流電壓跌落補(bǔ)償策略，搭建了3 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)提出的補(bǔ)償策略進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法改善了光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電電能質(zhì)量，提高了其并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

1 引言

太陽能作為典型的可再生能源，由于受到環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度及天氣條件的影響，光伏發(fā)電表現(xiàn)出隨機(jī)波動(dòng)性大、不可預(yù)測的特點(diǎn)，某工程現(xiàn)場測試，最大功率變化率為20%/min。光伏發(fā)電系統(tǒng)通常都要通過電力電子變換裝置即接口逆變器并網(wǎng)運(yùn)行。隨著大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行，其對(duì)電網(wǎng)的影響越來越大，暴露出越來越多的問題，其中PCC電壓跌落是光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響之一。目前已提出了很多方法用于減輕或補(bǔ)償電壓跌落問題，如無功功率補(bǔ)償器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器、交流柔性輸電裝置、靜止無功發(fā)生器等，但均需安裝額外設(shè)備，不僅增加了投資成本，而且使系統(tǒng)控制復(fù)雜化。

微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)技術(shù)的提出推動(dòng)了光伏發(fā)電設(shè)備及系統(tǒng)向智能化、多功能化發(fā)展，智能逆變器、多功能逆變器等概念逐漸被廣泛接受，希望能通過光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起到一定支撐作用。國內(nèi)外都推出了新的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)規(guī)范，使其具有一定的靈活性與主動(dòng)性，允許光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)整其輸出的有功及無功功率，參與電力系統(tǒng)局部電壓和頻率調(diào)整，同時(shí)要求系統(tǒng)具有低電壓穿越能力。

這里采用光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器本身，在PCC電壓跌落時(shí)，通過向電網(wǎng)注入一定容量的無功功率實(shí)現(xiàn)對(duì)PCC電壓跌落補(bǔ)償。這種方法不僅可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)發(fā)電的主要功能，而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)PCC電壓跌落補(bǔ)償?shù)妮o助功能，提高了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的利用率，減少了安裝補(bǔ)償裝置的投入及維護(hù)成本，補(bǔ)償性能將更加經(jīng)濟(jì)。

2 電壓跌落補(bǔ)償原理

大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率突變與波動(dòng)造成PCC電壓跌落，影響系統(tǒng)供電電能質(zhì)量，故需對(duì)PCC電壓跌落進(jìn)行補(bǔ)償。德國最新光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)VDE-AR-N-4105：2011-08規(guī)定，中壓光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)引起的PCC電壓變化不允許超過2%;低壓光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)引起的PCC電壓變化不允許超過3%;我國對(duì)不同電壓等級(jí)電壓偏差的限制也有明確規(guī)定，GB12325-2008《電能質(zhì)量——供電電壓允許偏差》對(duì)供電電壓允許偏差的限制摘要如下：①35 kV及以上正負(fù)電壓偏差絕對(duì)值之和不超過10%;②10 kV及以下三相供電，±7%;③220 V單相供電，-10%～7%。

對(duì)于接入中/低壓配電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，可得其并網(wǎng)運(yùn)行的戴維南等效電路如圖1所示。us為配電網(wǎng)母線電壓，通常認(rèn)為配電系統(tǒng)為無窮大系統(tǒng)，其電壓幅值|us|基本恒定不變;Z為配電網(wǎng)線路阻抗，Z=R+jX，R，X為電阻、電抗分量;P，Q為配電網(wǎng)母線向負(fù)載方向傳輸?shù)挠泄?、無功功率;uPCC為PCC電壓;PL，QL分別為PCC本地負(fù)載有功、無功功率;PG，QG分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)向PCC輸送的有功、無功功率，QG為正表示逆變器發(fā)出感性無功功率，QG為負(fù)表示逆變器吸收感性無功功率;QC為PCC安裝設(shè)備補(bǔ)償?shù)臒o功功率，QC為正表示發(fā)出感性無功功率，QC為負(fù)表示發(fā)出容性無功功率。

根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)戴維南等效電路，配電網(wǎng)向PCC方向傳輸?shù)墓β蕿椋?/p>

由于遠(yuǎn)距離架空線線路阻抗的電阻分量與電抗分量相當(dāng)，線路兩端電壓相位偏差較小，式(4)的虛部與實(shí)部相比很小，可忽略;考慮允許光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器與當(dāng)?shù)責(zé)o功補(bǔ)償裝置發(fā)出感性無功功率，即QG與QC均為正，由此可得：

uPCC≈us+R(PG-PL)/uPCC+X(QG+QC-QL)/uPCC (5)

由式(5)可見，對(duì)于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，由于其輸出有功功率由光伏電池板決定，受天氣影響較大，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率減小時(shí)，就有可能造成PCC電壓跌落。若能控制光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出無功功率，即可控制PCC電壓。由于并網(wǎng)逆變器很多時(shí)候都不工作在額定功率，具有一定的無功功率容量，因此，可使并網(wǎng)逆變器在其視在功率容量限制內(nèi)，發(fā)出一定容量的無功功率，即可對(duì)PCC電壓跌落實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

3 電壓跌落補(bǔ)償策略

光伏發(fā)電系統(tǒng)中所采用的三相電壓源并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償PCC電壓跌落，提出基于瞬時(shí)電壓幅值一無功電流的Io(U)電壓控制方式，當(dāng)PCC電壓跌落時(shí)，可使光伏發(fā)電系統(tǒng)工作于超前功率因數(shù)，使其相當(dāng)于電容特性，在系統(tǒng)視在功率限制內(nèi)發(fā)出一定容量的無功功率來補(bǔ)償PCC電壓跌落。由于功率控制的本質(zhì)也是控制電流，因此這里直接采用電流控制代替功率控制。無功電流電壓調(diào)整系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

由圖3可見，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)在兩相旋轉(zhuǎn)d，q坐標(biāo)系下完成，其中控制系統(tǒng)采用雙二階通用積分器同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)(DSOGI SRF-PLL)實(shí)時(shí)檢測PCC電壓相位與幅值，采用Io(U)方法對(duì)PCC電壓進(jìn)行控制，所檢測電壓瞬時(shí)幅值與所設(shè)定電壓參考幅值作比較，誤差經(jīng)電壓PI調(diào)節(jié)器后得到電壓調(diào)整無功補(bǔ)償電流，與所設(shè)定的無功電流參考值疊加作為新的無功電流參考對(duì)逆變器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)PCC電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4 實(shí)驗(yàn)

上面對(duì)PCC電壓調(diào)整原理及策略進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的電壓跌落補(bǔ)償策略，下面主要對(duì)提出的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器IQ(U)電壓跌落補(bǔ)償策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)定并網(wǎng)逆變器正常并網(wǎng)發(fā)電，且具有一定的視在功率容量，通過在PCC切入本地負(fù)載來模擬PCC電壓跌落。搭建3 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)采用三相橋式電路，控制電路基于DSP控制芯片TMS320F2812。并網(wǎng)逆變器主要參數(shù)：Udc= 120 V;Ua=Ub=Uc=50 V;iG=8 A;RL=7 Ω;Lf=5 mH;Cf=9.4μF;R=1 Ω;L=3 mH。電壓PI控制器比例與積分系數(shù)分別為0.1，20;電流PI控制器比例與積分系數(shù)分別為0.5，10。圖4為實(shí)驗(yàn)波形。

圖4a為光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)波形，PCC接入本地負(fù)載開關(guān)斷開，并網(wǎng)逆變器輸出電流全部輸出給電網(wǎng)?？梢?，并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值為50 V，相對(duì)于參考電壓幅值50 V，電壓幅值差為零，逆變器并網(wǎng)電流與其輸出電流均為2 A，負(fù)載電流為零。圖4b為PCC切入本地負(fù)載后PCC電壓發(fā)生跌落的暫態(tài)波形。可見，當(dāng)負(fù)載切入后，PCC電壓由50 V跌落至45 V以下，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器不對(duì)PCC電壓進(jìn)行補(bǔ)償，逆變器輸出電流依然為2 A，并網(wǎng)電流反相，即負(fù)載電流一部分由逆變器供給，另一部分由電網(wǎng)供給。

圖4c，d為電壓采用無功電流進(jìn)行電壓調(diào)整的暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形?？梢?，負(fù)載切入瞬間，電壓幅值減小，并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落，由于采用了IQ(U)電壓補(bǔ)償器對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行控制，電壓跌落后，IQ(U)電壓補(bǔ)償器輸出一個(gè)無功補(bǔ)償參考電流給并網(wǎng)逆變器，并網(wǎng)逆變器輸出無功補(bǔ)償電流補(bǔ)償并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落，2個(gè)周期后達(dá)到穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)后，電壓幅值偏差為零，電壓跌落得到補(bǔ)償。IQ(U)電壓補(bǔ)償器具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度。

5 結(jié)論

對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落問題進(jìn)行了研究，提出了基于瞬時(shí)電壓幅值的無功電流電壓跌落補(bǔ)償策略，最終通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了所提出的電壓調(diào)整策略的可行性與有效性。實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電與電壓補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一控制功能，改善了電力系統(tǒng)供電電能質(zhì)量，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，為大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行提供了技術(shù)支持。