淺談光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓升高調(diào)整原理及策略

摘要：近年來光伏發(fā)電逐漸受到廣泛的關(guān)注，光資源的波動性和間歇性特性使得準(zhǔn)確評估其可靠性十分重要。本文主要對光伏發(fā)電系統(tǒng)基于有功功率和無功功率的電壓調(diào)整原理及調(diào)整策略進(jìn)行了研究，提出了基于瞬時電壓—電流控制的動態(tài)電壓調(diào)整策略。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng);原理分析;策略

引言

在能源形勢日益嚴(yán)峻的今天，光伏發(fā)電作為可再生能源的作用與應(yīng)用前景正日益得到社會的普遍認(rèn)同。目前，微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)技術(shù)的提出，需要光伏發(fā)電設(shè)備及系統(tǒng)智能化、多功能化，由此，智能逆變器、多功能逆變器等概念越來越被接受，希望能夠通過光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行起到一定的支撐作用。光伏發(fā)電系統(tǒng)的先行者如德國、日本等國家，推出了新的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)規(guī)范，允許光伏發(fā)電系統(tǒng)具有一定的靈活性和主動性，要求光伏并網(wǎng)系統(tǒng)支撐電網(wǎng)的安全可靠運行，特別是允許光伏發(fā)電系統(tǒng)可以調(diào)整其輸出的有功功率和無功功率，參與系統(tǒng)的電壓和頻率調(diào)整。中國也推出了新的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)規(guī)范，允許并要求大中型光伏電站具有一定的有功功率與無功功率控制能力，參與電力系統(tǒng)局部電壓和頻率調(diào)整。

1 電壓升高原理分析

中國傳統(tǒng)電力系統(tǒng)配置中國傳統(tǒng)電力系統(tǒng)配置為由高壓到低壓的單向輸配電系統(tǒng)，不允許潮流逆流。通常高壓/中壓變壓器帶有自動調(diào)壓抽頭，可以實現(xiàn)帶載調(diào)壓;而中壓/低壓變壓器通常不帶有自動調(diào)壓抽頭，不具有帶載調(diào)壓能力。為了系統(tǒng)安全，電網(wǎng)運營商通常要求光伏發(fā)電系統(tǒng)通過隔離升壓變壓器接入低壓/中壓配電網(wǎng)實現(xiàn)并網(wǎng)運行。對接入中壓/低壓配電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其戴維南等效電路如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)戴維南等效電路

圖1中：US為配電網(wǎng)母線電壓，通?？梢哉J(rèn)為配電系統(tǒng)是一個無窮大系統(tǒng)，其電壓幅值基本恒定不變;Z=R+j X 為配電網(wǎng)線路阻抗，其中R 為電阻分量，X 為電抗分量;P 與Q 分別為配電母線向負(fù)載方向傳輸?shù)挠泄β逝c無功功率;U·PCC為PCC的電壓;PL與QL分別為PCC本地負(fù)載有功功率與無功功率;PG和QG分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)向PCC輸送的有功功率和無功功率，QG為正表示光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出感性無功功率，為負(fù)表示發(fā)出容性（吸收感性）無功功率;QC表示PCC安裝的無功補償設(shè)備的無功功率，QC為正表示發(fā)出感性無功功率，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>

由此，可以得到配電網(wǎng)母線電壓U·S與PCC電壓U·PCC之間的電壓差為：

式中：*表示取共軛。設(shè)UPCC為參考電壓，即U·PCC=UPCC∠0°，那么式（2）可以寫為：

式中：P=-PG+PL;Q=-QG-QC+QL。由于遠(yuǎn)距離架空線線路阻抗電阻分量與電抗分

量相當(dāng)，式（3）中虛部與實部相比很小，可以忽略，由此可以得到下式：

假定本地負(fù)載所需無功功率全部由電網(wǎng)提供，本地?zé)o功補償裝置的QC=0;并網(wǎng)逆變器通常工作于單位功率因數(shù)，即QG=0;通常情況下PCC本地負(fù)載容量相對于光伏發(fā)電系統(tǒng)容量較小，光伏發(fā)電系統(tǒng)輕載額定并網(wǎng)運行。則由式（4）可以看出，由于線路阻抗的存在，光伏發(fā)電系統(tǒng)向配電網(wǎng)輸送有功功率會引起PCC電壓的變化，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)造成PCC潮流逆流時，將導(dǎo)致PCC出現(xiàn)電壓升高并可能超過電壓規(guī)范要求，系統(tǒng)輕載時電壓升高問題尤為嚴(yán)[10]。

2電壓升高調(diào)整原理與策略分析

由第1節(jié)分析可知，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后，有可能造成PCC電壓升高，因此必須要對PCC電壓升高進(jìn)行限制。德國VDE-AR-4105標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，中壓并網(wǎng)光伏系統(tǒng)引起的PCC電壓升高不允許超過2%，低壓并網(wǎng)光伏系統(tǒng)引起的PCC電壓升高不允許超過3%（11）;GB 12325—2008《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》也對不同電壓等級電壓偏差的限制作了明確規(guī)定：①35kV 及以上，正負(fù)電壓偏差絕對值之和不超過10%;②10kV及以下三相供電，電壓偏差在-7%～7%之間;③220V單相供電，電壓偏差在-10%～7%之間。

，電壓偏差在-10%～7%之間。

由式（4）可知，PCC電壓受電網(wǎng)電壓、輸電線路阻抗參數(shù)、線路傳輸有功功率及無功功率、本地負(fù)載功率以及光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的影響。針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用及自身特點，可以采用的電壓調(diào)整策略有：改善輸電線路阻抗參數(shù)、配置儲能裝置、控制光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率及無功功率輸出等，但改善輸電線路阻抗參數(shù)及加強電網(wǎng)投資建設(shè)需要的前期投資成本巨大，不經(jīng)濟，配置儲能裝置這種方式符合光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展需求，但前期投資較大，目前不能規(guī)?；瘧?yīng)用。由于新電網(wǎng)規(guī)范允許光伏系統(tǒng)調(diào)節(jié)有功與無功功率，可行的方法就是控制光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率與無功功率，通過光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率限制策略與無功功率吸收策略對PCC電壓升高進(jìn)行控制。由于功率控制的本質(zhì)也是控制電流，因此文中直接采用電流控制代替功率控制。

2.1有功電流電壓調(diào)整原理與策略

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行PCC電壓升高的直接導(dǎo)致原因是大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)輸入大量的有功功率，因此最直接的解決辦法就是限制或減少光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率，以保證輸出電壓在電壓偏差限制以內(nèi)。有功電流電壓調(diào)整控制框圖如圖2所示。

圖2 有功電流電壓調(diào)整控制框圖

圖2中：i*d與i*q分別為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的無功電流分量與有功電流分量參考值，id與iq分別為相應(yīng)的光伏逆變器輸出電流，U*ref與Uamp分別為PCC電壓設(shè)定參考值及實際測量值，*comp為電壓調(diào)整補償電流，Uampe為電壓偏差?？梢钥闯?，采用雙二階通用積分器同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)實時檢測PCC電壓相位與幅值，電壓瞬時幅值與所設(shè)定的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)整有功電流，與所設(shè)定的有功電流參考值疊加作為新的有功電流參考值對光伏逆變器進(jìn)行控制，實現(xiàn)對PCC電壓的動態(tài)調(diào)整。

2.2IQ（U）無功電流電壓調(diào)整原理與策略

為了提高電壓調(diào)整精度與調(diào)整速度，本文提出了基于瞬時電壓幅值—無功電流的IQ（U）電壓控制方式，當(dāng)PCC電壓升高時，可以使光伏發(fā)電系統(tǒng)工作于滯后功率因數(shù)，使其相當(dāng)于電感特性，吸收一定容量的電網(wǎng)無功功率來調(diào)整PCC電壓。電壓升高與無功電流電壓調(diào)整相量圖如圖3所示。

圖3 電壓升高及電壓調(diào)整相量圖

由圖3（a）可看出，PCC 電壓升高前電壓為U ·PCC0，當(dāng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)向PCC 輸送有功電I·G時，PCC電壓將升高為U· PCC;由圖3（b）可看出，當(dāng)光伏并網(wǎng)逆變器吸收無功電流I·comp后，PCC電壓調(diào)整為U·PCC0。無功電流電壓調(diào)整系統(tǒng)控制框圖見圖4

圖4無功電流電壓調(diào)整控制框圖

由圖4可以看出，采用雙二階通用積分器同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)實時檢測PCC電壓相位與幅值，電壓瞬時幅值與所設(shè)定的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值對逆變器進(jìn)行控制，實現(xiàn)對PCC 電壓的動態(tài)調(diào)整。

3 結(jié)束語

從經(jīng)濟性的角度考慮，有功電流電壓調(diào)整策略會影響發(fā)電容量，而無功電流電壓調(diào)整策略不僅不會影響發(fā)電容量，而且可實現(xiàn)電壓調(diào)整，提高了系統(tǒng)的利用率，為大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行提供了技術(shù)支持。