電網(wǎng)友好型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

付天宇

（山東建筑大學，山東 濟南 250101）

0 引 言

近年來，我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展，全國能源消費結(jié)構(gòu)的合理性受到越來越多的關(guān)注。當前，廣泛應用的傳統(tǒng)能源大多屬于不可再生資源，且燃燒利用過程中往往伴隨有氣體、煙塵微粒的排放。為響應黨提出建設(shè)可持續(xù)發(fā)展社會的構(gòu)想，我國正在建設(shè)一批大規(guī)模集中式光伏發(fā)電站。但是，僅靠集中式光伏發(fā)電站并不能使太陽能的利用率達到最大。我國光照資源最豐富的地區(qū)在農(nóng)村，我國也正在農(nóng)村積極推行分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)具有對電網(wǎng)供電依賴小、線路損耗少、運行靈活、適當條件下可以進行脫網(wǎng)、獨立運行等優(yōu)點。但是，在廣饒縣實地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)還存在配電網(wǎng)中逆向潮流增加線路額外損耗、農(nóng)村電網(wǎng)系統(tǒng)薄弱、大容量的光伏介入后功率因數(shù)難控制等問題[1]。而傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)已經(jīng)無法解決這些問題，因為傳統(tǒng)的微電網(wǎng)不具備反饋調(diào)節(jié)與調(diào)度功能，加上區(qū)域內(nèi)光照時間與強度具有一致性，所以在微電網(wǎng)內(nèi)會造成潮流逆流問題，導致光伏發(fā)電系統(tǒng)公共連接點電壓升高或過電壓，進而引起輸配電設(shè)備損耗和系統(tǒng)過載。此外，現(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有辦法實現(xiàn)一種智能化的調(diào)控功能，同時沒有設(shè)備可以同時實現(xiàn)對下級光伏發(fā)電系統(tǒng)指令傳遞和對上級電網(wǎng)的及時信息反饋。

受現(xiàn)在的科技水平和設(shè)備條件掣肘，當光伏發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模并網(wǎng)運行時，將導致光伏發(fā)電系統(tǒng)公共連接點電壓升高或過電壓，引發(fā)潮流逆流現(xiàn)象。由于傳統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)是從發(fā)電設(shè)備到用電設(shè)備的單向供配電系統(tǒng)，所以只能使設(shè)備停止發(fā)電并脫網(wǎng)來避免問題。本文主要提出基于有功與無功功率的電壓調(diào)整原理，對光伏發(fā)電系統(tǒng)采用基于瞬時電壓幅值——無功電流的IQ(U)電壓調(diào)整策略，通過反饋調(diào)節(jié)電網(wǎng)的動態(tài)特性，搭建電網(wǎng)友好型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，以解決光伏發(fā)電并入微電網(wǎng)存在潮流逆流的問題。為了更好地說明研究成果，下面將從原理和組成兩大方面，系統(tǒng)闡述電網(wǎng)友好型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1 電網(wǎng)友好型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

影響公共連接點電壓高低的因素包括電網(wǎng)電壓、輸電線路有功和無功功率、線路阻抗、發(fā)電系統(tǒng)輸出功率等。這些因素的作用，使得電路在大量光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后出現(xiàn)公共連接點（PCC）電壓升高問題。因此，必須要從這些因素入手，整改電網(wǎng)。

1.1 電壓升高調(diào)整原理與策略分析

現(xiàn)有科技條件下，針對公共控制點電壓某時間出現(xiàn)過高的問題，理論上的處理方法包括配備電網(wǎng)儲能、建設(shè)相稱阻抗值電網(wǎng)系統(tǒng)、控制光伏發(fā)電體系功率因數(shù)等。但是，電網(wǎng)儲能設(shè)備雖然可以很大程度上減少了電能流失，但其經(jīng)濟費用、儲能設(shè)施要求高，難以得到大規(guī)模應用；而建設(shè)相應阻抗值輸電線路所需的工作量更大，經(jīng)濟投資量更高，同樣不適用現(xiàn)有發(fā)電系統(tǒng)環(huán)境。我國電網(wǎng)系統(tǒng)允許光伏發(fā)電體系的有功和無功功率調(diào)節(jié)，所以光伏發(fā)電體系用戶可以通過控制光伏發(fā)電系統(tǒng)功率因數(shù)控制PCC電壓[2]。

1.2 有功電流電壓調(diào)整原理與策略

光伏發(fā)電體系并網(wǎng)運行PCC電壓的升高，會導致光伏發(fā)電體系輸入大量的有功功率。因此，最簡單的處理方法是限制或減少光伏發(fā)電體系輸出的有功功率，以確保輸出電壓在允許的電壓偏差幅度中。

1.3 無功電流電壓調(diào)整原理與策略

為了提升調(diào)節(jié)電壓的精度和速度，采用基于瞬時電壓幅值—無功電流的IQ(U)電壓調(diào)整策略。當PCC電壓升高時，光伏發(fā)電系統(tǒng)工作時功率因數(shù)處于滯后狀態(tài)，使其發(fā)揮出電感的作用，削弱電網(wǎng)的一部分無功功率來調(diào)節(jié)PCC電壓[3]。

2 電網(wǎng)友好型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

電網(wǎng)友好型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)由電網(wǎng)友好型遙測設(shè)備和智能逆變器組成。

2.1 電網(wǎng)友好型遙測設(shè)備

電網(wǎng)友好型遙測設(shè)備由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊三大部分組成。遙測設(shè)備具有遠程收集逆變器電壓數(shù)值、對電路運行情況做出應答、傳送功率調(diào)控指令的能力。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

該部分通過CS5460芯片和傳感器采集原始信號，并采用互感器與變送器相配合的方式，將所需信號傳送到數(shù)據(jù)采集端，進而將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊。需要采集的信號包括智能逆變器的輸出電壓、電流，遙測設(shè)備電路節(jié)點的輸出電壓、電流。在電力系統(tǒng)中，選擇互感器測量交流電壓和電流?；ジ衅鞯倪x擇要根據(jù)監(jiān)測點的電壓等級合理選擇，并要求其一次側(cè)額定工作電壓等級與實際電網(wǎng)電壓等級相匹配。該設(shè)備選用中壓互感器測量遙測設(shè)備節(jié)點處的輸出電壓、電流即可。電壓互感器的副邊接WBV系列霍爾電壓變送器，電流互感器的副邊接WBI系列霍爾電流變送器[4]。這兩種型號的變送器都能輸出標準信號，能夠滿足測量范圍和絕緣要求。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理模塊

該部分將數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)傳送到本模塊內(nèi)部的工業(yè)控制計算機，進而對逆變器的電壓、電流與遙測設(shè)備處節(jié)點的輸出電壓、電流進行分析處理。在工業(yè)控制計算機上有信號監(jiān)測系統(tǒng)軟件，可以采集信號分析計算和存儲管理，并在工業(yè)控制計算機上進行系統(tǒng)綜合評估運算，同時向智能逆變器下達指令。

當逆變器的電壓與遙測設(shè)備處節(jié)點的輸出電壓相差幅度在-10%～4%時，給智能逆變器下達滿功率發(fā)電指令。當逆變器的電壓超過遙測設(shè)備處節(jié)點的輸出電壓6%時，給智能逆變器下達減少無功功率指令。如果無功功率為零后仍超出安全范圍，再下達減少有功功率的指令。當微電網(wǎng)某處電路處于維修或故障時，給智能逆變器下達停止發(fā)電并脫網(wǎng)的指令。

2.1.3 無線通信模塊

通信模塊中，利用PTR8000芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能。數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)處理模塊的指令準確傳到智能逆變器的工業(yè)控制計算機，利用工業(yè)控制計算機中的程序?qū)δ孀兤鞯妮敵龉β蔬M行調(diào)控。在芯片配置模式下,采用模式控制，即在SPI接口上實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，并通過檢測DR此時的輸出狀態(tài)，判斷數(shù)據(jù)和發(fā)射情況[5]。

通信模塊是電網(wǎng)友好型遙測設(shè)備連接智能逆變器的必要部分。它通過PTR8000芯片來完成對逆變器的指令傳遞。

2.2 智能逆變器

智能逆變器由監(jiān)測模塊、無線通信模塊、信息執(zhí)行模塊三大部分組成。智能逆變器直接作用于光伏發(fā)電系統(tǒng)，具有監(jiān)測微電網(wǎng)參數(shù)、上傳電路數(shù)據(jù)、接收遙測控制設(shè)備并執(zhí)行其指令的能力。

2.2.1 監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊需要測量光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)輸電線路接入處的電壓、電流。監(jiān)測模塊配置有電能計量芯片CS5460，具有測量電流、電壓、功率等實時電路參數(shù)的功能，并將采集的參數(shù)信息整合為數(shù)字信號并發(fā)送給通信模塊部分

2.2.2 信息執(zhí)行模塊

信息執(zhí)行模塊主要為工業(yè)控制計算機，內(nèi)部構(gòu)造為計算機和輸入輸出通道兩大部分，并擁有計算機CPU、硬盤、內(nèi)存、外設(shè)、接口以及實時操作系統(tǒng)等，以完成相應的計算特征。工業(yè)控制計算機接到通信模塊傳回的遙測設(shè)備數(shù)字信號后，準確輸出一系列控制命令。隨后，控制計算機通過邏輯控制電路驅(qū)動逆變器改變并聯(lián)電容值，從而適當調(diào)整電路的有功與無功功率，并將信息通過通信模塊反饋給遙測設(shè)備[6]。

2.2.3 無線通信模塊

無線通信模塊采用PTR8000芯片，原理與功能同電網(wǎng)友好型遙測設(shè)備中的無線通信模塊。無線通信模塊是整個系統(tǒng)的設(shè)備連接部分。該系統(tǒng)通過無線數(shù)據(jù)終端完成對整個系統(tǒng)的信號傳遞，并將來自電網(wǎng)友好型遙測設(shè)備發(fā)出的信息傳輸至智能逆變器的信息執(zhí)行模塊，同時將信息執(zhí)行模塊產(chǎn)生的信息上傳或反饋給電網(wǎng)友好型遙測設(shè)備[7]。

3 結(jié) 論

分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)作為一種低成本、靈活的發(fā)電方式，具有良好的發(fā)展前景。本文以調(diào)控有功與無功功率的輸出為基礎(chǔ)，以監(jiān)控微電網(wǎng)系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)為核心，針對出現(xiàn)的光伏發(fā)電并入微電網(wǎng)存在潮流逆流現(xiàn)象提出解決方案，并設(shè)計出電網(wǎng)友好型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，進一步提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，此方案也適用于分布式風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)等類似的發(fā)電方式；也可以以此解決方案為基礎(chǔ)，調(diào)控更高一級和范圍更大的電網(wǎng)。

參考文獻：

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