光伏并網(wǎng)點電壓調(diào)節(jié)案例教學研究

鄭文迪，張 敏，邵振國

（福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108）

當前，能源匱乏與環(huán)境惡化問題日益嚴重，替代能源開發(fā)與能源結(jié)構(gòu)調(diào)整已成為共識。其中，光伏發(fā)電以其資源充足、取用便捷的優(yōu)勢成為最值得開發(fā)的可再生能源之一[1]。然而，太陽能發(fā)電的隨機性與間歇性特點給配電網(wǎng)帶來電能質(zhì)量問題，包括電壓波動、電壓越限以及諧波污染等，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生了不利影響。其中，最受關(guān)注的問題是電壓越限[2]。目前，對此問題的大量研究主要集中在電壓越限原理和調(diào)壓策略等方面[2-6]。文獻[3—4]對單個和多個光伏接入對配電網(wǎng)電壓的影響進行了分析，得出光伏并網(wǎng)使線路電壓抬升的結(jié)論，并探討了影響電壓變化的因素。文獻[5]在德國電氣工程師協(xié)會提出的無功功率控制策略的基礎(chǔ)上，提出了基于電壓和光伏有功出力的無功功率控制策略，電壓調(diào)節(jié)更加靈活，無功輸出總量最小，但僅是通過無功功率對電壓進行調(diào)節(jié)，未考慮光伏有功出力對線路電壓的影響。文獻[6]提出了有功/無功綜合控制方案，在有功出力限值的前提下進行了無功功率調(diào)節(jié)，但未考慮二者的動態(tài)平衡，導致經(jīng)濟性較差。

在相關(guān)內(nèi)容的教學過程中，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)受外界環(huán)境影響大，實際工程問題復雜[7]，且光伏并網(wǎng)產(chǎn)生的影響以及調(diào)壓策略的效果較抽象，學生難以完全掌握，從而無法很好地達到教學目的。因此，需要通過案例教學法，促進學生運用專業(yè)知識與技能解決實際工程問題，達到“學以致用”的目的[8]。

本文研究了分布式光伏接入電網(wǎng)對并網(wǎng)點電壓的作用機理，并基于PSCAD/EMTDC 搭建了光伏并網(wǎng)仿真實驗平臺，建立了調(diào)壓策略案例，使學生能夠利用該平臺對無功單獨調(diào)壓、有功/無功綜合調(diào)壓以及改進的有功/無功綜合調(diào)壓方案進行仿真分析，有利于學生更加深入地理解光伏并網(wǎng)引起的電壓越限機理和相應的調(diào)壓措施，并配合綜合性、創(chuàng)新性實驗，啟發(fā)學生以拓展性思維思考問題和解決問題。

1 電壓越限機理

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)潮流單一地向饋線末端流動，然而隨著分布式光伏電源的接入，配電網(wǎng)潮流將產(chǎn)生逆 流[4]。同時，低壓配電網(wǎng)線路阻抗較大，接入光伏電源后容易發(fā)生電壓越限問題。并網(wǎng)前后電壓變化量ΔU可近似為：

其中，Ppv和Qpv為光伏電源輸出的有功功率和無功功率；Z=R+jX為線路阻抗（R和X分別為線路電阻和電抗）；Upcc為并網(wǎng)點電壓。由式（1）可以看出，光伏電源并網(wǎng)后對并網(wǎng)點電壓的抬升程度與光伏電源輸出的有功功率、無功功率及線路阻抗有關(guān)。當光伏電源有功出力增大到一定程度時，并網(wǎng)點電壓抬升過高，將導致電壓超過規(guī)定浮動范圍。目前，針對電壓越限問題，通常采取的調(diào)壓方案有[3]：①無功功率補償；②裝設(shè)儲能裝置；③限制光伏有功出力；④逆變器無功控制。其中，控制光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器并網(wǎng)環(huán)節(jié)輸出的有功功率和無功功率是兼具較高可行性與經(jīng)濟性的方案。

在了解光伏并網(wǎng)對并網(wǎng)點電壓作用機理的基礎(chǔ)上，搭建光伏并網(wǎng)實驗平臺并設(shè)計具體案例對并網(wǎng)點電壓進行調(diào)節(jié)，有助于加深學生對光伏并網(wǎng)調(diào)壓策略的理解，從而在實際操作中能夠有效應對電壓越限問題。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)通常分為單級式結(jié)構(gòu)和兩級式結(jié)構(gòu)。與單級式結(jié)構(gòu)相比，兩級式結(jié)構(gòu)控制方案的設(shè)計及實現(xiàn)更為簡單[9]，且DC/DC 部分與DC/AC 部分耦合不緊密，利于實現(xiàn)有功功率與無功功率的解耦控制。因此，本文使用兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由光伏陣列、DC/DC BOOST 電路、DC/AC 逆變器以及LC 濾波電路組成，并且包括MPPT 最大功率追蹤控制環(huán)節(jié)和并網(wǎng)控制環(huán)節(jié)。

圖1 兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 DC/DC 控制模塊

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于光伏電池輸出電壓通常較低，一般應通過BOOST 升壓電路進行直流升壓，同時加入MPPT 控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)最大功率追蹤，使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，以保證電能利用效率。目前應用最普遍的MPPT 控制方法為基于擾動的自尋優(yōu)法[10]，實際工程中常采用電導增量法[11-12]。本文設(shè)計案例模型的DC/DC 模塊通過BOOST 電路進行升壓，并通過MPPT 控制輸出電壓，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

DC/DC 控制模塊如圖3 所示。并網(wǎng)逆變器可工作在MPPT 模式或有限功率模式[13]，因此加入Rst對是否使用有功功率控制功能進行控制。將光伏電池瞬時輸出電壓Upv和電流Ipv接入MPPT 控制模塊，通過計 算得到最大功率點電壓Umppt。當Rst置1 時，Umppt直接與Upv比較，輸出P WM 驅(qū)動信號g以控制BOOST電路中絕緣柵雙極型晶體管的開斷，進而改變BOOST 電路的輸出電壓，實現(xiàn)最大功率跟蹤。當Rst置0 時，給定參考有功值Pref，與逆變器實際輸出有功值P作差后經(jīng)過PI 控制環(huán)節(jié)，再與Umppt作差得到Upv_ref。將Upv與Upv_ref進行比較，通過PI 控制環(huán)節(jié)，輸出PWM 驅(qū)動信號g以改變輸出電壓，進而實現(xiàn)對有功功率的控制。

圖2 DC/DC 結(jié)構(gòu)圖

圖3 DC/DC 控制模塊

2.2 逆變器控制模塊

DC/DC 環(huán)節(jié)中得到的符合預期的直流電經(jīng)dcC連接逆變器，轉(zhuǎn)化為三相交流電；再通過LC 濾波電路降低諧波輸出，提高電能質(zhì)量，實現(xiàn)系統(tǒng)的并網(wǎng)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

逆變器控制電路由內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制組成。內(nèi)環(huán)控制是根據(jù)電感電流參考值、逆變器等效電壓ud和uq，生成SPWM 的三相調(diào)制信號。由于d、q 軸之間存在耦合關(guān)系，為消除這一影響，引入電流狀態(tài)反饋和電網(wǎng)電壓前饋補償[11]，實現(xiàn)解耦控制，得到如下控制方程：

其中，Kip和Kii為PI 調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)和積分參數(shù)。PI 調(diào)節(jié)器通過差量對電流進行調(diào)節(jié)，使穩(wěn)態(tài)誤差為0，以保證輸出電壓實時跟隨電網(wǎng)電壓[12]。根據(jù)此方程式可以得到內(nèi)環(huán)控制的結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

逆變器輸出的三相電壓經(jīng)過變換后為ud和uq分量，不存在耦合關(guān)系，且ud為常量，uq=0[14]。因此，逆變器的輸出功率為：

由此可以得知，逆變器的輸出有功功率只與d 軸有關(guān)，而輸出無功功率只與q 軸有關(guān)，實現(xiàn)了逆變器的有功無功解耦控制。

由于本文搭建的光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功功率由DC/DC BOOST 電路控制，因此逆變器外環(huán)控制由直流母線電壓Udc和輸出無功功率控制。輸入直流母線電壓參考值Udc_ref與實際直流母線電壓Udc、逆變器無功功率參考值Qref與實際輸出無功功率Q分別做差后，通過PI 調(diào)節(jié)器得到d 軸和q 軸電感電流參考值。控制框圖如圖6 所示。

圖5 內(nèi)環(huán)電流控制框圖

圖6 外環(huán)控制框圖

根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)各部分模塊搭建了上述光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真實驗平臺，以下將利用此平臺對具體案例進行分析和討論。

3 光伏并網(wǎng)點電壓調(diào)節(jié)案例實驗分析

由前文分析可知，為達到控制并網(wǎng)點電壓以解決電壓越限問題的目的，利用逆變器剩余容量調(diào)節(jié)無功功率和限制光伏電源的有功出力是兩種經(jīng)濟有效的方法。針對配電網(wǎng)系統(tǒng)實際運行過程中由于突發(fā)事件（負載變化）導致電壓抬升甚至引發(fā)電壓越限的問題，本文提出無功單獨調(diào)壓、有功/無功綜合調(diào)壓和改進的有功/無功綜合調(diào)壓策略，并設(shè)定了以下具體案例進行仿真實驗。

案例教學的設(shè)計應具有真實性，以使學生通過學習案例對相關(guān)的工程背景有所了解。本案例設(shè)定的配電網(wǎng)環(huán)境為某工業(yè)園區(qū)，具體任務是研究分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入對并網(wǎng)點電壓的影響。在 PSCAD/ EMTDC 中搭建光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。主網(wǎng)為無窮大電源。負載1、2、4、5 采用恒功率模型，圖中所示功率為在額定電壓380 V 情況下。負載3 為電動機負載，通過斷路器BKM 控制啟停。PV 為額定輸出功率為250 kW 的光伏發(fā)電系統(tǒng)，選擇光伏接入節(jié)點為BUS4，采用PQ 控制方式，通過同步鎖相環(huán)與微網(wǎng)保持同步。

圖7 低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)本文第2 節(jié)所述內(nèi)容進行搭建，光伏陣列內(nèi)由22 個模塊串聯(lián)而成，再由250 個模塊并聯(lián)而成；光伏陣列輸出額定功率為250 kW；采用電導增量法進行最大功率追蹤。線路電壓等級設(shè)定為380 V，逆變器直流側(cè)電壓為800 V。設(shè)定分布式光伏逆變器容量為60 kVA。根據(jù)國家標準要求[15]，20 kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%，因此，在仿真中設(shè)定目標電壓范圍為[0.980，1.065]，電壓上限值為1.07。如圖8 所示，在BUS4 接入分布式光伏后，負載均以圖中標準的功率投入運行，調(diào)整光伏出力為48.84 kW，使各節(jié)點電壓均在目標電壓范圍內(nèi)。

圖8 光伏并網(wǎng)各節(jié)點電壓值

3.1 無功功率單獨調(diào)壓實驗

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，逆變器在輸出有功功率的同時，仍有一部分剩余容量，可以吸收無功功率，進而降低并網(wǎng)點電壓，使各節(jié)點電壓穩(wěn)定在安全運行范圍內(nèi)。下面的案例一實驗，旨在讓學生掌握無功功率單獨調(diào)壓策略對越限電壓進行調(diào)節(jié)的方法。

案例一：負載1 切除40%，各節(jié)點電壓被抬升，BUS8 處電壓達到1.72，超出規(guī)定限值。在第3 s 時，引導學生采用無功調(diào)壓策略，提高逆變器吸收的無功功率，使并網(wǎng)點電壓恢復到目標電壓范圍。各并網(wǎng)點電壓值及光伏電源實際出力如圖9 所示。

由圖9(a)中各節(jié)點電壓結(jié)果可以看出，在無功調(diào)壓的作用下，各節(jié)點電壓均在設(shè)定的目標電壓范圍內(nèi)，其值為：UBUS8=1.065；UBUS9=1.021；UBUS10=1.039；UBUS11=1.017；UBUS12=0.998。圖9(b)、(c)為光伏電源的有功出力和無功補償，其中，有功出力基本保持不變，在第3 s 時，補償無功31.2 kVar，各節(jié)點電壓均在安全運行范圍內(nèi)。綜上，僅采用無功調(diào)壓策略可以基本解決電壓越限問題，但光伏逆變器幾乎達到最大容量值，基本沒有安全裕度。學生通過該實驗可以觀察到光伏并網(wǎng)引發(fā)的電壓越限現(xiàn)象，并掌握利用逆變器進行無功功率調(diào)壓的方法。

圖9 案例一的電壓值、有功功率、無功功率

3.2 有功/無功綜合調(diào)壓實驗

由于光伏系統(tǒng)逆變器容量有限，在負載繼續(xù)被切除的情況下，電壓再次越限，而逆變器能吸收的無功功率已被用盡，此時，需要對光伏有功出力進行限制以調(diào)節(jié)電壓。下面的案例二和案例三，旨在引導學生采用有功/無功綜合調(diào)壓策略進行實驗。

案例二：在 3.1 節(jié)基礎(chǔ)上，光伏出力仍保持在48.84 kW，負載1 切除80%，BUS8 處電壓為1.079，超出規(guī)定限值。在第3 s 時，采用無功調(diào)壓策略，考慮逆變器容量，提高逆變器吸收的無功功率使其達到最大，BUS8 處電壓為1.071，仍越限。因此，需要降低光伏有功出力以降低電壓值。在第4 s 時，減少光伏有功出力，各并網(wǎng)點電壓值以及光伏電源實際出力如圖10所示。

由圖10(a)中各節(jié)點電壓結(jié)果可以看出，經(jīng)過有功/無功綜合調(diào)節(jié)，各節(jié)點電壓均在設(shè)定的目標電壓范圍內(nèi)，其值為：UBUS8=1.065；UBUS9=1.014；UBUS10=1.032；UBUS11=1.010；UBUS12=0.992。圖10(b)、(c)為光伏電源的有功出力和無功補償，第3 s補償無功34.85 kVar，BUS8 處電壓仍然越限，第4 s時光伏出力從48.84 kW 降至33.68 kW，各節(jié)點電壓穩(wěn)定于安全運行范圍內(nèi)。

圖10 案例二的電壓值、有功功率、無功功率

案例三：在案例二的基礎(chǔ)上，在第3 s 時，負載1和負載2 均發(fā)生故障，負載1 完全切除，負載2 切除20%，BUS8 處電壓為1.083，超出規(guī)定限值，采用與案例二相同的調(diào)壓策略，在第3 s 時提高逆變器吸收的無功功率，使其達到最大，BUS8 處電壓值為1.071，仍然越限，第4 s 時降低有功出力，結(jié)果如圖11 所示。由圖11(a)可知，各節(jié)點電壓在經(jīng)過調(diào)節(jié)后均在設(shè)定的目標電壓范圍內(nèi)，其值為：UBUS8=1.065；UBUS9=1.018；UBUS10=1.030；UBUS11=1.008；UBUS12=0.990。

由圖 11(b)、(c)可見，第 3 s 時，補償無功 49.64 kVar，BUS8 處電壓仍然越限，第4 s 時光伏出力從33.68 kW 降至19.23 kW，各節(jié)點電壓控制在目標運行范圍內(nèi)。由此可以看出，減小光伏有功出力有效地降低了過電壓，使學生了解了光伏出力對并網(wǎng)點電壓的調(diào)節(jié)作用，并掌握了有功出力和無功補償?shù)呐浜险{(diào)壓策略。

圖11 案例三的電壓值、有功功率、無功功率

3.3 改進的有功/無功綜合調(diào)壓實驗

在3.2 節(jié)的調(diào)壓策略中，光伏逆變器的容量并沒有得到充分利用。隨著光伏有功出力的降低，逆變器能夠吸收的無功功率增加?？紤]經(jīng)濟效益和逆變器容量的利用率，以3.2 中所述的調(diào)壓策略為基礎(chǔ)進行改進，在降低光伏有功出力的同時增加逆變器吸收的無功功率，充分利用逆變器的無功調(diào)節(jié)能力。下面的案例，旨在引導學生將此改進方法應用于3.2 節(jié)的案例二和案例三，作為案例四和案例五，并對比兩種方法的實驗結(jié)果。

案例四：在案例二的基礎(chǔ)上，第3 s 時，減少光伏出力至39.7 kW，同時增加逆變器吸收的無功功率至45 kVar，此時光伏逆變器的容量得到最大利用，各節(jié)點電壓及光伏實際出力如圖12 所示。

圖12 案例四的電壓值、有功功率、無功功率

由圖12(a)中各節(jié)點電壓結(jié)果可以看出，通過改進的有功/無功綜合調(diào)壓策略，各節(jié)點電壓均在設(shè)定 的目標電壓范圍內(nèi)，其值為UBUS8=1.065；UBUS9=1.014；UBUS10=1.032；UBUS11=1.008；UBUS12=0.992。圖12(b)、(c)為光伏電源有功出力和無功補償，第3 s時，有功出力從48.84 kW 降至39.7 kW，同時補償無功45 kVar，各節(jié)點電壓穩(wěn)定在安全運行范圍內(nèi)。與案例二相比，有功出力降低程度減小。

案例五：在案例三的基礎(chǔ)上，第3 s 時，負載1完全切除，負載2 切除20%，BUS8 處電壓為1.085，超出規(guī)定限值，采用與案例四相同的調(diào)壓策略，有功出力降至22.35 kW，無功功率上升為55.63 kVar，使BUS8 處電壓值恢復正常水平，得到的結(jié)果如圖13 所示。與案例二和案例三相比，為達到同樣的電壓控制目標，采用改進策略后所需降低的有功出力減少。

圖13 案例五的電壓值、有功功率、無功功率

由圖13(a)中各節(jié)點電壓結(jié)果可以看出，各節(jié)點電壓均在設(shè)定的目標電壓范圍內(nèi)，其值為：UBUS8=1.065；UBUS9=1.018；UBUS10=1.029；UBUS11=1.007；UBUS12=0.989。由圖13(b)、(c)可見，第3 s 時，光伏出力從39.7 kW 降至22.35 kW，同時補償無功55.63 kVar，各節(jié)點電壓穩(wěn)定在目標范圍內(nèi)。與案例三相比，在達到相同效果的情況下，案例五的有功出力較高，功率因數(shù)得到改善，有效降低了電能損失，更接近配電網(wǎng)最佳經(jīng)濟模式，進而提高了經(jīng)濟效益和社會效益。

相較之下，改進的有功/無功綜合策略減少了有功出力限制的程度，增大了逆變器無功調(diào)節(jié)范圍。在這種調(diào)壓策略下，光伏系統(tǒng)可以獲取更大的經(jīng)濟效益，并且具有更靈活的電壓調(diào)節(jié)能力。有功/無功綜合調(diào)壓的改進策略考慮到實際工程對經(jīng)濟性的要求，為學生提供了從實際出發(fā)的解決問題新思路，培養(yǎng)了學生從多個角度全面分析和解決實際問題的能力。

4 結(jié)語

本文基于PSCAD/EMTCD 搭建的光伏并網(wǎng)仿真實驗平臺，可對分布式光伏接入低壓配電網(wǎng)引起的電壓越限現(xiàn)象及其應對方案進行仿真實驗。通過具體案例，學生可在該實驗平臺上觀察光伏接入后對配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，熟悉無功調(diào)壓、有功/無功綜合調(diào)壓以及改進的有功/無功綜合調(diào)壓策略，對比分析不同控制策略下的調(diào)壓效果，掌握電壓越限問題的解決思路。實踐證明，案例教學效果明顯，學生可通過實踐操作更好地掌握相關(guān)理論知識和方法，并培養(yǎng)解決此類實際問題的分析思考能力。