面向綜合負(fù)荷的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)等效建模

李作偉

摘要：隨著全球變暖和能源危機(jī)的蔓延，分布式電源以其污染少、可靠性高、能源利用率高、安裝地點(diǎn)靈活等優(yōu)點(diǎn)在電網(wǎng)中所占比例日益受到重視，隨著接入系統(tǒng)的分布式電源容量逐步增加，其對(duì)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性的影響也愈發(fā)明顯。其中光伏電池因具有重量輕、無旋轉(zhuǎn)部件、成本低、無污染、適用范圍廣、使用安全等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于小型和大型發(fā)電系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：面向綜合負(fù)荷的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)等效建模

前言：光伏發(fā)電也存在一定的缺點(diǎn)和問題。例如，光伏發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)很高，這也是一直以來限制光伏發(fā)電發(fā)展的重要因素。太陽能電池的生產(chǎn)需要多晶硅，近些年來多晶硅材料的價(jià)格有所下降，使得光伏發(fā)電的成本與傳統(tǒng)發(fā)電的成本差距進(jìn)一步縮小。

一、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

光伏發(fā)電按照供電方式可以分為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)兩利-。光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般應(yīng)用于遠(yuǎn)離城市的山區(qū)、高原等，與公共電網(wǎng)相連接的則是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展光伏發(fā)電的重要途徑，也是光伏產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按照功能可以分為兩類：一種為含有儲(chǔ)能裝置的可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng);另一種為不含儲(chǔ)能裝置的不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，能夠兼具不間斷電源（UPS），保障重要負(fù)荷供電。然而，由于蓄電池組成本過高，目前一般采用不含有蓄電池組的不可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)。不可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)僅能并網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行控制方式較為單一。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按照安裝容量不同還可以分為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是同建筑物結(jié)合，充分利用建筑物屋頂進(jìn)行發(fā)電;大規(guī)模光伏電站則可建在空曠的荒野或者荒漠地帶。

二、面向綜合負(fù)荷的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)等效建模

1.等效描述。對(duì)外部電網(wǎng)而言，光伏發(fā)電系統(tǒng)的外特性可以描述為，光伏發(fā)電系統(tǒng)有功外特性接近以電壓為激勵(lì)的典型二階系統(tǒng)的響應(yīng)，由于暫態(tài)過程中電網(wǎng)電壓的跌落接近于經(jīng)典控制理論中的階躍信號(hào)，而光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)又接近于控制理論中的二階欠阻尼系統(tǒng)的階躍響應(yīng)?；谝陨戏治隹芍?，如能合理調(diào)節(jié)二階系統(tǒng)的參數(shù)，其階躍響應(yīng)就能較好地?cái)M合光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，為此本文提出光伏發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性可等效描述為：光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功輸出等效為以電壓激勵(lì)的二階欠阻尼系統(tǒng)的響應(yīng)，同時(shí)為了補(bǔ)償由簡(jiǎn)化帶來的暫態(tài)響應(yīng)不足問題，在模型中增加一個(gè)比例環(huán)節(jié)，而光伏發(fā)電系統(tǒng)的無功輸出近似為零（上述分析已經(jīng)證明），可以忽略不計(jì)。含分布式電源的廣義負(fù)荷建模需要在綜合負(fù)荷模型的虛擬母線上增加分布式電源的等效模型。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的容量的不斷增大，光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性必須考慮到綜合負(fù)荷模型中。

2.當(dāng)電網(wǎng)中含有非線性負(fù)荷以致線路中含有較大的無功和諧波分量時(shí)，并網(wǎng)逆變器可與有源濾波器進(jìn)行統(tǒng)一控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流質(zhì)量治理和光伏并網(wǎng)發(fā)電。

由于有源濾波器與光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功能和控制方法等三方面具有相似之處，因此可以考慮兩者的統(tǒng)一控制，光伏并網(wǎng)發(fā)電、無功補(bǔ)償和有源濾波一體化裝置工作原理簡(jiǎn)述如下：首先通過相應(yīng)電流檢測(cè)算法得到非線性負(fù)荷的無功和諧波分量，形成無功和諧波補(bǔ)償指令電流，然后通過最大功率跟蹤部分得到最大功率點(diǎn)電壓和并網(wǎng)指令電流，將無功和諧波補(bǔ)償指令電流和并網(wǎng)指令電流在控制部分進(jìn)行合并形成新的指令電流，控制逆變器按新合成的指令電注入電網(wǎng)?？刂葡到y(tǒng)采用電壓電流雙環(huán)的單位功率因數(shù)控制。為了使光伏陣列以最大功率跟蹤方式發(fā)電，在直流側(cè)采用了擾動(dòng)觀察法。逆變電路則采用滯環(huán)電流控制，使輸出電流與指令電流的差值維持在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。對(duì)光伏電池的輸出特性進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和變換，因此會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。實(shí)際中光伏并網(wǎng)逆變器的啟動(dòng)需要一定的光照強(qiáng)度，而模型并無該限制要求。由于實(shí)際并網(wǎng)逆變器濾波電路參數(shù)未知，而仿真模型中的濾波電路參數(shù)是按照一定的方法計(jì)算得出的，因此也會(huì)導(dǎo)致一定的誤差;實(shí)際中外界環(huán)境的復(fù)雜多變導(dǎo)致了誤差的不可避免。而監(jiān)測(cè)儀器和控制系統(tǒng)可能會(huì)因設(shè)備精度等問題不能實(shí)時(shí)跟蹤光照變化，從而導(dǎo)致輸出功率和電壓電流產(chǎn)生一定的誤差。模型可以分為電路拓?fù)浜涂刂葡到y(tǒng)兩部分。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如前所述，控制部分直流側(cè)采用擾動(dòng)觀察法進(jìn)行最大功率跟蹤，逆變電路采用同步PI電流控制，通過對(duì)有功/無功電流進(jìn)行解耦控制，實(shí)現(xiàn)有功和無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，一般情況下采用單位功率因數(shù)控制。光伏電站的并網(wǎng)啟動(dòng)過程采用逐級(jí)送電的方式，分為直流側(cè)啟動(dòng)和交流側(cè)啟動(dòng)兩部分。交流側(cè)啟動(dòng)過程是從母線高壓電纜開始逐級(jí)閉合斷路器。首先，出線斷路器對(duì)母線進(jìn)行充電，然后閉合接地變壓器，以便安裝消弧線圈提供一個(gè)人工的中性點(diǎn)。當(dāng)太陽能不足以發(fā)電時(shí)，并網(wǎng)逆變器自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。只有當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到直流側(cè)電容電壓達(dá)到一定值且維持一定時(shí)間后，才會(huì)通過開關(guān)控制觸發(fā)逆變器內(nèi)部的接觸器，開始并網(wǎng)發(fā)電。光伏電站的退出過程則正好與啟動(dòng)過程相反，當(dāng)由于故障導(dǎo)致逆變器停止并網(wǎng)時(shí)，應(yīng)先斷開逆變器直流側(cè)斷路器，然后依次令各斷路器斷開。光伏電站之所以采用逐級(jí)送電，是為了在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)快速找出故障點(diǎn)。保護(hù)配置的一般原則是越靠近電網(wǎng)側(cè)越遲鈍，這就保證了下級(jí)線路故障時(shí)不會(huì)令上級(jí)線路斷路器跳閘。例如，當(dāng)光伏電站內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，升壓變高壓側(cè)斷路器先跳開以保護(hù)上級(jí)系統(tǒng)。在受限模式下根據(jù)調(diào)度指令和負(fù)荷需求設(shè)定發(fā)出的有功功率和無功功率，或母線電壓較低時(shí)通過發(fā)出無功功率一定程度上抬高電壓;在均衡模式下通過配合相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)度控制和電能質(zhì)量控制，拓展光伏電站的功能，使其能夠減少系統(tǒng)巾的諧波等電能質(zhì)量問題。

結(jié)束語：構(gòu)建了適合綜合負(fù)荷建模的光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)單等效模型，該模型以傳遞函數(shù)的形式描述，具有參數(shù)少、易于辨識(shí)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能夠模擬光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力極限等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)為電力系統(tǒng)其他元件的建模提供了一個(gè)新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁明，王偉勝，王秀麗，等.大規(guī)模光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)影響綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2019，34（1）：1-13.