基于電力彈簧的電壓及功率因數(shù)的光伏并網(wǎng)穩(wěn)定方法

劉勛宇， 龐宇琦， 張新源， 徐嘯天， 周楊， 馬剛

(南京師范大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇 南京 210046)

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭、石油和天然氣等傳統(tǒng)化石能源消耗迅速，不僅加劇了土壤、湖泊水源和大氣等環(huán)境污染，同時降低了全球的傳統(tǒng)能源儲備，能源危機(jī)日益突出。集中式發(fā)電已無法滿足當(dāng)代電力發(fā)展的要求，在此情況下，分布式發(fā)電(distributed generation, DG)的研究已經(jīng)成為全球共同發(fā)展的重點(diǎn)，但風(fēng)能、太陽能等可再生能源的間歇性和波動性導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定[1]，其中電壓波動和局部功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)問題尤為突出[2-3]。

針對分布式光伏并網(wǎng)引起的配電網(wǎng)電壓波動和功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)問題，無功補(bǔ)償裝置和功率因數(shù)校正裝置等傳統(tǒng)的方法能夠解決這一問題。隨著DG大規(guī)模并網(wǎng)，傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置已無法完美解決電壓和功率因數(shù)問題[4]。在這種情況下，電力彈簧以其有功-無功可靈活控制的特性，可用于改善電壓和功率因數(shù)，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。目前國內(nèi)外專家已進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于PI控制器的光伏并網(wǎng)優(yōu)化控制策略，通過控制逆變器的無功和有功的流動來實(shí)現(xiàn)對用戶電壓和功率因數(shù)控制，有效地解決了光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓和功率因數(shù)問題。文獻(xiàn)[6]改進(jìn)一種雙層電壓自動控制方法，能夠有效抑制多DG并網(wǎng)引起的節(jié)點(diǎn)電壓波動及功率因數(shù)不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[7]采用了一種迭代分布式算法控制DG，有效提高了DG系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，靈活控制電壓和功率因數(shù)。

國內(nèi)外學(xué)者對于DG并網(wǎng)的電壓控制、功率因數(shù)控制以及電力彈簧(electric spring, ES)技術(shù)等領(lǐng)域均取得了一定的成果，然而具體的控制方法尚未得到深入研究。本文將針對分布式光伏并網(wǎng)后配電網(wǎng)電壓、功率波動和功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)問題，介紹ES的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析其傳統(tǒng)的功率控制模型，在此基礎(chǔ)上，提出一種基于ES的負(fù)荷電壓及功率因數(shù)控制方法，并通過粒子群優(yōu)化算法(particle swarm optimization, PSO)求出其控制量最優(yōu)解，最后對MATLAB/Simulink中建立含分布式光伏的并網(wǎng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證所提控制方法的有效性及可靠性。

1 ES拓?fù)浼肮β士刂?/h2>

ES主要利用的是電容的儲能性質(zhì)[8]，在電容C上并聯(lián)一個受控電流源，給電容疊加一個電壓信號，電壓Vc大小和方向可通過改變流過電容C的電流來控制。電力彈簧主拓?fù)潆娐芳纯捎呻娙軨與一個非關(guān)鍵負(fù)載(non-critical load, NCL)ZNCL串聯(lián)，和關(guān)鍵負(fù)載(critical load, CL)ZCL并聯(lián)得到，將ES和NCL串聯(lián)則形成智能負(fù)載(smart load, SL)。

目前電力彈簧已有多種逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常用的主要有三種，ES-1型、ES-2型和ES-B2B型[9]。本文考慮到包括負(fù)載電流、電力彈簧電壓、成本、可靠性和其他一些因素，決定采用ES-B2B型。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ES-B2B型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)ES運(yùn)行在有功功率控制模式時，其運(yùn)行相量關(guān)系如圖2所示。

圖2 ES的有功控制相量圖

其各電壓關(guān)系為：

(1)

式中：m為ES工作狀態(tài)，取值為-1、1、0;US為母線電壓;UES為ES電壓;UNCL為NCL電壓;φ為NCL阻抗角。

SL有功功率計算公式為：

(2)

則SL的有功功率控制模型為：

(3)

式中:ΔP為ES可變化的有功功率;USL為SL電壓;ZNCL為NCL阻抗。

令ΔP=ΔPorder可得：

(4)

式中：ΔPorder為有功功率控制指令的功率。

因此控制ΔPorder可改變UES的大小，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷消耗有功功率的控制。

當(dāng)ES運(yùn)行在無功功率控制模式時，其運(yùn)行相量關(guān)系如圖3所示。

圖3 ES的無功控制相量圖

其各電壓關(guān)系為：

(5)

式中:n為ES工作狀態(tài)，取值為-1、1、0。

SL無功功率計算公式為：

(6)

則SL的無功功率控制模型為：

(7)

式中:ΔQ為ES可變化的無功功率大小。

令ΔQ=ΔQorder可得：

(8)

式中：ΔQorder為無功功率控制指令。

因此控制ΔQorder可改變UES的大小，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷消耗無功功率的控制。

2 基于ES的負(fù)荷電壓及功率因數(shù)控制方法

2.1 ES有功-無功綜合控制電路設(shè)計

傳統(tǒng)的ES功率控制都只是單一地控制有功或無功功率，角度只有兩種變化。在已有研究基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于ES的負(fù)荷電壓及功率因數(shù)控制方法，可同時控制有功和無功功率，有4種工作模式，如圖4所示。

圖4 ES的有功-無功綜合控制相量圖

將UES進(jìn)行分解，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(9)

式中：UESP、UESQ分別是UES有功和無功控制分量。

根據(jù)傳統(tǒng)的電壓和功率控制方式以及圖4，建立如圖5的電壓控制回路。

圖5 ES功率-UES控制回路

圖5中:ΔQorder(t)為ES的無功功率指令;ΔQactual(t)為負(fù)荷實(shí)際無功功率;ΔPorder(t)為ES的有功功率指令;ΔPactual(t)為負(fù)荷實(shí)際有功功率;k1、k2為PI控制器的增益;abs為取絕對值函數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)對有功和無功功率的綜合控制，還需對相位差ψES進(jìn)行控制，將ψES分解成ψES1和ψES2兩個分量的數(shù)值疊加。分析可得到ES的相位控制回路示意圖如圖6所示。

圖6 ES功率-ψES控制回路示意圖

將UES控制回路和ψES控制回路聯(lián)立綜合分析，構(gòu)成如圖7所示的ES有功-無功綜合控制回路示意圖。

圖7 ES有功-無功綜合控制回路示意圖

通過上述控制回路可以動態(tài)地控制UES，從而能夠同時控制有功和無功功率，進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)ES對負(fù)荷電壓和功率因數(shù)的綜合控制。

2.2 基于PSO算法的電壓及功率因數(shù)優(yōu)化求解

使用PSO算法，計算出可調(diào)節(jié)的有功和無功，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電壓和功率因數(shù)的綜合優(yōu)化控制。目標(biāo)函數(shù)為電壓差與功率因數(shù)差之和，通過PSO算法求解其最小值f，可表示為：

minf=|US-USREF|+|PF-PFREF|

(10)

式中：US為ES母線電壓；USREF為ES額定電壓;PF為ES功率因數(shù);PFREF為ES額定功率因數(shù)。

設(shè)定一定的約束條件，約束條件為：

(11)

式中：ΔPES_min、ΔQES_min、ΔPES_max和ΔQES_max分別為ES有功和無功功率調(diào)整能力的上下限。

(12)

設(shè)置迭代次數(shù)為150次，其具體的計算步驟如圖8所示。

圖8 基于PSO算法的優(yōu)化控制流程圖

3 算例分析

為驗(yàn)證所提綜合穩(wěn)定控制方法應(yīng)用于分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的有效性，本文基于ES的光伏并網(wǎng)控制模型，在MATLAB/Simulink中建立系統(tǒng)仿真模型。模型采用ES-B2B型電力彈簧，非關(guān)鍵負(fù)載由6個相同的負(fù)載串并聯(lián)組成。為驗(yàn)證上一章節(jié)所提基于ES的負(fù)荷電壓及功率因數(shù)控制方法，是否能夠穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓和系統(tǒng)功率因數(shù)，以及并網(wǎng)點(diǎn)處功率波動問題，加入分布式光伏發(fā)電后。系統(tǒng)仿真如圖9所示,基本參數(shù)如表1所示,光伏出力波形如圖10所示，系統(tǒng)仿真時間為400 s，分為8個間隔。

圖9 含ES的光伏并網(wǎng)點(diǎn)功率穩(wěn)定的仿真模型

表1 仿真參數(shù)

圖10 光伏出力波形

為表示由于負(fù)載被打開和關(guān)閉而導(dǎo)致的電壓和功率因數(shù)變化，每個時間間隔內(nèi)負(fù)載功率因數(shù)在0.75～0.95之間隨機(jī)變化，相應(yīng)的電壓也在變化，參考功率因數(shù)設(shè)置>0.95，電壓和功率因數(shù)仿真結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 電壓US

圖12 功率因數(shù)

由圖11、圖12可得，ES參與功率調(diào)節(jié)時，當(dāng)關(guān)鍵負(fù)載出現(xiàn)電壓和功率因數(shù)波動時，通過上述綜合控制方法，ES能夠有效地抑制其變化幅度，穩(wěn)定負(fù)荷電壓及功率因數(shù)。

分析并網(wǎng)點(diǎn)功率，將ES參與功率調(diào)節(jié)和不參與功率調(diào)節(jié)進(jìn)行時長為400 s的仿真，觀察光伏系統(tǒng)側(cè)需求功率波形，如圖13所示。

圖13 光伏系統(tǒng)側(cè)需求功率

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，光伏系統(tǒng)側(cè)需求功率波動得到了明顯的控制，基本穩(wěn)定在14 kW?？芍菏褂帽疚奶岢龅目刂撇呗?，使得光伏系統(tǒng)側(cè)需求功率穩(wěn)定，有效抑制光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)的功率波動。

4 結(jié)束語

本文主要采用ES來解決分布式光伏并網(wǎng)功率波動問題。首先對ES基本原理及拓?fù)溥M(jìn)行介紹，并分析傳統(tǒng)ES有功和無功功率控制模型的不足，在此基礎(chǔ)上提出基于ES的負(fù)荷電壓及功率因數(shù)控制方法，建立ES的有功-無功功率控制模型。在MATLAB/Simulink中建立仿真系統(tǒng)，結(jié)果表明，使用基于ES的負(fù)荷電壓及功率因數(shù)控制方法能夠有效地抑制分布式光伏并網(wǎng)點(diǎn)的功率波動，從而減小分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后對配電網(wǎng)的影響。